[发明专利]多谐振器的振荡器

说明书

背景技术

本发明针对提高振荡器的稳定度，这种振荡器用在通信系统的发射机和/或接收机中对信号进行上变频或下变频及需要单纯和稳定的频率基准的频率合成器中。本发明的装置和方法可用于如钟表和计算装置等作为基准目的而要求高度稳定的时钟信号的系统中，亦可用于任何要应用振荡器的领域。更具体地，本发明针对将多个谐振器/放大器级联成一个环路，以提高有效品质从而提高振荡器的稳定度。

任何在其中定时成为很重要的系统都有本地振荡器，且许多系统也要求本机产生精确的频率基准。比如，如果在发射机和接收机中没有用以将信息信号变换到适当频带的本地振荡器，无线传输将是不能实现的。这种系统的性能高度地依赖于振荡器提供的频率的稳定度。振荡器输出中的相位抖动(相位噪声)限制了基准的精度从而限制了整个系统的精度。同时在许多应用中振荡器输出中的幅度偏差也是重要的，但这种幅度偏差可由限幅器或自动增益控制器容易地进行抑制。

高性能振荡器的一般结构包括一个放大器，该放大器有一个通过谐振结构反馈到其输入端的输出端。当反馈环路中的频率变化时，谐振结构产生一个大的输出变化，该输出变化和频率变化相反以使这种频率变化为最小。当频率变化而使谐振器输出变大时，这种校正作用也增强。谐振器的这种随频率的变化由品质或Q值表示。较高的Q值表明该谐振器对频率变化更敏感，因此最终的振荡器的输出频率会更稳定。为提供具有单纯及稳定的频率输出的振荡器，要求振荡器具有低噪声及高Q值。因为振荡器的最终输出频谱是由环路产生的噪声及谐振器的Q值决定的，所以对于稳定的振荡器，谐振结构的高Q值是很重要的。

图1显示了典型振荡器的结构，在这种振荡器中放大器10是由无源的相移网络20进行反馈的。振荡器5在满足巴克好森(Barkhausen)条件，即环路增益精确地为1且环路相移为0或2π的倍数时的频率上开始振荡。振荡器5被优选地设计成使相位条件发生在谐振器的相位特性中最陡的部分。更精确地，网络20的Q值和相位导数或谐振器的群延时δφ/δf的关系为：

其中f₀为谐振频率，单位为Hz(赫兹)。

通过将振荡器5模型化为能滤除反馈环路中噪声的极窄带滤波器，可确定振荡器5的输出频谱。因比，输出Sv的噪声功率谱密度与环路中的白噪声密度Sn成正比而与谐振装置中Q2成反比，为：

Sv=V²Q²[V2/Hz]    式(2)

其中V=f/f₀-f₀/f。

提高振荡器稳定度的一种技术是通过将多个无源相移网络级联在一起而提高有效Q值。然而，在实际使用时，在无源相移网络20中使用的谐振器既可以是两端的亦可以是三端的器件，它通常不是单向的。将这些网络级联导致电的相互作用，因此不会导致级联电路中有效Q值的提高。由于网络的特性，在实际使用时不能将谐振器简单地按电路级联在一起。因此，希望提供一种把振荡器的选频电路级联起来的方法，用以防止谐振器之间的相互作用和加载。

发明概要

本发明的目的是提供一种通过级联多个单元而提高振荡器Q值的装置和方法，其中每个单元都包含无源选频电路及有源放大器以得到呈现稳定度净增加的振荡器。

本发明的另一个目的是通过提高振荡器的Q值和由此实现的稳定度净增益，从而实现具有构成振荡环路的无源谐振器及有源放大器的振荡器的稳定度的净增益。

本发明的这些目的是通过提供一种包含多个无源选频电路及多个通过所述无源选频电路进行反馈的有源放大器的振荡器来实现的，这种反馈是将多个单元级联在一起，其中每个单元都包括由一个所述无源选频电路和一个所述有源放大器而组成的一对所形成的一个振荡环路。因为各单元内的噪声是非相干的而总的Q值是增加的，所以将所有的无源选频电路/有源放大器单元级联就得到振荡器稳定度的净增益。级联这些单元时，有源放大器起着隔离器的作用以防止级联的谐振器间相互作用，从而获得振荡器稳定度的净增益。

本发明的这些目的也通过提供增强振荡器稳定度的方法而实现，这种方法包括级联多个单元的步骤，其中每个单元都包括由一个无源选频电路及一个有源放大器而组成的一对，以及在由所述多个级联单元组成的振荡环路中通过所述无源选频电路对所述有源放大器进行反馈的步聚。本方法通过级联多个单元，也提高了振荡器的有效Q值，所以有源放大器起到缓冲器的作用以防止在级联的谐振器之间的相互作用。