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電感電容、諧振器和振蕩器的Q值

我快閉嘴 ? 來源:加油射頻工程師 ? 作者:加油射頻工程師 ? 2022-09-22 14:15 ? 次閱讀

Q值的基本定義,如下圖公式所示:

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電感和電容的Q值

理想的電容,不耗散能量,Q值為無窮大,但是如果考慮級聯寄生電阻,則

7db02a2a-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

如果以并聯電容來模擬電容的損耗的話,則

7dca9f4a-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

同樣,和電容類似,電感的等效電路可有串聯和并聯兩種形式。

7dfcf5e4-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

諧振器的Q值

看一下有耗電感和有耗電容組成的并聯諧振電路的Q值。

在一個相對較窄的頻率范圍內,有耗電感和有耗電容都可以用一個并聯電阻來模擬其寄生電阻。

如下圖所示:

7e2dad92-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

其中,電感和電容的Q值分別為:

7e540fdc-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

當諧振器處于諧振狀態時:

7e736d6e-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

整個諧振器的Q值為:

7e9887f2-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

由上面的式子可知,電感和電容的Q值越高,其組成的并聯諧振器的Q值也越高

振蕩器的Q值

適合振蕩器的Q值定義,如下圖所示。電路被看成一個反饋系統, φ(ω)為開環傳遞函數的相位,w0為諧振頻率。開環Q值的定義如下圖紅框所示。

7edd312c-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

以一個交叉耦合LC振蕩器為例,計算其開環Q值。

7f03fd16-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

7f42084a-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

上述推導中,Qtank為每一級中諧振器的Q值。這個結果表面,級聯后的電路比單獨一級具有更高的Q值。

也就是說,振蕩器的Q值,和諧振器的Q值直接相關。

振蕩器的Q值和相噪的關系

把振蕩器看成線性時不變系統,對其相位進行分析。此模型稱為Leeson's model。

可以從振蕩器的線性小信號模型出發,基本思路是將相位噪聲解釋為由振蕩器內部熱噪聲通過振蕩器環路轉換產生的,在輸出表現為相位噪聲。

用如下圖所示的正反饋模型來等效振蕩器,把等效噪聲源接在此系統的輸入端,以此來對這個等效線性小信號模型進行噪聲分析。

7f8a9254-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

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根據巴克豪森判據,當振蕩器處于穩定狀態時,在振蕩頻率處, H( jω0)=-1。

在振蕩頻率附近,比如 ω= ω0 + Δω處,可以對H(jw)進行泰勒展開近似。

7fdb6a26-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

因為當振蕩器處于穩定狀態時,|H(w)|=1;且在振蕩頻率附近H(w)幅值最大,如下圖所示,所以幅值變化率為0.

80086792-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

因此,

804fda6e-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

如果只考慮諧振器等效并聯電阻來等效振蕩器內的熱噪聲,即X=4KTR, 并假設一般噪聲能量變為相位噪聲,另一半為幅度噪聲,因此輸出端輸出Y即為振蕩器的輸出噪聲。

所以:

80788964-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

因為相位噪聲是噪聲相對于信號的噪聲信號比,因而相位噪聲為:

809524a2-3a31-11ed-9e49-dac502259ad0.png

上述等式即是初步的只考慮簡單熱噪聲的Leeson's模型。可以看到相位噪聲和振蕩頻率成正比,與Q值,偏差頻率以及信號功率成正比。

所以,當電感電容的Q值大==>諧振器的Q值==>振蕩器的Q值==>相位噪聲小。

審核編輯:湯梓紅
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原文標題:電容電感的Q值怎樣一步一步影響振蕩器的相噪的呢?

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