本书系统论述了射频和微波晶体管振荡器设计的理论、方法和实践，主要内容包括非线性电路设计方法、振荡器工作与设计原理、自激振荡的稳定性、最佳设计与电路技术、振荡器中的噪声、变容二极管与振荡器频率调谐、CMOS压控振荡器、宽带压控振荡器、噪声降低技术等。
射频与微波晶体管振荡器设计
射频（RF）和微波电路的消费电子产品与通信设备的发展对振荡器设计提出了更高的要求；高频技术和新技术的应用，产生了高性能和多功能的、更加健壮的电路需求；与此同时，成本降低、尺寸减小和功耗降低也是射频和微波电路的必然发展要求——由此，性能更好的振荡器仍是迫切的需求。
本书涵盖了迄今为止与振荡器设计相关的几乎全部知识，本书力图使得选择具有最优化的低噪声和电气性能的振荡器成为现实。
全书主要内容包括
非线性电路的分析方法：包括频域分析、时域分析和准线性方法。
振荡器中噪声的信息：这些知识体现在关于变容管和振荡频率调谐、CMOS电压控制振荡器和宽带电压振荡器的各章中。
振荡器稳定性的分析：包含了多谐振荡电路和相平面方法。
从经验和解析设计方法到高频设计技术的优化设计和电路技术。
振荡器的一般操作和设计原理：包含在振荡器配置历史方面的各章中。
本书既是实际射频和微波设计工程师的有价值的参考资料，也是教师、高年级学生和相关科研工作者最佳的参考用书。
本书的主要目的，是提供RF和微波晶体管振荡器设计所必需的全部相应信息，包括众所周知的和新的理论方法及实际电路图与设计，并提供了优化设计方法建议，这些建议有效地把解析计算和计算机辅助设计结合在一起。本书对教学十分有用，可以提升解析思路，并有效地把RF和微波工程的理论和实际结合在一起。一般情况下总是会喜新厌旧，因此，本书不仅给出了基于新技术或电路原理图的新成果，也包含了某些较老的思想、电路原理或方法，这会对现代实践十分有用，或者对新思想和技术的发展有所贡献。
据此，本书的读者对象以及对读者的建议如下：
1）对于大学水平的教授和研究人员，可作为创新研究和教学活动的参考和良好材料，会为研究生和博士生提供强有力的知识背景。
2）对于研发团队，可结合理论分析和实践，包括计算机辅助设计（CAD），为理论和实际电路技术的新思想提供了充分的基础。
3）对于实际RF设计师和工程师，可作为许多已知的和新的实际晶体管振荡器电路的汇编资料，具有详细的工作原理与应用的描述，以及理论结果清楚的实践证明。
第1章提供了使用最广泛的解析非线性电路设计技术，特别是晶体管振荡器。依赖于主要的设计规范，有几种非线性电路分析与设计方法。当必须消除或最小化诸如非稳定性和虚假发射等寄生效应时，这意味着时域分析（以确定瞬态电路行为）和频域分析（以改善功率和频谱特性）。使用时域分析技术，易于使用微分方程描述非线性电路，在某些简单情况下，可以解析地以清晰的方式求解微分方程。在缓慢改变幅度和相位的假设下，对振荡过程的幅度和相位，完全可能从原始二阶非线性微分方程得到分离截短的一阶微分方程。然而，一般必须使用数值计算方法。时域分析受限于其自身没有能力处理电路导抗（阻抗或导纳）参数，以及这样一个事实，即时域分析只能用于集总参数或理想传输线的电路。频域分析则较少含混，这是因为对每一个谐波分量而言，相对复杂的电路经常能够降低至一个或几个导抗组。例如，使用准线性方法，被基波分量平均化的非线性电路参数可用于线性电路分析。先进的现代CAD仿真器集时域分析和频域分析方法及优化技术于一身，提供了所有必需的设计环节。
第2章介绍振荡器设计原理，包括启动和稳态工作条件，使用集总参数和传输线元件的基本振荡器结构，以及简化等效振荡器的分析和设计技术。介绍了导抗设计方法并将其用于串联和并联反馈振荡器，包括电路设计和仿真两个方面。给出了大量使用MOSFET、MESFET和双极器件的RF和微波振荡器实例，包括这些振荡器电路实现方法的描述。
对有源器件使用直流偏置一般不会导致负电阻条件。在这些器件中，必须引入负电阻条件，同时，负电阻条件由器件物理机制和所选择的电路拓扑结构来确定。振荡器电路中的晶体管常表示为有源二端口网络，其工作原理通过等效电路来表示。在实际设计中，电路和晶体管参数的影响能够引起滞后效应或振荡的不稳定性。在高频实际实现中，寄生器件和电路元件的存在能够提供多谐振电路。具有不同自然频率的工作模式，与谐振电路之间耦合系数的数值有关。因此一般情况下，解析地推导了多谐振电路稳态单频工作的稳定条件，同时也特别地解析推导了双耦合谐振电路的稳定条件。第3章中，针对不同的单谐振和双谐振振荡器电路，描述和分析了稳定判别准则的几个例子。此外还通过几个振荡器电路实例，展示和阐述了作为振荡系统动态分析定性方法的相平面法和奈奎斯特稳定性判据，这些电路由二阶微分方程来描述。
一般地，RF和微波晶体管振荡器设计是一个复杂问题。根据具体的技术需求，有必要定义振荡器电路的结构，选择适当的晶体管类型，在小信号和大信号条件下评估和测量晶体管非线性模型参数。最后，必须使用适当的非线性仿真器在时域和频域中对振荡器特性进行仿真。振荡器分析可基于二端口网络法，以描述有源器件和反馈电路。这种情况下，晶体管等效电路基本参数可直接测量得到，或者在宽频率范围内足够准确的前提下，在实验数据的基础上近似求得。不过，开始并不知道外部反馈元件的数值。确定反馈和负载参数优化值的过程需要花费时间，在特殊情况下要求多次仿真。由此可知，使用最佳振荡器设计的解析方法是十分方便的。这种方法会合并晶体管等效电路元件及其静态伏安特性、电压-电容特性所表示的反馈元件和负载阻抗的确切表达式。第4章提供了经验的和解析的优化设计方法，这些方法应用于串联和并联反馈振荡器，包括电路设计和仿真两个方面以及高效率设计技术。还给出了使用MOSFET、MESFET、HEMT和双极器件的RF和微波振荡器典型实例，包括对这些电路结构的描述。
第5章描述不同的振荡器噪声模型，以清楚地表达谐振电路和有源器件噪声模型参数之间的关系。根据经验导出的简单的反馈振荡器里森（Leeson）线性模型是基于这样一种期望，即真实振荡器输出频谱是由两个基本作用提供的。第一个作用是频率偏移接近载波时附加白噪声导致相位波动的结果。第二个作用是低频波动，或者有源器件非线性作用引起的闪烁噪声对载波区域的上变频。基于负电阻振荡器中电流的正弦表示的非线性库洛卡瓦（Kurokawa）分析，通过引入噪声功率、稳定条件和幅度-相位转换之间的关系，扩展了振荡器的噪声模型。然而，当电流在有源器件输出中必须用傅里叶级数展开式表示时，这种噪声形成机制没有考虑来自有源器件固有非线性行为的混合作用。因此，产生于振荡基波频率附近的相位噪声一般等同于两个同时发生的相关现象的作用：由相位调制作用产生的附加相位噪声，由一个边带转换到另一个边带引起的转换相位噪声。
在许多应用中，特别是在无线通信系统、测量设备或者军事应用中，电压控制振荡器是关键部件。无线应用市场的增长要求高度集成的集成电路解决方案，在这里，高性能晶体管和高品质因数无源元件都得到了应用。第6章讨论变容二极管建模问题、变容二极管非线性及其对频率调制的作用，以及为改善VCO调谐线性度而使用的集总和传输线元件谐振电路技术。给出并描述了VCO实现技术的各种实例，这些实例都基于不同类型的有源器件、电路图解法、混合或单频集成电路技术。
新一代无线通信系统的迅速增长，为设计单片无线发送-接收器创造了强大的需求，这种发送和接收器使用了具有较好集成度、低造价和低工作电压的超小尺寸完全单片CMOS制造技术。为提升集成水平，所有无源部件必须集成在单一的芯片中。这种情况下，电压控制振荡器的谐振LC电路的元件作为综合器的核心部分，必须在频率调谐范围内具有高品质因数的特征。第7章讨论MOS变容二极管和螺旋电感器的实现技术、电路设计和实现问题的基本概念问题，以及振荡器相位噪声和低频闪烁噪声的影响。此外，还包含各种不同的微分、互补和积分CMOS VCO的实例，这些电路使用了不同的制造技术。
宽带电压控制振荡器应用在不同的RF和微波系统中，包括宽带测量设备、无线和TV应用，以及军事电子对抗系统中。在宽带可调信号源中，例如YIG调制振荡器，首选的是宽带VCO，这是因为宽带VCO的小尺寸、低重量、高建立时间速度和全单片集成能力。因此，现代雷达和通信应用需要VCO，在扫过贯穿所有频率的宽范围电压上，具有远超过YIG调谐振荡器的速度和建立时间。第8章讨论宽带VCO电路设计的基本概念，给出详尽的电路解决方案，这些电路使用了集总元件和传输线以改善其频率调谐特性。分析了双极、MOSFET、MESFET器件的RF和微波VCO电路结构的不同例子，计算了这些电路的参数或对其进行优化以改善最大调谐带宽或最小调谐线性度。此外还包含有大量雷达或电信系统中RF和微波宽带VCO应用的实际例子。
第9章讨论相位噪声降低技术，给出了详尽的谐振电路解决方案，为频率稳定性和相位噪声降低，这些电路使用的是集总和分布参数。通过相应的低频负载和反馈电路优化，也可以达到改善相位噪声的目的。反馈系统并入振荡器偏置电路，可以在从高频到微波的宽频带范围内使相位噪声显著减少。特别描述了具有集电极和发射极噪声反馈电路的双极振荡器离散化实现。此外还提供了基于无源LC滤波器的滤波技术，用来削弱微分振荡器中的相位噪声。展示并讨论了使用滤波技术的全集成CMOS电压控制振荡器的不同拓扑结构。利用适当的电路，一种新的、基于经典的共基极单端三点式电路结构的噪声移位微分VCO，能够改善相位噪声特性。提供了一个具有有源器件与谐振电路优化耦合的、使用一个有源元件的优化设计技术，这个有源器件由共源极FET器件和共基极双极晶体管顺序连接而成。微波振荡器中的相位噪声也可以通过使用负电阻补偿、增加振荡器谐振电路负载品质因数来降低。最后，讨论了一个使用非线性反馈环的新方法，这个方法用来抑制微波振荡器中的相位噪声。
致谢
Vladimir Nikiforov博士，是一名耐心的助教和博学的教师，我们在莫斯科通信与信息工业大学的研究工作中有着长期的合作，他以无可估量的人类和科学特征对作者的研究和出版这些创造性的活动作出了贡献。
Bill Chen博士，新加坡微电子研究所第一任所长，他提供了使研究得以进行的良好的设备与环境，没有这些设备和环境就不可能实现本书的写作。
Alex Teo和他的同事，提供了来自安软（Ansoft）公司优秀的专业软件产品和有价值的技术帮助。
Ravinder Walia，参与了有关CMOS振荡器设计问题的有益和有用的讨论。
给予作者帮助的还有，俄罗斯莫斯科通信与信息工业大学的Grigory Aristarkhov教授、Vladimir Chernyshev博士、Pavel Miknevich博士、Vladimir Pashnin博士、Nikolai Paushkin博士和Elena Stroganova，澳大利亚林茨大学的Herbert Jaeger博士，意大利波罗格纳大学的Aoberto Costantini博士，新加坡微电子研究所的Rajinder Singh博士和Lin Fujiang博士，感谢他们的鼓励和支持。
特别要感谢作者的夫人，Galina Grebennikova，感谢她完成了重要的数字计算和计算机艺术设计，以及她长期的鼓励、启示、支持和帮助。
最后，我向John Wiley & Sons全体与本书出版计划有关的工作人员表达我诚挚的谢意，感谢他们的敬业和杰出的努力。
电子与电气工程
RF和微波晶体管振荡器设计
射频（RF）和微波电路的消费电子产品与通信设备的发展对振荡器设计提出了更高的要求；高频技术和新技术的应用，产生了高性能和多功能的、更加健壮的电路需求；与此同时，成本降低、尺寸减小和功耗降低也是射频（RF）和微波电路的必然发展要求——由此，性能更好的振荡器仍是严峻的需求。
本书涵盖了迄今为止的振荡器设计相关的几乎全部知识，本书力图使得选择具有最优化的低噪声和电气性能的振荡器成为现实。全书主要内容包括：
? 非线性电路的分析方法：包括频域分析、时域分析和准线性方法。
? 关于振荡器中噪声的信息：这些知识体现在关于变容管和振荡频率调谐、CMOS电压控制振荡器和宽带电压振荡器的各章中。
? 关于振荡器稳定性的分析：包含了多谐振荡电路和相平面方法。
? 从经验和解析设计方法到高频设计技术的优化设计和电路技术。
? 振荡器的一般操作和设计原理：包含在振荡器配置历史方面的各章中。
本书既是实际RF和微波设计工程师的有价值的参考资料，也是教师、高年级学生和相关科研工作者最佳的参考用书。
李哲英：暂无简介
射频（RF）和微波通信技术是现代通信工程中的重要技术，也是相关集成电路设计的重要领域。在RF和微波通信技术中，振荡器设计是核心技术之一。安德烈·格勒本尼科夫博士根据多年的理论研究成果和工程设计经验，在总结了大量工程实例和经验的基础上，结合理论分析方法写成了这本振荡器设计的专著。可以毫不夸张地说，这是一本不可多得的重要学术和技术专著。
IEEE高级会员安德烈·格勒本尼科夫博士具有长期从事学术与工业研究的经验，是60多篇学术论文的作者，著有3本书，拥有多项美国专利。他曾在俄罗斯莫斯科电信与信息工业大学、新加坡微电子研究院、爱尔兰M/A-COM、德国英飞凌技术公司作为工程师、研究员、讲师和教育工作者。作为特约报告人，多次在国际微波研讨会、欧洲微波会议和马来西亚摩托罗拉设计中心讲授相应的短期课程。可以说，本书是安德烈·格勒本尼科夫博士多年潜心研究和工程实践经验的重要总结。
本书全面系统地介绍和讨论了RF和微波范围内晶体管振荡器设计的理论、方法和技术。从振荡器基本非线性电路分析与设计开始，深入细致地讨论了振荡器的工作原理、电路结构设计、参数分析与选择、半导体元器件的选择与应用分析方法、专用集成振荡器电路结构设计和噪声分析与消除方法。
本书的特点如下：
1）在提供大量实际应用电路结构与参数分析计算与仿真的基础上，通过对经典和新理论方法的介绍、讨论与应用，系统地总结和介绍了相关振荡器的分析理论及其应用方法，使读者全面了解和掌握振荡器设计理论分析方法和工程设计技术。
2）提供了优化设计方法的一些重要建议，这些建议能有效地把解析计算和计算机辅助设计结合在一起，是工程设计和理论研究的实践经验总结。
3）在理论分析特别是实际电路的分析研究上“喜新不厌旧”，书中不仅介绍了新技术或电路原理图，也包含了某些较为古老的设计思想、电路原理或方法，这对现代工程实践是十分有用的，同时，也是对新思想和新技术发展的有益启迪，具有“温故而知新”的良好效果。
作为一本研究RF和微波段的振荡器理论与技术著作，本书不仅对工程电路设计分析与仿真具有十分重要的指导意义，同时还可以作为相关工程专业硕士和博士课程的教学参考，有助于提升解析思路，并有效地把RF和微波工程的理论与实际结合在一起。
本书的翻译工作得到了北京联合大学信息学院和北京联合大学微电子应用技术研究所各位教师的大力支持，同时也得到了机械工业出版社华章分社的大力支持。作者在此一并感谢。
本书前言和第1章由李哲英翻译，第2～5章由许立群翻译，第6～8章由王淑英翻译，第9章由钮文良翻译。申功迈副教授和吕彩霞助教参与了部分内容的翻译校对工作。全书由李哲英教授统稿。
由于译者水平有限，翻译中肯定存在一些错误，恳请读者批评指正。
译 者
2009年6月
译者序
前言第1章 非线性电路设计方法1
1.1 谱域分析1
1.1.1 三角恒等式2
1.1.2 分段线性近似3
1.1.3 贝塞尔函数6
1.2 时域分析7
1.3 牛顿-拉普逊算法9
1.4 准线性方法11
1.5 范·德波尔方法14
1.6 计算机辅助分析与设计17
参考文献20
第2章 振荡器工作与设计原理21
2.1 稳态工作模式21
2.2 起振条件22
2.3 振荡器结构与发展史26
2.4 自偏压条件31
2.5 振荡器矩阵分析法37
2.5.1 并联反馈振荡器37
2.5.2 串联反馈振荡器39
2.6 双晶体三极管振荡器40
2.7 传输线振荡器44
2.8 双推振荡器48
2.9 三推振荡器52
2.10 延迟线振荡器55
参考文献58
第3章 自激振荡的稳定性61
3.1 负电阻振荡器电路61
3.2 常规单频稳定性条件63
3.3 单谐振电路振荡器64
3.3.1 恒定负载的串联谐振电路
振荡器64
3.3.2 非线性负载的并联谐振电路
振荡器65
3.4 双谐振电路振荡器65
3.5 多谐电路的稳定性67
3.5.1 一般复频稳定性判据67
3.5.2 双频振荡模式及其稳定性69
3.5.3 双谐振耦合电路振荡器的单频
稳定性69
3.5.4 具有双谐振耦合电路的三极管
振荡器70
3.6 相平面法77
3.6.1 无损谐振LC电路中的空转
振荡78
3.6.2 有损谐振LC电路中的振荡79
3.6.3 有损谐振LC电路中的非周期
过程81
3.6.4 变压器耦合MOSFET振荡器82
3.7 奈奎斯特稳定性判据83
3.8 起振和稳定87
参考文献92
第4章 最佳设计与电路技术93
4.1 经验优化设计方法93
4.2 解析最佳设计法99
4.3 并联反馈振荡器101
4.3.1 最佳振荡条件101
4.3.2 最佳MOSFET振荡器102
4.4 串联反馈双极三极管振荡器104
4.4.1 最佳振荡条件104
4.4.2 最佳共基极振荡器104
4.4.3 准线性方法106
4.4.4 计算机辅助设计109
4.5 串联反馈MESFET振荡器111
4.5.1 最佳共栅极振荡器111
4.5.2 准线性方法112
4.5.3 计算机辅助设计114
4.6 高频设计技术118
4.6.1 C类工作模式118
4.6.2 E类功率振荡器120
4.6.3 DE类功率振荡器125
4.6.4 F类模式和谐波调谐125
4.7 实际振荡器电路129
参考文献133
第5章 振荡器中的噪声136
5.1 噪声特征136
5.2 闪烁噪声142
5.3 有源器件噪声建模143
5.3.1 MOSFET器件143
5.3.2 MESFET器件145
5.3.3 双极三极管147
5.4 振荡噪声频谱：线性模型149
5.4.1 并联反馈振荡器149
5.4.2 负电阻振荡器155
5.4.3 科耳波兹振荡器156
5.5 振荡器噪声频谱：非线性模型…159
5.5.1 库罗卡瓦逼近159
5.5.2 冲激响应模型162
5.6 带载品质因数170
5.7 幅度-相位转换174
5.8 振荡器频率牵引数175
参考文献178
第6章 变容二极管与振荡器频率调谐…183
6.1 变容二极管建模183
6.2 变容二极管非线性185
6.3 频率调制188
6.4 反串联变容二极管对191
6.5 调谐线性度194
6.5.1 带集总元件的VCO194
6.5.2 带传输线的VCO200
6.6 电抗补偿技术202
6.7 实用VCO电路图204
6.7.1 VCO实现技术204
6.7.2 差动VCO208
6.7.3 双推VCO212
参考文献215
第7章 CMOS压控振荡器218
7.1 MOS变容二极管218
7.2 相位噪声222
7.3 闪烁噪声225
7.4 振荡回路电感227
7.5 电路设计概念与技术230
7.5.1 器件操作模式230
7.5.2 起振条件和稳态条件233
7.5.3 差分交叉耦合振荡器235
7.5.4 宽带调谐技术237
7.5.5 方波VCO240
7.6 阻抗技术问题242
7.7 CMOS VCO部分电路图244
参考文献248
第8章 宽带压控振荡器252
8.1 主要要求252
8.2 无源元件的单谐振电路255
8.2.1 串联谐振电路255
8.2.2 并联谐振电路257
8.3 集总元件的双谐振电路259
8.4 传输线电路的实现261
8.4.1 带有均衡传输线的振荡器系统…261
8.4.2 带多节传输线的振荡系统264
8.5 VCO电路设计概述266
8.5.1 共栅MOSFET和MESFET的
VCO266
8.5.2 共集电极双极型VCO269
8.5.3 共基双极型VCO271
8.6 宽带非线性设计272
8.7 双模式变容二极管调谐274
8.8 实用RF和微波宽带VCO279
8.8.1 无线和卫星电视应用279
8.8.2 微波单片集成VCO设计282
8.8.3 推-推振荡器和振荡倍频器284
参考文献285
第9章 噪声降低技术288
9.1 振荡电路设计技术288
9.1.1 集总元件振荡系统288
9.1.2 传输线振荡系统290
9.2 低频加载和反馈的优化295
9.3 滤波技术299
9.4 噪声-转移技术303
9.5 阻抗噪声匹配306
9.6 非线性反馈环路噪声的抑制308
参考文献311
