高频压控振荡器设计

前言 (1)1高频压控振荡器设计原理压控振荡器 (2)1.1工作原理 (2)1.2变容二极管压控振荡器的基本工作原理 (2)2高频压控振荡器电路设计 (4)2.1设计的资料及设备 (4)2.2变容二极管压控振荡器电路的设计思路 (4)2.3变容二极管压控振荡器的电路设计 (5)2.4实验电路的基本参数 (6)2.5实验电路原理图 (7)3高频压控振荡器电路的仿真 (7)3.1M ULTISIM软件简介 (8)3.2M ULTISIM界面介绍 (9)3.2.1电路仿真图 (10)3.2.2压控振荡器的主要技术指标 (10)3.3典型点的频谱图 (10)4高频压控振荡器电路实现与分析 (16)4.1实验电路连接 (16)4.2实验步骤 (16)4.3实验注意事项 (19)4.4硬件测试 (19)5心得体会 (21)参考文献 (22)压控振荡器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，在LC振荡器决定振荡器的LC 回路中，使用电压控制电容器（变容管），可以在一定的频率范围内构成电调谐振荡器。

这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器。

它广泛应用与频率调制器、锁相环路以及无线电发射机和接收机中。

压控振荡器是锁相环频率合成器的重要组成单元，在很大程度上决定了锁相环的性能。

在多种射频工艺中，COMS工艺以高集成度、低成本得到广泛的应用。

压控振荡器（VCO）在无线系统和其他必须在一个范围的频率内进行调谐的通信系统中是十分常见的组成部分。

许多厂商都提供VCO产品，他们的封装形式和性能水平也是多种多样。

现代表面的贴装的射频集成电路（RFIC）VCO继承了近百来工程研究成果。

在这段历史当中。

VCO技术一直在不断地改进中，产品外形越来越小而相位噪声和调谐线性度越来越好。

对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。

晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。

压控振荡器可分为环路振荡器和LC振荡器。

环路振荡器易于集成，但其相位噪声性能比LC振荡器差。

为了使相位噪声满足通信标准的要求，这里对负阻RC压控振荡器进行了分析。

1高频压控振荡器设计原理压控振荡器1.1工作原理压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,常以符号(VCO)(Voltage Controlled Oscillator)。

其特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。

图1中,uc为零时的角频率ω0称为自由振荡角频率；曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。

使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。

在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。

人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。

在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。

图1 压控震荡器的控制特性在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制(AFC)系统中的振荡电路、锁相环路(PLL)中所用的振荡电路等均为压控振荡器。

振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。

1.2变容二极管压控振荡器的基本工作原理在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制。

受控电抗元件常用变容二极管取代。

变容二极管的电容量Cj 取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的Cj 变化，Cj 的变化会导致振荡频率的改变。

对于图中，若C1、C2值较大，C4又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与L 相并联的总电容为：'413221321]123[C Cj C C C C C C C C C Cj C C C Cj C +=+++=+=串串 变容管是利用半导体PN 结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线如图所示。

图中，反向偏压从3V 增大到30V 时，结电容Cj 从18pF 减小到3pF ，电容变化比约为6倍。

对于不同的Cj ，所对应的振荡频率为)'(21max C C L f jmix +=π(VR 为最大)'21max min C C f j +=π（VR 为最小）通常将fmax 和fmin 的比值称为频率覆盖系数，以符号Kf 表示，上述振荡回路的频率覆盖系数为图2 变容二极管压控振荡器原理图''f f min max min jmax f C C C C K j j ++==图3振荡回路的频率覆盖系数2高频压控振荡器电路设计2.1设计的资料及设备模拟电子线路、高频电子线路；软件Multisim 10；计算机一台实验箱2.2变容二极管压控振荡器电路的设计思路本设计主要通过振荡器电路产生2.2GHZ-2.5GHZ的振荡频率。

设计的大体框图图4所示。

2.3变容二极管压控振荡器的电路设计压控振荡器模块在RZ 9905-R微波接收实验系统箱内，电路如图5所示，它由T1，T2两只晶体三极管及变容二极管T3等电路组成，T1，T3及周围电路组成频率可变的电容反馈三点式振荡器（又称考必兹振荡器），其等效电路如图6所示。

回路电容Cec，Ceb为晶体管极间电容，Lb，C1，T3串联后构成回路电感。

Lb为晶体管基极引线电感，约为10nH。

变容二极管T3的作用是，当外加控制电压经电阻R1加到它上面，变容管T3的等效电容随外加电压变化而攺变，因此图6所示电路中振荡回路的自然谐振频率随之改变。

从而，当外加控制电压变化时，能攺变压控振荡器的振荡频率。

该压控振荡器的频率约为2.2-2.5GHz，由于振荡频率高，晶体管的极间电容、引线电感等参数对振荡频率及工作状态都有很大影响，因此，微波模块对元件、布线、工艺、焊接等的要求非常高。

图6中，T2及周围电路为压控振荡器的放大输出级。

R5，R6，R7构成 型衰减器，它使压控振荡器和放大输出级隔离，有利于提高压控振荡器的频率稳定度。

L1，L2，L3，L4，L5为高频扼流圈，它们的作用是为两晶体三极管各极提供合适的直流电图5高频压控振荡器设计电路图6 压控振荡器等效电路压。

本模块供电电压为12伏，压控振荡信号从C6输出，其电平约为0dbm。

为了在线测量，压控振荡信号经衰减器送至压控振荡器输出测量接头，电平约为-10dbm。

2.4实验电路的基本参数（1）工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率，通常单位为“MHz”或“GHz”。

（2）输出功率：在工作频段内输出功率标称值，用Po表示。

通常单位为“dBmw”。

（3）输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内，功率波动最大值，用△P 表示，通常单位为“dBmw”。

（4）调谐灵敏度：定义为调谐电压每变化1V时，引起振荡频率的变化量，用MHz/△VT表示，在线性区，灵敏度最高，在非线性区灵敏度降低。

（5）谐波抑制：定义在测试频点，二次谐波抑制=10Log(P基波/P谐波)(dBmw)。

（6）推频系数：定义为供电电压每变化1V时，引起的测试频点振荡频率的变化量，用MHz/V表示。

（7）相位噪声：可以表述为，由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱，在偏移主振f0为fm的带内，各杂散能量的总和按fin平均值+15f0点频谱能量之比，单位为dBC/Hz；相位噪声特点是频谱能量集中在f0附近，因此fm越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定的fm有离F0 1KHz、10KHz和100KHz几种，根据产品特性作相应规定。

产生相噪的因素主要是寄生寄相，但影响寄生寄相的因素较多，较为复杂，不同VCO产品在提高相噪指标方面都会采取相应设计思路和工艺措施。

（8）3dB调制带宽：是指特定用途的VCO在作调频使用时，调制信号(视频)为1V P－P时，产生的调频频带宽度，主要由双端压控作调频时用户的要求作出设计。

2.5实验电路原理图图7实验电路原理图3高频压控振荡器电路的仿真3.1Multisim软件简介1、NI Multisim 10是美国国家仪器公司（NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。

2、目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。

Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。

Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版（Power Professional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。

3、NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。

NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。

4、NI Multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。

5、NI Multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。

6、NI Multisim 10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。

7、NI Multisim 10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电、射频电路及微控制器和接口电路等。

可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。

在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。

8、NI Multisim 10有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。