变容二极管压控振荡器课程设计

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变容二极管压控振荡器
摘要
振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。

根据所产生的波形的不同，可将振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。

压控振荡器（VCO）是利用电抗元件的等效电抗值能随外加电压变化特点，将其接入正弦振荡器中，使振荡频率随外加控制电压而变化，VCO在频率调制，频率合成，锁相环电路，电视解调器，频谱分析仪等方面有广发应用。

变容二极管振荡器是利用变容二极管制成的VCO。

本课题主要是运用变容二极管PN结电容随外加电压变化而变化制成的VCO。

关键词：压控，变容二极管，调频
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目录
1 课题描述 (3)
2 设计原理 (3)
3 设计过程 (4)
3.1压控振荡器介绍 (4)
3.2设计内容 (5)
3.3设计步骤 (6)
4 设计结果及分析 (8)
总结 (9)
参考文献 (10)
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1 课题描述
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以及用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。

振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。

本课题主要是运用变容二极管PN 结电容随外加电压变化而变化制成的VCO 。

2 设计原理
利用变容管结电容j C 随反向偏置电压VT 变化而变化的特点(VT=0V 时j C 是最大值，一般变容管VT 落在2V-8V 压间，j C 呈线性变化，VT 在8-10V 则一般为非线性变化，如图1所示，VT 在10-20V 时，非线性十分明显），结合低噪声振荡电路设计制作成为振荡器，当改变变容管的控制电压，振荡器振荡频率随之改变，这样的振荡器称作压控振荡器（VCO ）。

压控振荡器的调谐电压VT 要针对所要求的产品类别及典型应用环境(例如用户提供调谐要求，在锁相环使用中泵源提供的输出控制电压范围等)来选择或设计，不同的压控振荡器，对调谐电压VT 有不同的要求，一般而言，对调谐线性有较高要求者，VT 选在1-10V ，对宽频带调谐时，VT 则多选择1-20V 或1-24V 。

图1为变容二极管的V －C 特性曲线。

Cj(PF)
T (V)
线形段
非线段
8
10
图2.1变容二极管的V －C 特性曲线
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3 设计过程
3.1压控振荡器介绍
3.1.1 压控振荡器的基本参数
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“mw dB ”。

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“mw dB ”。

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)( mw dB )
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0f 为m f 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C dB /Hz ；相位噪声特点是频谱能量集中在0f 附近，因此fm 越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定的m f 有离0f 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。

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3.1.2压控振荡器特点
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与 输入控制电压c U 之间的关系曲线(图1)来表示。

图1中,c U 为零时的角频率0ω,0称为自由振荡角频率；曲线在0ω,0处的斜率0k 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3.1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。

3.2 设计内容
设计采用变容二极管实现U-C 控制的压控振荡器（VCO ），其为调频电路，中心载波c f =360MHZ ，其相应的高频振荡器为电容三点式。

并设置完善的变容二极管直流偏置电路与基带信号对载波的控制电路。

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3.3 设计步骤
静态电容n B Q j j U U C C )1()
0(÷+= （3.1）
结电容调制度为m U m Ω=()Q B
U U
+<1 （3.2）
回路频率Q LC f επ2(1
0=) （3.3）
设计电路图如下：
图3.2变容二极管压控振荡器
通过改变滑动变阻器5R 控制ΩU 大小，以改变变容二极管的电压从而改变其电阻，由Q LC f επ2(1
0=)可知当C 变化时，
f 将随其发生变化。

其中1C , 2C 与变容二极管组成电容三点式高频振荡回路。

3C ，4C ，5C 起隔直流通交流，去除高频分量的作用。

高扼圈其隔高频，通直流，通音频的作用。

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3.4 单元分块电路介绍
由电路图得到等效电路变容二极管直流偏置电路图：
图3.3晶体管偏置电路
由于变容二极管的反向电阻很大，因而可以将和它串联的小电阻做近似短路处理。

并将与变容二极管有关的电容开路，电感短路。

低频控制回路等效电路图：
图3.4低频控制回路
4.设计结果及分析
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谐振回路总等效电容由三个电容串联而成，所以静态时总电容为
Q C ∑ =1/(1/C 1+1/ C 2+1/ C j Q )≈0.3279pF （4.1）
又因为中心振荡频率为
f 0=1/[2π(L Q C ∑)-2]=360MHz （4.2）
所以
L=1/(2πf 0)2 Q C ∑≈0.596μH （4.3）
又
J C =IQ C /[1+U Ωm /t Cos U U Q B Ω+]n （4.4）
所以
max i C ≈32.74pF m in j C ≈13.10pF
m ax ∑C =1/(1/ C 1+1/ C 2+1/ max i C ) ≈0.330pF （4.5）
min ∑C =1/(1/ C 1+1/ C 2+1/ m in j C ) ≈0.325pF （4.6）
所以
F 0min =1/[2π(L Q C ∑)-2] ≈358.87MHz F 0max =1/[2π(L Q C ∑)-2] ≈361.62MHz
另外角频偏部分有
△w(t)=nxw c /2= n μΩw c /2（Q b U U +） （4.7）
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总结
通过该课程设计，我掌握了变容二极管压控振荡器的设计原理以及设计步骤，电路中对各个元件的选取和各元件的在电路中所起的作用，对理论知识与实际当中的运用有了更深刻的认识。

在本次课程设计，我有很大的收获，这不仅仅是理论知识上的完善，而且实践能力和动手能力有了质的飞跃!设计中，我自感知识的缺陷，不断的上网查阅资料，翻阅各类相关书籍，自己动手，自己设计，让我的思维逻辑更加清晰。

在上机操作中，靠这次设计我熟练掌握了VCO设计，基本工作原理，将理论变为实际开了一个好头。

通过对VCO的设计明白了其性能和在实际当中的关键作用，让我明白电路设计是极富乐趣的事情。

同时在这次课程设计过程中，我发现了自己对知识综合应用能力的欠缺，以及对理论知识不够深刻了解，在以后的学习中，我会努力扎实基本功，同时重视实践，二者结合，更有效地学习这门课程。

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参考文献
[1] 沈伟慈，等.通信电路.2版.西安：电子科技大学出版社，2000
[2] 杨素行，等.模拟电子技术基础简明教程. 3版.北京：高等教育出版社，2009
[3] 沈伟慈，等.高频电路.4版.西安：电子科技大学出版社，2009
[4] 康华光，等.模拟电路.3版.北京：高等教育出版社，2009
[5] 吴大正，等.信号与系统分析.4版.北京：高等教育出版社，2009。