压控振荡器

压控振荡器

指输出频率与输⼊入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输⼊入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的⼯工作状态或振荡回路的元件参数受输⼊入控制电压的控制，就可构成⼀一个压控振荡器。

voltage-controlled oscillator

LC压控振荡器、RC压控振荡器

1.

简介

压控振荡器的控制特性

其特性⽤用输出⾓角频率ω0与输⼊入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表⽰示。图中,uc为零时的⾓角频率ω0,0称为⾃自由振荡⾓角频率；曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。在通信或测量仪器中，输⼊入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。⼈人们通常把压控振荡器称为调频器，⽤用以产⽣生调频信号。在⾃自动频率控制环路和锁相环环路中，输⼊入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的⼀一个受控部件。

压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。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高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低⽽而调频范围宽，LC压控振荡器居⼆二者之间。

LC压控型

在任何⼀一种LC振荡器中，将压控可变电抗元件插⼊入振荡回路就可形成LC压控振荡器。早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来⼤大都使⽤用变容⼆二极管。图 2是克拉泼型LC压控振荡器的原理电路。图中，T为晶体管，L为回路电感，C1、C2、Cv为回路电容,Cv为变容⼆二极管反向偏置时呈现出的容量;C1、C2通常⽐比Cv ⼤大得多。当输⼊入控制电压uc改变时，Cv随之变化，因⽽而改变振荡频率。这种压控振荡器的输出频率与输⼊入控制电压之间的关系为

VCO输出频率与控制电压关系

式中C0是零反向偏压时变容⼆二极管的电容量；φ是变容⼆二极管的结电压；γ是结电容变化指数。为了得到线性控制特性，可以采取各种补偿措施。

RC压控振荡器　在单⽚片集成电路中常⽤用RC压控多谐振荡器（⻅见调频器）。

LC压控多谐振荡器

晶体压控

在⽤用⽯石英晶体稳频的振荡器中，把变容⼆二极管和⽯石英晶体相串接，就可形成晶体压控振荡器。为了扩⼤大调频范围，⽯石英晶体可⽤用AT切割和取⽤用其基频率的⽯石英晶体，在电路上还可采⽤用展宽调频范围的变换⺴⽹网络。在微波频段，⽤用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和⽤用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。压控振荡器的应⽤用范围很⼲⼴广。集成化是重要的发展⽅方向。⽯石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的⽭矛盾也有待于解决。随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。

VCO的实际应⽤用电路

某彩⾊色电视接收机VHF调谐器中第6-12频段的本振电路如图所⽰示电路中，控制电压VC为0.5-30V，改变这个电压，就使变容管的结电容发⽣生变化，从⽽而获得频率的变化。由图(3)可⻅见，这是⼀一典型的⻄西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-220MHz ，这种通过改变直流电压来实现频率调节的⽅方法，通常称为电调谐，与机械调谐相⽐比它有很⼤大的优越性。

压控振荡器的性能指标

1.中⼼心频率

是指频率调节范围的中间值，即振荡器频率的最⼤大值和最⼩小值的中间值，中⼼心频率的⼤大⼩小取决于振荡器的结构和元器件参数，⽽而且还随着⼯工艺和温度相应改变;随着科学技术的不断发展和产品性能的调⾼高，现如今CMOS压控振荡器的中⼼心频率能够达到10GHz。

2.调谐范围

是指调节输出频率的变化范围，即振荡器的最⼤大调谐频率和最⼩小调谐频率的差值

压控振荡器要有⾜足够⼤大的调谐范围才能满⾜足输出频率达到所需要的值。

3.调谐增益

即压控振荡器的灵敏度，是指单位的输⼊入电压与输出频率的变化，⼀一般⽤用Kv表⽰示，单位是Hz/V，在实际应⽤用上讲，压控器的灵敏度越⾼高，噪声响应在控制线路上越强，结果干扰输出频率就越⼤大，就会使压控振荡器的噪声性能降低。所以需要寻找VCO的增益和噪声性能的平衡。

4.输出振幅

即VCO输出频谱的峰值。通过优化相位噪声，就要尽可能的加⼤大输出电压时的幅值，从⽽而会使压控增益

降低。不断减少，要提⾼高输出的幅值尤其重要伴随着CMOS⼯工艺的不断发展，输⼊入电压不断减少，要提⾼高输出的幅值尤其重要。

5.调谐线性度

就是指压控增益

，理想的压控振荡器其是常数，实际⼯工作中压控振荡器的表现是⾮非线性的，要想在整个调谐范围内使

。为常数，尽量使其在调谐范围内变化最⼩小。

6.相位噪声

振荡器进⼊入稳定状态时，电路中的噪声干扰电路⼯工作，这就是相位噪声。单位是dBc/Hz.

7.功耗

在⼯工作中，电路中的噪声、降低功耗是CMOS压控振荡器主要的研究⽅方向，振荡器的功耗与⼯工作的频率、输⼊入的电压及输出的频率⼤大⼩小等有密切联系。⺫⽬目前振荡器功耗能达到⼀一到⼏几⼗十mW。

8.其他性能指标

输出频率的频谱密度，由于噪声等其他影响，输出的波形并不是理想波形，为了尽量使其达到理想波形，设计电路时要抑制谐波的存在;电源与共模抑制，电源噪声对压控振荡器影响也较⼤大，为了达到较好的共模抑制，在设计时要视情况采取差动线路或其他线路。[1]

实际应⽤用

压控振荡器常被⽤用在：

1、讯号产⽣生器。

2、电⼦子⾳音乐中⽤用来制造变调。

3、锁相回路。

4、通讯设备中的频率合成器。

作⽤用

利⽤用压控振荡器来控制频率

⾼高频压控振荡器的电压控制频率部份, 通常是⽤用变容⼆二极管C 与电感 L, 所接成的 LC 谐振电路。提⾼高变容⼆二极管的逆向偏压, ⼆二极管内的空泛区会加⼤大, 两导体⾯面之距离⼀一变⻓长, 电容就降低了, 此 LC 电路的谐振频率, 就会被提⾼高. 反之, 降低逆向偏压时, ⼆二极管内的电容变⼤大, 频率就会降低.

⽽而低频压控振荡器则依照不同频率⽽而选择不同的⽅方法，例如以改变对电容的充电速率为⼿手段来得到⼀一个电压控制的电流源。参⻅见波型产⽣生器。

电压控制的晶振器

⼀一个“压控⽯石英振荡器（voltage-controlled crystal oscillator, VCXO）”通常被使⽤用在下列场合：当频率需要在⼩小范围内的调整时、当正确的频率或相位对于振荡器⽽而⾔言是⼗十分重要时、利⽤用不同电压来当作控制源的振荡器、⽤用来分散在某个频率范围内的干扰使该频段不受到太⼤大的影响。压控⽯石英振荡器的典型频率变化在数⼗十个 ppm 之间，这是因为⾼高品质系数（Quality Factor, or Q Factor）的⽯石英振荡器只会产⽣生少量的频率范围位移。

当射频电路发射（transmitter）电波时会有热量产⽣生⽽而发⽣生频率漂移，⽽而使得“温度补偿压控⽯石英振荡（temperature-compensated VCXO, TCVCXO)”被⼲⼴广泛的使⽤用，因为 TCVCXO 不会受到温度的影响⽽而改变其压电特性。[2]