用负阻原理设计高稳定度的压控振荡器(VCO)
用负阻原理设计高稳定度的压控振荡器(vco)
压控振荡器(vco)是锁相环路的重要组成部分。随着电子技术的发展,出现了许多集成的vco芯片。考虑到高频率稳定度、低相噪的要求,这里采用agilent公司生产的低噪声晶体管hbfp0450来设计vco。常用的vco一般有三种[1]:晶体压控振荡器、lc压控振荡器和rc压控振荡器。对于超高频段的vco,采用lc振荡器形式;为了提高频率稳定性,采用了克拉泼电路,并进行了相角补偿。
1 负阻振荡原理
这里采用负阻方法[2][6]来设计压控振荡器,负阻振荡原理图如图1所示。
图中,zin是晶体管电路的输入阻抗,rin和xin分别是输入电阻和电抗;zl是负载阻抗,rl和xl分别是负载电阻和电抗。
根据振荡原理[2～3],起振条件是:
rin+rl<0 (1)
振荡的平衡条件是:
rin+rl=0 (2)
xin+xl=0 (3)
2 设计与仿真
2.1 起振与振荡的仿真
这里用ads来仿真电路,采用改进型克拉泼电路[3]形式,具体电路如图2所示。选用高增益、低噪声的hbfp0450作为三端器件,它在200mhz工作频率上有20db的增益,从而保证了较大的振荡幅度。供电电压为5v,通过r1、r2和r3来确定静态工作点,工作电流选定为10ma,vce为2.5v。
交流等效电路如图3所示。l1、c4和c5串联可以等效成一个电感,从而满足电容三端振荡器的相位条件。l1、c4、c5、c6、c7构成了谐振回路,振荡频率主要由这五个元件所决定。频率计算公式如下:
式中,l1为线圈绕制电感,q值为39。c为c4、c5、c6和c7串联后的等效电容,由于c4<从图4(a)的仿真结果可以看出,在200mhz附近,rin+rl<0,所以满足起振条件,由于rin的负阻比较大,所以提供交流能量的能力比较强,故振荡的幅度会比较大,这一点在后面的仿真和测试中可以得到证实。从图4(b)可以看出,当f为200mhz左右时,xin+xl=0,从而满足相位平衡条件,它决定了振荡的频率。
点击看原图
2.2 相角补偿
三极管振荡器要满足相位平衡条件:φy+φz+φf=2nπ(n=0,1,2,3,…)[3～4],由于φy+φf通常不等于0,所以就要求回路工作于失谐状态,以产生一个谐振回路相角φz来对φy和φf进行平衡。也就是说,由于电路中有源器件、寄生参量以及阻隔元件等的影响,使得振荡器的实际工作频率严格来讲并不等于回路的固有谐振频率,因此,谐振回路等效阻抗zp并不会呈现纯阻抗。所以,一般振荡器的振荡回路总是处于微小失谐状态。我们知道,并联谐振回路具有负斜率的相频特性,即δωz/δw<0,当振荡器工作在回路谐振频率上时,它对频率的稳定性能最佳。而当它工作在失谐状态时,会使得振荡器的频率稳定度与效率都降低。在此,采用相角补偿法来提高压控振荡器的频率稳定度和效率。
由参考文献[3]可知,在集电极串入一个电感为lc=l/f的补偿元件,就可以实现相角补偿(φz=0)。其中,l为谐振回路电感值,f为反馈系数,即f=c7/c6。l3和输出回路的c8、c9、l2可以构成等效电感lc,从而进行相角补偿,使得振荡器工作在lc回路的谐振频率上。当输出回路等效为电容时,通过实际测量,在频率214.64859mhz上的稳定度为9.3631e-4;而等效为电感时,在214.26046mhz上的稳定度为4.2278e-4。可见用等效电感进行相角补偿后,稳定度大约提高了一倍。c8、c9和l2同时构成了输出网络,对高次谐波有很好的抑制作用,并使基波输出功率平坦化。
从图5可以看出,压控振荡器的输出频率范围为175mhz～217mhz,基波(频率为214mhz时)输出功率为7.911dbm,二次谐波为-16.368dbm,可见有效地抑制了谐波分量。在实际应用中,对谐波滤除的要求比较高,可以在输出端接入宽带滤波器,其电路原理图和仿真结果见图6。这样,可以更有效地滤除高次谐波,同时有利于输出匹配,减小负载对输出功率的影响。
2.3 相噪分析
参考文献[5]给出了lc压控振荡器的相位噪声表达式:
式中,fm为频偏,kvco为vco控制灵敏度,fo为振荡频率,q为品质因数,f为晶体管的噪声系数,k为波尔兹曼常数,t为工作温度,ps为振荡信号功率,fc为闪烁噪声拐角频率,vm为低频噪声源的总幅度。从式(5)可以看出,选择噪声系数小的放大管、增加谐振回路有载q值、减小vco控制灵敏度、提高输出信号功率都可以降低相位噪声。通过减小变容管在谐振回路中的接入系数,可以有效减小vco控制灵敏度,但是也会导致频率覆盖范围的减小,所以要适当选择接入系数。该vco输出频率为200mhz时,变容管接入系数为0.63。通过适当调整输出回路的电感和分压电容,可以提高负载阻抗,从而有效地提高输出功率,以达到降低相位噪声的目的。通过软件仿真,在频偏10khz处的输出相位噪声为-101.3dbc/hz,在100khz处的相位噪声为-122.5dbc/hz
3 调试与测量
在软件仿真的基础上,将元件参数做些细微调整,就可以获得满意的结果。通过测量,可以得到如下性能参数:
(1)频率范围:175mhz～213mhz
(2)调谐灵敏度:7mhz/v
(3)电源电压:5v
(4)工作电流:10ma
(5)控制电压:0～5v
(6)输出功率:6～8dbm
(7)相位噪声:-95dbc/hzᤊkhz,-115dbc/hz賓khz
从图(7)的测量结果可以看出,频率范围、输出功率和相位噪声等指标与软件仿真结果一致。
根据负阻原理,利用ads仿真可以快速地设计出高稳定度、低相噪的超高频段vco。这种方法简单、便捷,由于元件具有误差,仿真之后做些细微调整就可以得到满意的效果。用三极管制作vco,易于调试、成本低。该方法也适用于其它频段。
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1 负阻振荡原理
这里采用负阻方法[2][6]来设计压控振荡器,负阻振荡原理图如图1所示。
图中,zin是晶体管电路的输入阻抗,rin和xin分别是输入电阻和电抗;zl是负载阻抗,rl和xl分别是负载电阻和电抗。
根据振荡原理[2～3],起振条件是:
rin+rl<0 (1)
振荡的平衡条件是:
rin+rl=0 (2)
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交流等效电路如图3所示。l1、c4和c5串联可以等效成一个电感,从而满足电容三端振荡器的相位条件。l1、c4、c5、c6、c7构成了谐振回路,振荡频率主要由这五个元件所决定。频率计算公式如下:
式中,l1为线圈绕制电感,q值为39。c为c4、c5、c6和c7串联后的等效电容,由于c4<从图4(a)的仿真结果可以看出,在200mhz附近,rin+rl<0,所以满足起振条件,由于rin的负阻比较大,所以提供交流能量的能力比较强,故振荡的幅度会比较大,这一点在后面的仿真和测试中可以得到证实。从图4(b)可以看出,当f为200mhz左右时,xin+xl=0,从而满足相位平衡条件,它决定了振荡的频率。
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2.2 相角补偿
三极管振荡器要满足相位平衡条件:φy+φz+φf=2nπ(n=0,1,2,3,…)[3～4],由于φy+φf通常不等于0,所以就要求回路工作于失谐状态,以产生一个谐振回路相角φz来对φy和φf进行平衡。也就是说,由于电路中有源器件、寄生参量以及阻隔元件等的影响,使得振荡器的实际工作频率严格来讲并不等于回路的固有谐振频率,因此,谐振回路等效阻抗zp并不会呈现纯阻抗。所以,一般振荡器的振荡回路总是处于微小失谐状态。我们知道,并联谐振回路具有负斜率的相频特性,即δωz/δw<0,当振荡器工作在回路谐振频率上时,它对频率的稳定性能最佳。而当它工作在失谐状态时,会使得振荡器的频率稳定度与效率都降低。在此,采用相角补偿法来提高压控振荡器的频率稳定度和效率。
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(1)频率范围:175mhz～213mhz
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(4)工作电流:10ma
(5)控制电压:0～5v
(6)输出功率:6～8dbm
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