高频压控振荡器设计

高频压控振荡器设计 目 录 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 ................................................................................................. 42.1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 .............................................................................. 4 2.4实验电路的基本参数 ..................................................................................................... 5 2.5实验电路原理图 ............................................................................................................ 6 3高频压控振荡器电路的仿真 ............................................................................................. 7 3.1MULTISIM软件简介 ......................................................................................................... 7 3.2MULTISIM界面介绍 ......................................................................................................... 8 3.2.1电路仿真图 .............................................................................................................. 9 3.2.2压控振荡器的主要技术指标 ................................................................................... 9 3.3典型点的频谱图 ............................................................................................................ 9 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 .............................................................................................................. 18 4.4硬件测试 ...................................................................................................................... 19 5体会 ........................................................................................................................... 21 参考文献 .............................................................................................................................. 22 高频电子线路课程设计 前言 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。 )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压控振荡器(VCO 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的要求，这里对负阻RC压控振荡器进行了分析。 1 高频电子线路课程设计 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。 图2 变容二极管压控振荡器原理图 2 高频电子线路课程设计 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: C1C2C3C,Cj，[C3串C2串C1],Cj，,Cj，C' C1C2，C2C3，C1C4 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 1(VR为最大) f,max2πL(C，C')jmix 1f,(VR为最小) min2πC，C'jmax 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 fC，C'jmaxjmaxK,,ffC，C'minjmin 图3 振荡回路的频率覆盖系数 3 高频电子线路课程设计 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 图5高频压控振荡器设计电路 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 4 高频电子线路课程设计 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 压控振荡器等效电路 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 5 高频电子线路课程设计 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。 ,PP 2.5实验电路原理图 图7实验电路原理图 6 高频电子线路课程设计 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。另外，NI Multisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图 7 高频电子线路课程设计 送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。 9、利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点:设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便;设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验;可方便地对电路参数进行测试和分析;可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图;实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高;设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。 10、NI Multisim 10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。 /信号源库包含有接地端、直流电压源(电池)、正弦交流电压源、方波(时11、电源 钟)电压源、压控方波电压源等多种电源与信号源。基本器件库包含有电阻、电容等多种元件。基本器件库中的虚拟元器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是可以选择的。 因此非常适合电子类课程的教学和实验。这次课程设计，我们将了解EWB软件的初步知识和基本操作方法。 3.2Multisim界面介绍 主要有菜单栏，工具栏，缩放栏，设计栏，仿真栏，工程栏，元件栏，仪器栏，电路图编辑窗口等部分组成。 图8Multisim界面 8 高频电子线路课程设计 Multisim10常用元件库分类 图9 multisim10常用元件库分类 3.2.1电路仿真图 Multisim软件对电路的仿真图如图10所示: 图10 电路仿真图 3.2.2压控振荡器的主要技术指标 压控振荡器的主要技术指标是其振荡频率，在本次的设计中其振荡频率的范围是 2.2GHZ-2.5GHZ。 3.3典型点的频谱图 1函数发生器的参数及频谱图 9 高频电子线路课程设计 图11 函数发生器的参数 图12函数发生器输出图形 2压控振荡器波形 10 高频电子线路课程设计 图13 压控振荡器的输出波形 3最终输出波形 11 高频电子线路课程设计 图14 输出波形 实验仿真图 图15 压控电压为10V时的输出波形 12 高频电子线路课程设计 图16 压控电压为8V时的输出波形 图17 压控电压为6V时的输出波形 13 高频电子线路课程设计 图18 压控电压为4V时的输出波形 图19 压控电压为2V时的输出波形 分析:通过以上各图可以看出输出波形幅度随着输入幅度的减小而减小，但周期没有太大的变化。输入的电压经过压控振荡器以后自激震荡产生正弦波图形然后经过放大 14 高频电子线路课程设计 器放大输出波形。以上各图反应出电压变化时输出的波形也有变化符合压控振荡器的设计要求,并且通过读输出波形的周期可以算出输出频率。 15 高频电子线路课程设计 4高频压控振荡器电路实现与分析 4.1实验电路连接 压控振荡器压控电压输出测量压 控测 量频 谱 仪振 荡 器 压控频率调节 V输出 图20 压控振荡器实验连接框图 4.2实验步骤 1(压控振荡器实验时，首先要将面板“压控/扫频”开关置于“压控”位，使压控振荡器工作于压控状态。 2(接通压控振荡器12V电源开关，相应模块内黄色电源指示灯亮。 ,3(将AT5000F2频率扩展器输出用专用电缆与AT5011频谱仪输入(INPUT 50)连接，并将AT5000F2频率扩展器输入用测试电缆连接在“压控振荡器输出测量”的50Ω同轴接头上。并将电压表红表笔接“扫描/压控电压测量”孔，黑表笔接“GND”或接组件外壳(如任一镀金的连接接头等)。 4(AT5011频谱仪扫频宽度(SCANWIDTH)置于100MHz/格，视频滤波(VIDEO FILTER)置于ON，中频带宽(BAND WIDTH)置于20KHz。 5(中心频率/标记(CF/MK)置OFF，此时中心频率(CF)指示灯亮，数字显示窗将显示中心频率。旋转中心频率粗/细调(CENTERFREQ FINE)，使数字显示窗的频率读数为400.0MHz 6(压控振荡器输出信号频谱观察。从AT5011频谱仪显示屏上可以看到压控振荡器输出信号频谱为线谱，如图15所示，并且调节“压控频率调节”电位器，电压表指示的电压随之攺变，同时频谱仪显示屏上线谱竖线的位置会左右移动。由此可见，压控振荡器的频率随压控电压攺变而变化。 7(测量压控振荡器输出频率可调范围。将频谱仪中心频率/标记(CF/MK)置ON，此时频标(MIK)指示灯亮，数字显示窗将显示频标所指示的频率。调节“压控频率调节”电位器，顺时针旋转到头，此时控制电压最大，约为12V，对应的压控振荡器频率为最高。旋转频标位置旋纽(MARKER)使频标竖线与压控振荡器信号谱线重叠，则数字显示窗将显示压控振荡器最高信号的频率。反之，调节“压控频率调节”电位器，逆时针 16 高频电子线路课程设计 旋转到头，此时控制电压最小，约为0V，对应的压控振荡器频率为最低。旋转频标位置旋纽(MARKER)使频标竖线与压控振荡器信号谱线重叠，则数字显示窗将显示压控振荡器最低信号的频率。压控振荡器最高和最低信号的频率即为压控振荡器输出频率可调范围。 图21 压控振荡器输出信号频谱 由于压控振荡器频率大于2GHZ，因此使用安泰信AT5011频谱仪测量时需加扩展器AT5000F。此时，被测频率应为AT5011频谱仪数字显示窗所示频率与2GHZ之和。 8(测量压控振荡器的输出频率为2.395GHz时信号功率和对应的压控电压。 先测量压控电压。将频谱仪中心频率/标记(CF/MK)置ON，此时频标(MIK)指示灯亮，数字显示窗将显示频标所指示的频率。旋转频标位置旋纽(MARKER)使数字显示窗显示400MHz，仔细调节“压控频率调节”电位器，使频标竖线与压控振荡器信号谱线重叠，则压控振荡器输出信号频率为2.4GHz，记录此时电压表的电压读数，它就是2.395GHz对应的压控电压。 测量压控振荡器的输出频率为2.395GHz时信号功率。测量信号功率时，中频带宽应选择400KHz档，视频滤波应放在OFF。为防止频谱仪过载(即输入信号功率过大)，开始输入四个衰减器(ATTN)全部接通衰减为40dbm，此时频谱仪显示器顶格功率为+13dbm，纵轴功率刻度10dbm/格。根据谱线的高度可估算该信号的功率。若谱线太低，可减小输入衰减器的衰减，四个衰减器按键每弹起一个，衰减减小10dbm，谱线相应提高一格，相应功率读数减小10dbm，四个按键都弹起最多能提高四格，相应功率读数减小40dbm。根据频线的高度和衰减器状态便能确定信号功率。实测2.395GHz时压控振荡器输出端信号功率约为0dbm，而“压控振荡器输出测量”接头上信号功率约为-10dbm。 9. 测量压控振荡器输出频率/电压、功率/电压控制特性。测量压控振荡器压控电压、频率和功率，并将结果填入下述的中。 17 高频电子线路课程设计 压 控 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 9.31 电压(V) 2.32.372.342.422.442.43频 率2.102 2.243 2.253 2.273 2.294 2.304 2.325 2.400 49 2 9 3 8 7 (GHZ) 输出功率-5 -5 -5 0 -4 -5 -5 -5 -6 -5 -6 -3 -6 -6 dbm 频率 f2f1 v1v2V 图22频率与电压关系曲线 依据上述表中数据可画出如下曲线，如图22所示: 根据曲线可求得频率/电压斜率。 频率/电压斜率是与电压大小有关的变量，如V1-V2之间的频率/电压斜率为f-f21 v-v21 所以压控振荡器的输出频率可调范围是:2.227GHZ-2.437GHZ 压控振荡器的输出频率为2.4GHz时信号功率和对应的压控电压:P=-6dbm ，V= 9.31v 4.3实验注意事项 1(压控振荡器实验时，“扫描/压控”开关必需置于压控位。 2(由于压控振荡器中心频率为2.206 GHZ-2.503GHZ，因此，使用安泰信AT5011频谱仪测量时，需加扩展器AT5000F2。 3(加扩展器AT5000F2后其频率读数应为AT5011频谱仪数字显示窗所示频率与2GHZ之和。 4(采用扩展器AT5000F2测试时通常无法测量压控振荡器的各次谐波(已超出仪表频率范围)。 5(测试时注意AT5011频谱仪各开关旋纽的位置设置。 6(微波测量时应特别注意防止干扰，暂时不用的微波部件，其电源应切断，实验 18 高频电子线路课程设计 电路连接应牢固可靠，并尽可能地避免外界电磁干扰。 4.4硬件测试 图23频率在2.14GHZ下对应得频谱图 图24压控实验仪器 通过频谱仪上的数字显示在加上频谱拓展器上的2GHz可得输出频谱的频率。由上 图可得输入电压为3V时的输出频率为2.129GHz。 19 高频电子线路课程设计 图25频率在2.550GHz下的频谱图 图26电压在9v时查看对应的频率及功率 实验结果:输入电压为9V时的输出频率为2.548GHz。 实验分析:以上只列出了9V时的图形。经过实验与仿真的比较发现，理论值与实验结果有一定的误差，误差原因为是多方面的包括元器件的影响以及读数时产生的误差等等。 20 高频电子线路课程设计 5心得体会 我们将近用一周的时间完成了高频电子线路课程设计，时间非常紧，大家都紧张忙碌的准备着。通过这次课程设计，我学会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个元件所起的作用，将我们平常所学的知识和实际联系起来了，对理论与实践当中的运用有了更深刻的认识。 通过这次课设，我有很大的收获，这不仅仅是理论知识的完善，而且实践能力和动手能力有了质的飞跃，设计中，我感到非常吃力，参数的选择，每个器件的作用，以及它的原理，都非常的模糊，但通过上网查询资料，翻阅各类相关书籍，对这些事有了一些自我认识。自己动手自己设计，让我了解的网络的强大，你可以查寻很多你不了解的事情，让自己的知识面更加扩展。在上机操作，我们使用multisim软件设计，靠这次设计我熟练掌握了VCO设计，基本工作原理，以及软件的使用。经过对压控振荡器的设计是我对设计东西充满了兴趣，让我明白点了设计是极富乐趣的事情。 同时在这次课程设计中，我发现了自己对知识的综合运用能力十分欠缺，在以后的学习中要加倍努力，同时要注重实践环节，增强动手能力。以及我还认识到上网搜索资料是一件非常重要的事，因为我们不可能对任何事物都了解，通过网络时时刻刻的吸取新的知识，来扩展自己的知识面。 21 高频电子线路课程设计 参考文献 [1] 曾兴文、刘乃安、陈健(高频电子线路(北京:高等教育出版社，2007 [2] 张肃文等(高频电子线路(第四版)(北京:高等教育出版社，2004 [3] 聂典等(Multisim 10计算机仿真(北京:电子工业出版社，2010 22