壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真

1、 目 錄1 引言22 振蕩器的原理52.1 振蕩器的功能、分類(lèi)與參數(shù)52.2 起振條件92.3 壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型103 利用ADS仿真與分析113.1 偏置電路的的設(shè)計(jì)123.2 可變電容VC特性曲線(xiàn)測(cè)試133.3 壓控振蕩器的設(shè)計(jì)153.4 壓控振蕩器相位噪聲分析183.5 VCO振蕩頻率線(xiàn)性度分析234 結(jié)論24致謝25參考文獻(xiàn)25壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真Advanced Design System客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)電子信息工程（非師范類(lèi)） 專(zhuān)業(yè) 指 導(dǎo) 教 師 摘 要：ADS可以進(jìn)行時(shí)域電路仿真，頻域電路仿真以及數(shù)字信號(hào)處理仿真設(shè)計(jì)，并可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，大大提高了復(fù)雜電路的

2、設(shè)計(jì)效率。本論文運(yùn)用ADS仿真軟件對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)的系統(tǒng)，具有良好的輸出功率，相位噪聲性能及震蕩頻譜線(xiàn)性度。本論文從器件選型開(kāi)始，通過(guò)ADS軟件仿真完成了有源器件選型，帶通濾波器選型，振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定，可變電容VC特性曲線(xiàn)，瞬態(tài)仿真及諧波平衡仿真。實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確可行的射頻壓控振蕩器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。關(guān) 鍵 字： 壓控振蕩器，諧波平衡仿真，ADS1 引言 振蕩器自其誕生以來(lái)就一直在通信、電子、航海航空航天及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演重要的角色，具有廣泛的用途。在無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機(jī)中用來(lái)產(chǎn)生高頻載波電壓，在超外差接收機(jī)中用作本機(jī)振蕩器，成為發(fā)射和接收設(shè)備的基本部件。隨

3、著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，振蕩器的用途也越來(lái)越廣泛，例如在無(wú)線(xiàn)電測(cè)量?jī)x器中，它產(chǎn)生各種頻段的正弦信號(hào)電壓:在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設(shè)備中，它產(chǎn)生大功率的高頻電能對(duì)負(fù)載加熱;某些電氣設(shè)備用振蕩器做成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制;電子鐘和電子手表中采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路作為定時(shí)部件等。尤其在通信系統(tǒng)電路中，壓控振蕩器(VCO)是其關(guān)鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說(shuō)在電子通信技術(shù)領(lǐng)域，VCO幾乎與電流源和運(yùn)放具有同等重要地位。人們對(duì)振蕩器的研究未曾停止過(guò)。從早期的真空管時(shí)代當(dāng)后期的晶體管時(shí)代，無(wú)論是理論上還是電路結(jié)構(gòu)和性能上，無(wú)論是體積

4、上還是制作成本上無(wú)疑都取得了飛躍性的進(jìn)展，但在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)都是處在用分離元件組裝而成的階段，其性能較差，成本相對(duì)較高，體積較大和難以大批量生產(chǎn)。隨著通信領(lǐng)域的不斷向前推進(jìn)，終端產(chǎn)品越來(lái)越要求輕、薄、短、小，越來(lái)越要求低成本、高性能、大批量生產(chǎn)，這對(duì)于先前的分離元件組合模式將不再勝任，并提出新的要求和挑戰(zhàn)。集成電路各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展迎合了這些要求，特別是主流CMOS工藝提供以上要求的解決方案，單片集成振蕩器的研制取得了極大的進(jìn)步。然而，由于工藝條件的限制，RF電路的設(shè)計(jì)多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)，難以和現(xiàn)在主流的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成。因此，優(yōu)性能的標(biāo)準(zhǔn)的CMOS V

5、CO設(shè)計(jì)成為近年來(lái)RF電路設(shè)計(jì)的熱門(mén)課題。射頻電路需要在特定的載波頻率點(diǎn)上建立穩(wěn)定的諧波振蕩，以便為調(diào)制和混頻創(chuàng)造必要的條件，壓控振蕩器（VCO）作為收發(fā)系統(tǒng)常見(jiàn)的器件,它的性能指標(biāo)主要包括:頻率調(diào)諧范圍，輸出功率，(長(zhǎng)期及短期)頻率穩(wěn)定度，相位噪聲，頻譜純度，電調(diào)速度，推頻系數(shù)，頻率牽引等。頻率調(diào)諧范圍是VCO的主要指標(biāo)之一，與諧振器及電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。通常，調(diào)諧范圍越大，諧振器的Q值越小，諧振器的Q值與振蕩器的相位噪聲有關(guān)，Q值越小，相位噪聲性能越差。振蕩器的頻率穩(wěn)定度包括長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，它們各自又分別包括幅度穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度。長(zhǎng)期相位穩(wěn)定度和短期幅度穩(wěn)定度在振蕩器中通常不考慮

6、;長(zhǎng)期幅度穩(wěn)定度主要受環(huán)境溫度影響，短期相位穩(wěn)定度主要指相位噪聲。在各種高性能、寬動(dòng)態(tài)范圍的頻率變換中，相位噪聲是一個(gè)主要限制因素。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，載波信號(hào)的相位噪聲還要影響載波跟蹤精度。其它的指標(biāo)中，振蕩器的頻譜純度表示了輸出中對(duì)諧波和雜波的抑制能力；推頻系數(shù)表示了由于電源電壓變化而引起的振蕩頻率的變化；頻率牽引則表示了負(fù)載的變化對(duì)振蕩頻率的影響；電調(diào)速度表示了振蕩頻率隨調(diào)諧電壓變化快慢的能力。在壓控振蕩器的各項(xiàng)指標(biāo)中，頻率調(diào)諧范圍和輸出功率是衡量振蕩器的初級(jí)指標(biāo)，其余各項(xiàng)指標(biāo)依據(jù)具體應(yīng)用背景不向而有所側(cè)重。例如，在作為頻率合成器的一部分時(shí)，對(duì)VCO的要求，可概括為一下幾方面:應(yīng)滿(mǎn)足較高的

7、相位噪聲要求；要有極快的調(diào)諧速度，頻溫特性和頻漂性能要好；功率平坦度好；電磁兼容性好?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外許多廠(chǎng)家都已生產(chǎn)出針對(duì)不同應(yīng)用的VCO。表1是具有代表性的國(guó)內(nèi)十三所和Agilent公司生產(chǎn)的部分壓控振蕩器產(chǎn)品的部分指標(biāo)：表1 VCO性能指標(biāo)型號(hào)頻率范圍（GHz）調(diào)頻電壓（V）工作電壓/電流(V/mA)輸出功率（dBm）相噪（dBc/Hz）HE4873.03.701512/30+121.5-9010KHzHE4883.74.201512/30+101.5-8710KHzVTO-82002.03.022415/50+101.5-9550KHzVTO-82402.43.723015/50+101.

8、5-9550KHzVTO-83603.64.382415/50+101.5-10050KHz上述產(chǎn)品中，封裝形式均為T(mén)O-8封裝。對(duì)于封裝內(nèi)的電路中一般使用的是晶體管管芯和變?nèi)荻O管管芯，這樣可減少管腳分布電感、電容的影響，減少對(duì)分布參數(shù)的考慮。但是，制作此類(lèi)封裝需專(zhuān)門(mén)設(shè)備，制作工藝復(fù)雜，進(jìn)入門(mén)檻高，產(chǎn)品價(jià)格較高。頻率較高時(shí)，這些參數(shù)對(duì)電路性能的影響非常顯著。需要在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮，選擇合適的電路形式，盡量降低電路對(duì)器件參數(shù)的敏感度。另外，自前還用一種稱(chēng)為YIG(釔鐵右榴石)的鐵氧體器件作為諧振器的壓控振蕩器，諧振頻率用外磁場(chǎng)調(diào)諧，調(diào)諧帶寬可以很寬，因?yàn)閅IG諧振器可以有很高的Q值，YIG振蕩器

9、的相位噪聲性能很好。但由于成本較高，且較難設(shè)計(jì)，所需電流大，調(diào)諧速度較變?nèi)荻O管調(diào)諧的VCO慢。近年來(lái)，隨著通信電子領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)像振蕩器等這種基礎(chǔ)部件的要求更是如此。但多年來(lái)我國(guó)在這方面的研究投入無(wú)論在軍用還是民用上均不夠重視，僅限于在引進(jìn)和改進(jìn)狀態(tài)，還沒(méi)有達(dá)到質(zhì)的跨越，沒(méi)有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)，也是我國(guó)電子通信類(lèi)滯后發(fā)達(dá)國(guó)家的一個(gè)重要原因。而且我國(guó)多數(shù)仍然利用傳統(tǒng)的雙極工藝，致使產(chǎn)品在體積上、重量上、成本上都較大，各種參數(shù)性能不夠優(yōu)越，穩(wěn)定性差、難以和現(xiàn)代主流CMOS工藝集成等等都是我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。因此,我國(guó)在電子通信領(lǐng)域市場(chǎng)潛力非常大，自主研

10、究高性能、高質(zhì)量、低成本的壓控振蕩器市場(chǎng)前景廣闊、意義巨大。本論文使用ADS軟件從器件選型到電路進(jìn)行仿真，詳細(xì)闡述了壓控振蕩器的設(shè)計(jì)步驟,對(duì)S波段1.8GHz下頻率綜合器對(duì)電感電容壓控振蕩器的要求，實(shí)現(xiàn)AT41411單片集成壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真,設(shè)計(jì)的具體指標(biāo)是頻率范圍為17001900MHz,控制電壓05V，供電電壓12V。 2 振蕩器的原理2.1 振蕩器的功能、分類(lèi)與參數(shù)振蕩器是一種不需要外加輸入信號(hào)就能夠自激輸出交變信號(hào)的電子裝置,振蕩器實(shí)際上是起一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的作用，它將直流能量轉(zhuǎn)換成具有一定頻率，一定幅度和一定波形的交流能量1。凡是可以完成這一目的的裝置都可以是振蕩器.但是用電子管、

11、晶體管等器件與L、C、R等元件組成的振蕩器則完全取代了以往所有能產(chǎn)生震蕩的方法，因?yàn)樗腥缦聝?yōu)點(diǎn)：（1）它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔?，而本身靜止不動(dòng)，不需要做機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)活移動(dòng)。如果用高頻交流發(fā)電機(jī)，則其旋轉(zhuǎn)速度必須很高，最高頻率也只能到達(dá)50KHz。（2）它產(chǎn)生的是“等幅振蕩”，而火花發(fā)射機(jī)等產(chǎn)生的是“阻尼振蕩”。（3）使用方便，靈活性很大，它的功率可以自毫瓦級(jí)至幾百千瓦，工作頻率可以自極低頻率至微波波段。按照振蕩器按工作原理，可以分為反饋振蕩器和負(fù)阻振蕩器。按元器件主要分為RC振蕩器，LC振蕩器和晶體振蕩器 1RC振蕩器采用RC網(wǎng)絡(luò)作為選頻移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器統(tǒng)稱(chēng)為RC正弦振蕩器,屬音頻振蕩器。 2

12、LC振蕩器采用LC振蕩回路作為移相和選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋振蕩器稱(chēng)為L(zhǎng)C振蕩器。 3晶體振蕩器中石英晶體振蕩器是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類(lèi)振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱(chēng)為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線(xiàn)接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用

13、金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類(lèi)：普通晶體振蕩（SPXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體損振蕩（DCXO）微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器（MCXO）等等。晶體振蕩器的應(yīng)用有：1通用晶體振蕩器，用于各種電路中，產(chǎn)生振蕩頻率。2時(shí)鐘脈沖用石英晶體諧振器，與其它元件配合產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，廣泛用于數(shù)字電路中。3微處理器用石英晶體諧振器。4CTVVTR用石英晶體諧振器。5鐘表用石英晶體振蕩器。晶體振蕩器的技術(shù)指標(biāo)1.總頻差：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和

14、非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱(chēng)頻率的最大頻差。 總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率溫度準(zhǔn)確度、頻率老化率、頻率電源電壓穩(wěn)定度和頻率負(fù)載穩(wěn)定度共同造成的最大頻差。一般只在對(duì)短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心，而對(duì)其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場(chǎng)合采用。例如：精密制導(dǎo)雷達(dá)。 2. 頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱(chēng)電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。 fT=(fmax-fmin)/(fmax+fmin) fTref MAX(fmax-fref)/fref,(fmin-fref)/freffT：頻率溫度穩(wěn)定度(不帶隱含基準(zhǔn)溫度) fTref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含

15、基準(zhǔn)溫度) fmax ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最高頻率 fmin ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最低頻率 fref ：規(guī)定基準(zhǔn)溫度測(cè)得的頻率 說(shuō)明：采用fTref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用fT指標(biāo)的晶體振蕩器,故fTref指標(biāo)的晶體振蕩器售價(jià)較高。 3. 頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間：以晶體振蕩器穩(wěn)定輸出頻率為基準(zhǔn)，從加電到輸出頻率小于規(guī)定頻率允差所需要的時(shí)間。在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振蕩器是長(zhǎng)期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需頻繁的開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)，這時(shí)頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間指標(biāo)需要被考慮到（尤其是對(duì)于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺(tái)，當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度0.3ppm(-4585)，采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)

16、間將不少于5分鐘，而采用DTCXO只需要十幾秒鐘)。 4. 頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測(cè)量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如10ppb/天，加電72小時(shí)后），或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化（如：1ppm/（第一年）和5ppm/（十年）來(lái)表示。TCXO的頻率老化率為：0.2ppm2ppm（第一年）和1ppm5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率老化率的指標(biāo)，因?yàn)榧词乖趯?shí)驗(yàn)室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過(guò)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個(gè)指標(biāo)失去了實(shí)際的意義

17、）。OCXO的頻率老化率為：0.5ppb10ppb/天（加電72小時(shí)后），30ppb2ppm（第一年），0.3ppm3ppm（十年）。 5.頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量?；鶞?zhǔn)電壓為2.5V，規(guī)定終點(diǎn)電壓為0.5V和4.5V，壓控晶體振蕩器在0.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為-110ppm，在4.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為130ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：100ppm(2.5V2V)。 6.壓控頻率響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻率變化時(shí)，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干dB表示。（V

18、CXO頻率壓控范圍頻率響應(yīng)為010kHz。） 7.頻率壓控線(xiàn)性：與理想（直線(xiàn)）函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分?jǐn)?shù)表示整個(gè)范圍頻偏的可容許非線(xiàn)性度。典型的VCXO頻率壓控線(xiàn)性為：10%，20%。簡(jiǎn)單的VCXO頻率壓控線(xiàn)性計(jì)算方法為(當(dāng)頻率壓控極性為正極性時(shí))： 頻率壓控線(xiàn)性(fmax-fmin)/ f0)100% fmax：VCXO在最大壓控電壓時(shí)的輸出頻率 fmin：VCXO在最小壓控電壓時(shí)的輸出頻率 f0：壓控中心電壓頻率 8.單邊帶相位噪聲(f)：偏離載波f處，一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。根據(jù)振蕩器輸出信號(hào)波形的不同，可以將震蕩期分為正弦波振蕩器和

19、非正弦波振蕩器，其中非正弦波振蕩器它產(chǎn)生的信號(hào)可以使方波或三角波等。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器由以下三部分組成：(1)晶體管或電真空器件。其中真空器件主要用于高頻大功率振蕩器的設(shè)計(jì)，而晶體管主要用于低頻小功率振蕩器的設(shè)計(jì)。(2)諧振回路。諧振回路決定振蕩器的工作頻率，因?yàn)橹挥信c回路謝振頻率一致的交變電磁才能與電子進(jìn)行有效的相互作用。(3)能量反饋模塊。描述振蕩器的最主要的參數(shù)就是頻率穩(wěn)定度，它是評(píng)價(jià)振蕩器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)振蕩頻率相對(duì)變化量大小的一個(gè)指標(biāo)。按時(shí)間的長(zhǎng)短不同，頻率穩(wěn)定度分為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度。長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度是指一天以上乃至幾個(gè)月內(nèi)因管子和元件老化而引起的相對(duì)頻率變化量

20、；短期頻率穩(wěn)定度是指一天之內(nèi)因溫度、電源電壓等外界因素變化而引起的相對(duì)頻率變化量【2】；振蕩頻率的隨機(jī)起伏稱(chēng)為瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度，頻率的瞬變將產(chǎn)生調(diào)頻噪聲、相位噪聲和相位抖動(dòng)。震蕩幅度的隨機(jī)起伏將引起調(diào)幅噪聲。一次，振蕩器在沒(méi)有外加調(diào)制時(shí)，輸出的頻率不僅含振蕩頻率f0，在f0附近還包含有許多旁頻，連續(xù)分布在f0兩邊。如下圖所示，縱坐標(biāo)是功率，f0處是載波，兩邊是噪音功率，包括調(diào)頻噪音功率和調(diào)幅噪音功率。圖1 正弦信號(hào)的噪聲邊帶頻譜圖2 相對(duì)噪聲的定義如圖2所示，（單邊帶）相位噪聲通常用在相對(duì)于載波某一頻偏處，相對(duì)于載波電平的歸一化1Hz帶寬的功率譜密度表示（dBc/Hz）。通常所講的頻率穩(wěn)定度都指

21、短期頻率穩(wěn)定度。若將規(guī)定時(shí)間等分為n各間隔，在各間隔內(nèi)實(shí)測(cè)的頻率相應(yīng)位f1,f2,fn,當(dāng)所要求的振蕩頻率（稱(chēng)為標(biāo)稱(chēng)頻率）為fg時(shí)，短期頻率穩(wěn)定度定義為（2.1.1）式中，為第i個(gè)間隔內(nèi)實(shí)測(cè)的絕對(duì)頻率偏差值；為實(shí)測(cè)絕對(duì)頻率偏差的平均值，即（2.1.2）又稱(chēng)為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度，為平均實(shí)測(cè)頻率相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)頻率的偏差值3。2.2 起振條件振蕩器是一個(gè)在只有直流電源供電的情況下，產(chǎn)生周期變化的電壓信號(hào)的電路。 所有振蕩器都是非線(xiàn)性的，盡管非線(xiàn)性會(huì)使信號(hào)發(fā)生一些失真。但線(xiàn)性技術(shù)可以用來(lái)分析和設(shè)計(jì)振蕩器4。圖1（a）是一個(gè)單輸入，單輸出的負(fù)反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為H（S）,其閉環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為5（

22、2.2.1）當(dāng)，時(shí)，負(fù)反饋系統(tǒng)輸出為無(wú)窮大。這樣系統(tǒng)中的任何節(jié)點(diǎn)上有一個(gè)小小的抖動(dòng)或者噪聲都能夠使得系統(tǒng)發(fā)生振蕩，這時(shí)候負(fù)反饋系統(tǒng)變成正反饋。這種情況在運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中是絕對(duì)不允許的，然而對(duì)于振蕩器來(lái)說(shuō)，振蕩器電路就必須工作在正反饋情況下。 總的來(lái)說(shuō)，一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)Barkhause振蕩原則6，電路才能夠在頻率點(diǎn)上發(fā)生振蕩。（1）. 振蕩器系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益（2）. 振蕩器系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)相位偏移為180。 在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，振蕩器的開(kāi)環(huán)增益往往是計(jì)算值的2-3倍，即要設(shè)置一個(gè)安全裕量。這主要是為了克服工藝和溫度的偏差，以及由于電路非線(xiàn)性造成的開(kāi)環(huán)增益的下降。 圖3 振蕩器的負(fù)反饋形式圖

23、1（a) 所示為振蕩器的負(fù)反饋形式，其中正向開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的相位偏移為180，反向反饋通路的相位偏移也是180，因此整個(gè)開(kāi)環(huán)的相位偏移為360。圖1（b）是振蕩器的正反饋表示形式，為了保證振蕩器起振，正像開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的相位偏移為360，且滿(mǎn)足；相位偏移360也就是正反饋系統(tǒng)的輸入和輸出相位相同，因此圖1（c）與1（b）是等價(jià)的5。2.3 壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型一個(gè)理想的壓控振蕩器的頻率壓控特性可以表示為6(2.3.1)其中表示對(duì)應(yīng)于=0時(shí)的振蕩頻率，為壓控電壓，為壓控振蕩器的“增益”或“靈敏度”.單位Hz/V。即一個(gè)理想的壓控振蕩器其輸出頻率是其輸入電壓的線(xiàn)性函數(shù)，如圖4 7圖4 理想壓控振蕩器V

24、CO的定義壓控特性振蕩器的頻率與相位的關(guān)系表示為：(2.3.2)則根據(jù)式子（3.1）和（3.2），假設(shè)Kvco為常數(shù)，可以得到振蕩器的相位為(3.3)其中定義振蕩器的相位增量為（2.3.3）前面我們提到過(guò)實(shí)際VCO的正弦輸出波形中包含大量的諧波8，為此可以假設(shè)VCO輸出的控制電壓為一小的正弦信號(hào)，那么根據(jù)上面的共識(shí)可以將輸出表達(dá)成=（2.3.4）假設(shè)足夠小使得，那么即有=（2.3.5）3 利用ADS仿真與分析設(shè)計(jì)振蕩器這種有源器件，一般分為以下幾個(gè)步驟：(1)選取管子，設(shè)計(jì)前必須根據(jù)要求的指標(biāo)確定管子的參數(shù)，選好三極管和變?nèi)荻O管等。(2)根據(jù)三極管的最佳噪音特性確定直流偏置電路的偏置電阻9。

25、(3)確定變?nèi)荻O管的VC特性，先由指標(biāo)(設(shè)計(jì)的振蕩器頻率)確定可變電容的值，然后根據(jù)VC曲線(xiàn)確定二極管兩端的直流電壓。(4)進(jìn)行諧波仿真，分析相位噪音，生成壓控曲線(xiàn)，觀(guān)察設(shè)計(jì)的振蕩器的壓控線(xiàn)性度。設(shè)計(jì)的振蕩器采用ADS中自帶的AT41411硅雙極管，變?nèi)荻O管選用MV1404。其中AT41411的主要指標(biāo)有如下幾種。(1)低噪音特性：1GHz噪音系數(shù)是1.4dB,2GHz噪音系數(shù)是1.8dB。(2)高增益：1GHz時(shí)增益為18dB，2GHz時(shí)增益為13dB。(3)截止頻率：7GHz，有足夠?qū)挼念l帶。(4)1.8GHz時(shí)最佳噪音特性的直流偏置：Vce=8V,Ic=10mA。3.1 偏置電路的的

26、設(shè)計(jì)打開(kāi)ADS軟件，新建一個(gè)工程，在工程中建立一個(gè)原理圖，按照設(shè)計(jì)好的原理圖進(jìn)行連線(xiàn)并修改元件參數(shù)。圖5 偏置電路設(shè)計(jì)原理圖在圖中插入一個(gè)一個(gè)直流仿真控制器DC，兩個(gè)目標(biāo)控件及一個(gè)優(yōu)化控件OPTIM，具體參數(shù)按圖6進(jìn)行修改，在原理圖上設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Vcb,Veb,點(diǎn)擊Simulate進(jìn)行仿真，得到最終電阻優(yōu)化值，如圖7所示。圖 6 控件參數(shù)圖7 最終電阻優(yōu)化值3.2 可變電容VC特性曲線(xiàn)測(cè)試從新建立一個(gè)原理圖，按圖8所示進(jìn)行連接，修改元器件數(shù)值。圖8 變?nèi)荻O管測(cè)試電路圖在圖中插入變量控件、S參數(shù)仿真控制器及參數(shù)控件，設(shè)置其具體值如圖9圖9 控件參數(shù)單擊仿真按鈕后在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加一個(gè)一個(gè)方程

27、，方程內(nèi)容為“C_Varactor=-1/(2*pi*freq0,0*imag(Z110)”，如圖10所示。圖10 電容的測(cè)試方程在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于C_Varactor的曲線(xiàn)，如圖11所示，這就是變?nèi)荻O管的電容與偏置電壓之間的關(guān)系。圖11 變?nèi)荻O管的電容與偏置電壓的關(guān)系曲線(xiàn)為了更清楚的觀(guān)察電容與偏置電壓的關(guān)系，在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于C_Varactor的數(shù)據(jù)列表，如圖13所示。圖13 C_Varactor的數(shù)據(jù)列表這樣就完成了可變電容的V-C特性曲線(xiàn)的測(cè)試。3.3 壓控振蕩器的設(shè)計(jì)打開(kāi)偏置電路設(shè)計(jì)原理圖和變?nèi)荻O管測(cè)試電路圖，將其中的電路圖復(fù)制到新的原理圖中，從新設(shè)置三極管偏置

28、電路，由于壓控振蕩器電路中含有高頻成分，因此需要在直流偏置電路中加入高頻扼流元件，如圖14所示。圖14 新的直流偏置網(wǎng)絡(luò)將變?nèi)荻O管電路和三極管電路按照?qǐng)D15的方式連接起來(lái)，組成壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)。圖15 壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)按照下面內(nèi)容設(shè)置電路中元件的參數(shù)：SRC1：Vdc=5VL1=1000nHC1=10pHR1=420.433OhmL2=1000pHSRC3:Vdc=-5VL4=2nHR4=50OhmR2=676.512OhmL3=1000nHSRC2：Vdc=12VC2=1000pHR3=50Ohm在原理圖的輸出端口添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)Vout，并且插入一個(gè)瞬態(tài)仿真控制器，按照下面內(nèi)容設(shè)置瞬

29、態(tài)仿真控制器的參數(shù)StartTime=0,便是仿真的起始時(shí)間為0StopTime=30ns,表示仿真的終止時(shí)間為30ns.MaxTimeStep=0.01ns,表示仿真的最大時(shí)間間隔為0.01ns。完成設(shè)置的瞬態(tài)仿真控制器如圖16所示。圖16 瞬態(tài)仿真控制器的設(shè)置進(jìn)行仿真，等仿真結(jié)束后，在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于Vout的矩形圖，并在圖中插入兩個(gè)標(biāo)記如圖17所示。同時(shí)插入一個(gè)方程，用來(lái)查看兩個(gè)標(biāo)記之間信號(hào)的頻譜，方程的內(nèi)容為“Spectrum=fs(Vout,indep(m1),indep(m2)”如圖18所示。圖17 輸出信號(hào)的時(shí)域波形圖18 輸出信號(hào)的頻譜方程在數(shù)據(jù)顯示窗口加入一個(gè)關(guān)于Sp

30、ectrum幅度（Magnitude）的矩形圖，并在矩形圖中插入一個(gè)標(biāo)記，如圖19所示。圖19 輸出信號(hào)的頻譜從波形可以看到，振蕩器已經(jīng)很穩(wěn)定地振蕩起來(lái)了，并且有一定的振蕩時(shí)間，從抽出的兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，該振蕩波形是相當(dāng)穩(wěn)定的，幅度差可以不必考慮，頻譜純度也較高，對(duì)m1和m2 這段時(shí)域進(jìn)行傅里葉變換，可以看到振蕩器振蕩頻率的頻譜，從m3標(biāo)記的數(shù)值可以看出，該振蕩的振蕩頻率為1.872GHz。非常接近設(shè)計(jì)指標(biāo)。3.4 壓控振蕩器相位噪聲分析通過(guò)前面的介紹可以知道，利用ADS里面的諧波平衡法仿真，可以分析振蕩器的相位噪聲。以新名稱(chēng)保存VCO的原理圖，在圖中插入一個(gè)諧波平衡法仿真控制器，對(duì)其參數(shù)進(jìn)

31、行修改，如圖20。圖20 諧波平衡法仿真控制器在振蕩器里加入一個(gè)Oscport器件配合使用，接在反饋網(wǎng)絡(luò)和諧振網(wǎng)絡(luò)之間，如圖21所示。這是諧波平衡法仿真相位噪音的需要。圖21 Oscport器件的連接考慮到該器件的頻率隔離度不夠高，所以在輸出端加一個(gè)帶通濾波器，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。圖22 輸出端口的帶通濾波器這樣就完成了諧波平衡仿真的電路原理圖，如圖23所示。圖23 諧波平衡仿真的電路原理圖進(jìn)行仿真，等仿真結(jié)束后在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于Vout的功率譜密度的矩形圖，如圖24所示，從圖中可以看出基波頻率上的能量最大。圖24 輸出信號(hào)的功率譜密度在數(shù)據(jù)顯示窗口加入一個(gè)關(guān)于頻率的數(shù)據(jù)列表，可以看出信號(hào)

32、的各次諧波的頻率。圖25 輸出信號(hào)的頻率的數(shù)據(jù)列表在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于anmx和pnmx的矩形圖，從圖中可以看到偏離基波頻率100KHz時(shí)，相對(duì)的調(diào)幅噪聲為-175.1dBc，相對(duì)的相位噪聲為-108.3dBc。圖26 關(guān)于anmx和pnmx的矩形圖在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個(gè)關(guān)于anmx和pnmx的數(shù)據(jù)列表，就可以查看在各頻率處兩種噪聲的值，如圖27所示。圖27 關(guān)于anmx和pnmx的數(shù)據(jù)列表3.5 VCO振蕩頻率線(xiàn)性度分析以新名稱(chēng)保存諧波平衡仿真原理圖，添加一個(gè)VAR控件，設(shè)置SRC1:Vdc=Vtune,修改諧波平衡仿真控制器。如圖28圖28 參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一

33、個(gè)關(guān)于一次諧波freq1的矩形圖，便可以觀(guān)察偏置電壓與輸出頻率之間的關(guān)系，如圖29所示。圖29 輸入電壓與輸出信號(hào)頻率的關(guān)系繼續(xù)在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加一個(gè)方程，用來(lái)測(cè)量輸出信號(hào)功率與輸出信號(hào)頻率之間的關(guān)系，方程內(nèi)容為“powerflatness=vs(dBm(Vout1),freq1/1e9)”，如圖30所示。圖30 輸出信號(hào)功率與輸出信號(hào)頻率在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加一個(gè)關(guān)于powerflatness的矩形圖，從圖中可以看出，輸出功率是比較平坦的。圖31 輸出信號(hào)功率和輸出信號(hào)頻率的關(guān)系曲線(xiàn)考慮去掉濾波器后線(xiàn)性度提高，在原理圖中去掉濾波器，進(jìn)行仿真，在數(shù)據(jù)窗口中生成powerflatness的矩形圖

34、，如圖32所示。圖32 無(wú)濾波器關(guān)系曲線(xiàn)這樣，就完成了對(duì)壓控振蕩器的性能參數(shù)的仿真，壓控振蕩器的設(shè)計(jì)和仿真的內(nèi)容也就全部結(jié)束了。4 結(jié)論本論文介紹了用ADS設(shè)計(jì)微波振蕩器的過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮的首要問(wèn)題是管子的選取，設(shè)計(jì)前后必須根據(jù)自己的指標(biāo)確定管子的參數(shù)，從后面的設(shè)計(jì)來(lái)看，管子選的不好是很難達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的。設(shè)計(jì)振蕩器最重要的是使振蕩器滿(mǎn)足預(yù)定的指標(biāo)，而在這次壓控振蕩器設(shè)計(jì)中與振蕩器頻率直接相關(guān)的有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是變?nèi)荻O管的偏置電壓，由變?nèi)荻O管的VC曲線(xiàn)確定；另一個(gè)是振蕩器的反饋電感。噪聲分析也是振蕩器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的方面。設(shè)計(jì)過(guò)程中必須明確要計(jì)算哪些噪聲，并合理設(shè)置好噪聲頻率間隔。在電路中加入濾波器是為了增加頻率的隔離度，但是此濾波器對(duì)于后來(lái)生成的壓控曲線(xiàn)影響很大。不去掉濾波器而直接仿真得到的曲線(xiàn)并不是線(xiàn)性的，原因是濾波器的通帶比壓控的頻率范圍小 ，而去掉濾波器后生成的