用負阻原理設(shè)計高穩(wěn)定度VCO

1、用負阻原理設(shè)計高穩(wěn)定度VCO        摘要：介紹了利用負阻原理、采用改進型克拉潑電路設(shè)計的高穩(wěn)定度LC壓控振蕩器(VCO),其頻率范圍為180MHz210MHz。用ADS進行了仿真,最后給出了測量結(jié)果,實際表明它們是一致的。該電路采用相角補償,提高了頻率穩(wěn)定度,降低了相位噪聲。該方法設(shè)計簡單、調(diào)試方便、成本低。 關(guān)鍵詞：負阻VCO克拉潑電路相位噪聲壓控振蕩器(VCO)是鎖相環(huán)路的重要組成部分。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了許多集成的VCO芯片?？紤]到高頻率穩(wěn)定度、低相噪的要求,這里采用Agilent公司生產(chǎn)的低噪

2、聲晶體管HBFP0450來設(shè)計VCO。常用的VCO一般有三種1:晶體壓控振蕩器、LC壓控振蕩器和RC壓控振蕩器。對于超高頻段的VCO,采用LC振蕩器形式;為了提高頻率穩(wěn)定性,采用了克拉潑電路,并進行了相角補償。 1 負阻振蕩原理 這里采用負阻方法26來設(shè)計壓控振蕩器,負阻振蕩原理圖如圖1所示。 圖中,ZIN是晶體管電路的輸入阻抗,RIN和XIN分別是輸入電阻和電抗;ZL是負載阻抗,RL和XL分別是負載電阻和電抗。 根據(jù)振蕩原理23,起振條件是: RIN+RL<0 (1) 振蕩的平衡條件是: RIN+RL=0 (2) XIN+XL=0 (3)2 設(shè)計與仿真 2.1 起振與振蕩的仿真 這里用

3、ADS來仿真電路,采用改進型克拉潑電路3形式,具體電路如圖2所示。選用高增益、低噪聲的HBFP0450作為三端器件,它在200MHz工作頻率上有20dB的增益,從而保證了較大的振蕩幅度。供電電壓為5V,通過R1、R2和R3來確定靜態(tài)工作點,工作電流選定為10mA,Vce為2.5V。 交流等效電路如圖3所示。L1、C4和C5串聯(lián)可以等效成一個電感,從而滿足電容三端振蕩器的相位條件。L1、C4、C5、C6、C7構(gòu)成了諧振回路,振蕩頻率主要由這五個元件所決定。頻率計算公式如下:式中,L1為線圈繞制電感,Q值為39。C為C4、C5、C6和C7串聯(lián)后的等效電容,由于C4<<C5、C4<

4、<C6、C4<從圖4(a)的仿真結(jié)果可以看出,在200MHz附近,RIN+RL<0,所以滿足起振條件,由于RIN的負阻比較大,所以提供交流能量的能力比較強,故振蕩的幅度會比較大,這一點在后面的仿真和測試中可以得到證實。從圖4(b)可以看出,當f為200MHz左右時,XIN+XL=0,從而滿足相位平衡條件,它決定了振蕩的頻率。 2.2 相角補償 三極管振蕩器要滿足相位平衡條件:Y+Z+F=2n(n=0,1,2,3,)34,由于Y+F通常不等于0,所以就要求回路工作于失諧狀態(tài),以產(chǎn)生一個諧振回路相角Z來對Y和F進行平衡。也就是說,由于電路中有源器件、寄生參量以及阻隔元件等的影響,

5、使得振蕩器的實際工作頻率嚴格來講并不等于回路的固有諧振頻率,因此,諧振回路等效阻抗ZP并不會呈現(xiàn)純阻抗。所以,一般振蕩器的振蕩回路總是處于微小失諧狀態(tài)。我們知道,并聯(lián)諧振回路具有負斜率的相頻特性,即z/w<0,當振蕩器工作在回路諧振頻率上時,它對頻率的穩(wěn)定性能最佳。而當它工作在失諧狀態(tài)時,會使得振蕩器的頻率穩(wěn)定度與效率都降低。在此,采用相角補償法來提高壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度和效率。 由參考文獻3可知,在集電極串入一個電感為LC=L/F的補償元件,就可以實現(xiàn)相角補償(Z2.3 相噪分析 參考文獻5給出了LC壓控振蕩器的相位噪聲表達式: 式中,fm為頻偏,KVCO為VCO控制靈敏度,fo為振

6、蕩頻率,Q為品質(zhì)因數(shù),F為晶體管的噪聲系數(shù),K為波爾茲曼常數(shù),T為工作溫度,Ps為振蕩信號功率,fc為閃爍噪聲拐角頻率,Vm為低頻噪聲源的總幅度。從式(5)可以看出,選擇噪聲系數(shù)小的放大管、增加諧振回路有載Q值、減小VCO控制靈敏度、提高輸出信號功率都可以降低相位噪聲。通過減小變?nèi)莨茉谥C振回路中的接入系數(shù),可以有效減小VCO控制靈敏度,但是也會導(dǎo)致頻率覆蓋范圍的減小,所以要適當選擇接入系數(shù)。該VCO輸出頻率為200MHz時,變?nèi)莨芙尤胂禂?shù)為0.63。通過適當調(diào)整輸出回路的電感和分壓電容,可以提高負載阻抗,從而有效地提高輸出功率,以達到降低相位噪聲的目的。通過軟件仿真,在頻偏10kHz處的輸出相位噪聲為-101.3dBc/Hz,在100kHz處的相位噪聲為-122.5dBc/Hz。 3 調(diào)試與測量 在軟件仿真的基礎(chǔ)上,將元件參數(shù)做些細微調(diào)整,就可以獲得滿意的結(jié)果。通過測量,可以得到如下性能參數(shù): (1)頻率范圍:175MHz213MHz (2)調(diào)諧靈敏度:7MHz/V (3)電源電壓:5V (4)工作電流:10mA (5)控制電壓:05V (6)輸出功率:68dBm (7)相位噪聲:-95dBc/Hz10kHz,-115dBc/Hz100kHz 從圖(7)的測量結(jié)果可以看出,頻率范圍、輸出功率和相位噪聲等指標與軟件仿真結(jié)果一致。 根據(jù)負阻原理