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用负阻原理设计高稳定度VCO
摘要：介绍了利用负阻原理、采用改进型克拉泼电路设计的高稳定度LC压控振荡器（VCO），其频率范围为180MHz~210MHz。用ADS进行了仿真，最后给出了测量结果，实际表明它们是一致的。该电路采用相角补偿，提高了频率稳定度，降低了相位噪声。该方法设计简单、调试方便、成本低。关键词：负阻 VCO 克拉泼电路 相位噪声
压控振荡器(VC0)是锁相环路的重要组成部分。随着电子技术的发展，(范文先生网www.fwsir.com收集整理)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：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，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<<C5、C4<<C6、C4<<C7，所以C≈C4。其中，C4为变容管，通过改变其负偏压就可以改变振荡频率。
从图4(a)的仿真结果可以看出，在200MHz附近，及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。
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二0，1，2，3，…)，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 <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=C7/6。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。
图4
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，f0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。
图5
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~213MH
(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／Hz@10kHz，-115dBc／Hz@100kHz
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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