实验九：压控振荡器.doc

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1、实验九：压控振荡器（Voltage-ControlledOscillator）**一、实验目的：1.了解变容二极管的基本原理与压控振荡器的设计方法。2.利用实验模组的实际测量使学生了解压控振荡器的特性。3.学会使用微波软件对压控振荡器进行设计和仿真，并分析结果。二、预习内容：1．熟悉VCO的原理的理论知识。2．熟悉VCO的设计的有关的理论知识。三、实验设备：项次设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪1套亦可用网络分析仪2压控振荡器模组1组RF2KM9-1A350ΩBNC及1MΩBNC连接线4条CA-1、CA-2、CA-3、CA-44直流电源

2、连接线1条DC-15MICROWAVE软件1套微波软件四．理论分析：变容二极管理论分析：一个射频压控振荡器电路大致上与振荡器相同，唯有谐振电路稍有不同。设计上是利用变容二极管（Varator）的电特性来完成利用电压控制振荡器输出频率的设计要求。振荡器的基本理论与设计方法已于实验八陈述，故本实验仅就变容二极管的电特性与振荡器谐振电路的不同之处加以说明。（一）变容二极管（Varator）的电特性常见的变容二极管可分成三类：线性缓变结（GradedJunction）、突变结（AbruptJunction）、超突变结（HyperAbruptJunction）

3、。其间的主要差异在于个别的N型（N-type）中杂质（Donor）浓度分布曲线不同而造成其电容指数值（CharacteristicExponent，r）的不同，导致其容值-电压对数曲线图（C-VCurve）的差异。其中线性缓变结的变容二极管以其电容变率较小而最不常被采用；而突变结具有相当高的Q值，得使VCO具有较低的相位噪声（PhaseNoise）特性，且其调整电压（TuningVoltage）的范围也比较宽，大约在0~60V之间。至于超突变结以其较线性的电压－电容特性，可以提供比突变结更佳的调整电压线性度，故此类型的变容二极管是宽频段VCO的最佳选

4、择。一般应用上，可以使VCO的输出频率在变化一倍频的情况下，其调整电压变化范围可以控制在20V以下。然而，因为此类型变容二极管的Q值较突变结为低，所以使得应用此类型变容二极管设计的VCO的相位噪声特性较突变结的高些。一般对相同输出频率的振荡器而言，在与振荡频率相差一固定频率（OffsetFrequecy）下的相位噪声越低者则其频谱纯度（OscillationPurity）亦越佳。由图9-1即可以清楚了解这三类变容二极管的特性差异。而图9-2则是变容二极管的符号与等效电路。一般而言，其Q值皆甚大（千级以上）。AbruptJunction(r=1/2)G

5、radedJunction(r=1/3)lnClnVRHyperAbruptJunction(r=1~5)图9-1容值-反逆电压对数曲线图+VR-图9-2变容二极管的电路符号图9-2变容二极管的等效电路图9-2变容二极管的简化等效电路变容二极管电容值与偏压的关系式，如（式9-1）所示。式（9－2）及（9-3）分别是电容值变率（CapacitanceRatio）与简化等效电路的[Q值]公式。（1）电容值与偏压的关系式：（式9-1）其中CV——在逆向偏压VR下，变容二极管的电容值。CO——外加0VDC偏压下，变容二极管的电容值。VR——外加变容二极管上的

6、逆向偏压。ψ——势垒电压。在硅晶体二极管（Silicon）上是ψ=0.5~0.7V，而在砷化镓（GaAs）二极管上则ψ=1.2V。r——特性指数（CharacteristicExponent），视二极管结构不同而不同，一般在0.3~5之间。（2）电容值变率（CapacitanceRatio）：（式9-2）其中C（V1）——在逆向偏压V1下，变容二极管的电容值。C（V2）——在逆向偏压V2下，变容二极管的电容值。一般V2设为1VDC或是2VDC，且V1>V2。(3)简化等效电路的Q值]公式：（式9-3）其中Rp——逆向偏压漏电电阻。一般很大，约几百MΩ

7、以上。Rs——变容二极管的主体电阻。一般很小，约1Ω以下。Cv——变容二极管在偏压V下的电容值。在低频时，可近似成；而在高频时，则可近似成。（二）变容二极管（Varator）的实例以西门子公司所生产的BB535变容二极管为例，其电特性如下列。（摘录自SIEMENSSemiconductorGroupDataSheet,Jan-1997）由上列资料中可知，此变容二极管的电容值变率TR有两种，视设计需求不同。（1）偏压2VDC对25VDC的电容值变率：TR=7.5max（2）偏压1VDC对28VDC的电容值变率：TR=9.8max而其操作在VR=3V，f

8、=470MHz情况下的等效电Q值为：（经查表得CV=11pF，Rs=0.65Ω,max，Ls=2nH）压控振