用负阻原理设计高稳定度vco

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1、用负阻原理设计高稳定度VCO中心论题：·负阻振荡原理·设计与仿真·调试与测量解决方案：·起振与振荡的仿真·相角补偿·相噪分析压控振荡器(VCO)是锁相环路的重要组成部分。随着电子技术的发展,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。负阻

2、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:设计与仿真a.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

3、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

4、C4<

5、件,它决定了振荡的频率。                                         b.相角补偿三极管振荡器要满足相位平衡条件:φY+φZ+φF=2nπ(n=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

6、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,,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。由参考文献可知,在集电极串入一个电感为LC=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,L3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

7、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。                                              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7.9

8、11dBm,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。                                                            c.相噪分析参考文献给出了LC压控振荡器的相位噪声表达式: