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用负阻原理设计高稳定度VCO

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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)
用负阻原理设计高稳定度VCO
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:

用负阻原理设计高稳定度VCO

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,用负阻原理设计高稳定度VCO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

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