課程設計--壓控振蕩器

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　　設計題目：壓控振蕩器的研究</p><p><b>　　系別 </b></p><p><b>　　專業(yè) </b></p><p><b>　　班級 </b></p><

2、;p><b>　　學號 </b></p><p><b>　　姓名 </b></p><p><b>　　指導教師 </b></p><p><b>　　設計時間 </b></p><p><b>　　任務書</b></p

3、><p><b>　　目錄</b></p><p>　　壓控振蕩器的原理及設計………………………………………………（1）</p><p>　　LC壓控振蕩器 …………………………………………………………（3）</p><p>　　晶體壓控振蕩器…………………………………………………………（3）</p><

4、p>　　LC、晶體壓控振蕩器的主要應用范圍及作用…………………………（4）</p><p>　　設計心得…………………………………………………………………（7）</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………（8）</p><p>　　一、控振蕩器的原理及設計</p><p>　　1．壓控振蕩器的定義、工

5、作原理</p><p>　　壓控振蕩器的工作原理指輸出頻率與輸入控制電壓有對應關系的振蕩電路,常以符號(VCO)(Voltage Controlled Oscillator)。其特性用輸出角頻率ω0與 輸入控制電壓uc之間的關系曲線(圖1)來表示。圖1中,uc為零時的角頻率ω0,0稱為自由振蕩角頻率；曲線在ω0,0處的斜率K0稱為控制靈敏度。使振蕩器的工作狀態(tài)或振蕩回路的元件參數(shù)受輸入控制電壓的控制，就可構成一個

6、壓控振蕩器。在通信或測量儀器中，輸入控制電壓是欲傳輸或欲測量的信號（調制信號）。人們通常把壓控振蕩器稱為調頻器，用以產生調頻信號。在自動頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個受控部件。壓控振蕩器的控制電壓可以有不同的輸入方式。如用直流電壓作為控制電壓，電路可制成頻率調節(jié)十分方便的信號源；用正弦電壓作為控制電壓，電路就成為調頻振蕩器；而用鋸齒電壓作為控制電壓，電路將成為掃頻振蕩器。</p&g

7、t;<p>　　圖1 壓控振蕩器的控制特性 </p><p>　　在壓控振蕩器中，振蕩頻率應只隨加在變容管上的控制電壓變化，但實際電路中，振蕩電壓也加在變容管兩端，這使得振蕩頻率在一定程度上也隨振蕩幅度而變化，這是不希望的。為了減小振蕩頻率隨振蕩幅度的變化，應盡量減少振蕩器的輸出電壓幅度，并使變容管工作在較大的固定直流偏壓（如大于1V）上。圖2示出了一壓控振蕩器線路。它的基本電路是一個柵極電路調諧的

8、互感耦合振蕩器。決定頻率的回路元件為L1、C1、C2和壓控變容管VD2呈現(xiàn)的電容Cj。</p><p>　　壓控振蕩器的主要性能指標為壓控靈敏度和線性度。壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振蕩頻率的變化量，用S表示，即</p><p><b>　　S=Δf/Δu</b></p><p>　　2、壓控振蕩器的類型</p><p

9、>　　壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對壓控振蕩器的技術要求主要有：頻率穩(wěn)定度好，控制靈敏度高，調頻范圍寬，頻偏與控制電壓成線性關系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調頻范圍窄，RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調頻范圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。在下面主要分析LC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。</p><p>　　圖2 壓控振蕩器線路</p><

10、;p><b>　　二、LC壓控振蕩器</b></p><p>　　在任何一種LC振蕩器中，將壓控可變電抗元件插入振蕩回路就可形成LC壓控振蕩器。早期的壓控可變電抗元件是電抗管，后來大都使用變容二極管。圖 2是潑型LC壓控振蕩器的原理電路。圖中，T為晶體管，L為回路電感，C1、C2、Cv為回路電容,Cv為變容二極管反向偏置時呈現(xiàn)出的容量;C1、C2通常比Cv大得多。當輸入控制電壓uc改變

11、時，Cv隨之變化，因而改變振蕩頻率。這種壓控振蕩器的輸出頻率與輸入控制電壓之間的關系為 </p><p>　　VCO輸出頻率與控制電壓關系</p><p>　　式中C0是零反向偏壓時變容二極管的電容量；φ 是變容二極管的結電壓；γ 是結電容變化指數(shù)。為了得到線性控制特性，可以采取各種補償措施。 </p><p>　　RC壓控振蕩器 在單片集成電路中常用RC壓控多諧振

12、蕩器（見調頻器）。 </p><p>　　圖3 LC壓控振蕩器原理圖</p><p><b>　　三、晶體壓控振蕩器</b></p><p>　　在用石英晶體穩(wěn)頻的振蕩器中，把變容二極管和石英晶體相串接，就可形成晶體壓控振蕩器。為了擴大調頻范圍，石英晶體可用AT切割和取用其基頻率的石英晶體，在電路上還可采用展寬調頻范圍的變換網絡。 </

13、p><p>　　在微波頻段，用反射極電壓控制頻率的反射速調管振蕩器和用陽極電壓控制頻率的磁控管振蕩器等也都屬于壓控振蕩器的性質。壓控振蕩器的應用范圍很廣。集成化是重要的發(fā)展方向。石英晶體壓控振蕩器中頻率穩(wěn)定度和調頻范圍之間的矛盾也有待于解決。隨著深空通信的發(fā)展，將需要內部噪聲電平極低的壓控振蕩器。</p><p>　　四、VCO的實際應用電路 </p><p>　　1、

14、壓控振蕩器的應用</p><p>　　在電子設備中，壓控振蕩器的應用極為廣泛，如彩色電視接收機高頻頭中的本機振蕩電路、各種自動頻率控制(AFC)系統(tǒng)中的振蕩電路、鎖相環(huán)路(PLL)中所用的振蕩電路等均為壓控振蕩器。振蕩器輸出的波形有正弦型的，也有方波型的。 變容二極管壓控振蕩器的基本工作原理在振蕩器的振蕩回路上并接或串接某一受電壓控制的電抗元件后，即可對振蕩頻率實行控制。受控電抗元件常用變容二極管取代。

15、</p><p>　　圖4 圖5</p><p>　　變容二極管的電容量Cj取決于外加控制電壓的大小，控制電壓的變化會使變容管的Cj變化，Cj的變化會導致振蕩頻率的改變。 對于圖中，若C1、C2值較大，C4又是隔直電容，容量很大，則振蕩回路中與L相并聯(lián)的總電容為：</p><p>　　變容管是利用半導體PN

16、結的結電容受控于外加反向電壓的特性而制成的一種晶體二極管，它屬于電壓控制的可變電抗器件，其壓控特性的典型曲線如圖所示。圖中，反向偏壓從3V增大到30V時，結電容Cj從18pF減小到3pF，電容變化比約為6倍。 對于不同的Cj，所對應的振蕩頻率為</p><p><b>　　(VR為最小)</b></p><p><b>　　(VR為最大)<

17、/b></p><p>　　通常將fmax和fmin的比值稱為頻率覆蓋系數(shù)，以符號Kf表示，上述振蕩回路的頻率覆蓋系數(shù)為</p><p>　　圖6某彩色電視接收機VHF調諧器中第6-12頻段的本振電路如圖所示電路中，控制電壓VC為0.5-30V，改變這個電壓，就使變容管的結電容發(fā)生變化，從而獲得頻率的變化。由圖(6)可見，這是一典型的西勒振蕩電路，振蕩管呈共集電極組態(tài)，振蕩頻率約為

18、170-220MHz ，這種通過改變直流電壓來實現(xiàn)頻率調節(jié)的方法，通常稱為電調諧，與機械調諧相比它有很大的優(yōu)越性。</p><p>　　某彩色電視接收機VHF調諧器中頻段的本振電路如圖所示電路中，控制電壓VC為0.5-30V，改變這個電壓，就使變容管的結電容發(fā)生變化，從而獲得頻率的變化。由圖(3)可見，這是一典型的西勒振蕩電路，振蕩管呈共集電極組態(tài)，振蕩頻率約為170-220MHz ，這種通過改變直流電壓來實現(xiàn)頻

19、率調節(jié)的方法，通常稱為電調諧，與機械調諧相比它有很大的優(yōu)越性。</p><p>　　2、壓控振蕩器的發(fā)展</p><p>　　振蕩器自其誕生以來就一直在通信、電子、航海航空航天及醫(yī)學等領域扮演重要的角色，具有廣泛的用途。在無線電技術發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機中用來產生高頻載波電壓，在超外差接收機中用作本機振蕩器，成為發(fā)射和接收設備的基本部件。隨著電子技術的迅速發(fā)展，振蕩器的用途也越來越廣泛，

20、例如在無線電測量儀器中，它產生各種頻段的正弦信號電壓:在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設備中，它產生大功率的高頻電能對負載加熱;某些電氣設備用振蕩器做成的無觸點開關進行控制;電子鐘和電子手表中采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路作為定時部件等。尤其在通信系統(tǒng)電路中，壓控振蕩器(VCO)是其關鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說在電子通信技術領域，VCO幾乎與電流源和運放具有同等重要地位。

21、</p><p>　　對振蕩器的研究未曾停止過。從早期的真空管時代當后期的晶體管時代，無論是理論上還是電路結構和性能上，無論是體積上還是制作成本上無疑都取得了飛躍性的進展，但在很長的一段時期內都是處在用分離元件組裝而成的階段，其性能較差，成本相對較高，體積較大和難以大批量生產。隨著通信領域的不斷向前推進，終端產品越來越要求輕、薄、短、小，越來越要求低成本、高性能、大批量生產，這對于先前的分離元件組合模式將不再勝任

22、，并提出新的要求和挑戰(zhàn)。集成電路各項技術的發(fā)展迎合了這些要求，特別是主流CMOS工藝提供以上要求的解決方案，單片集成振蕩器的研制取得了極大的進步。然而，由于工藝條件的限制，RF電路的設計多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工藝實現(xiàn)，難以和現(xiàn)在主流的標準CMOS工藝集成。因此，優(yōu)性能的標準的CMOS VCO設計成為近年來RF電路設計的熱門課題。</p><p>　　近年來，隨著通信電子領域的迅速發(fā)展，對

23、電子設備的要求越來越高，尤其是對像振蕩器等這種基礎部件的要求更是如此。但多年來我國在這方面的研究投入無論在軍用還是民用上均不夠重視，僅限于在引進和改進狀態(tài)，還沒有達到質的跨越，沒有自主的知識產權(IP)，也之所以在電子通信類滯后發(fā)達國家的一個重要原因。而且我國多數(shù)仍然利用傳統(tǒng)的雙極工藝，致使產品在體積上、重量上、成本上都較大，各種參數(shù)性能不夠優(yōu)越，穩(wěn)定性差、難以和現(xiàn)代主流CMOS工藝集成等等都是我國相關領域發(fā)展的瓶頸。我國在電子通信領域

24、市場潛力非常大，自主研究高性能、高質量、低成本的壓控振蕩器市場前景廣闊、意義巨大。</p><p>　　3、VCO的主要性能指標</p><p>　　VCO的性能指標主要包括:頻率調諧范圍，輸出功率，(長期及短期)頻率穩(wěn)定度，相位噪聲，頻譜純度，電調速度，推頻系數(shù)，頻率牽引等。</p><p>　　頻率調諧范圍是VCO的主要指標之一，與諧振器及電路的拓撲結構有關。通

25、常，調諧范圍越大，諧振器的Q值越小，諧振器的Q值與振蕩器的相位噪聲有關，Q值越小，相位噪聲性能越差。</p><p>　　振蕩器的頻率穩(wěn)定度包括長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，它們各自又分別包括幅度穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度。長期相位穩(wěn)定度和短期幅度穩(wěn)定度在振蕩器中通常不考慮;長期幅度穩(wěn)定度主要受環(huán)境溫度影響，短期相位穩(wěn)定度主要指相位噪聲。在各種高性能、寬動態(tài)范圍的頻率變換中，相位噪聲是一個主要限制因素。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，載波信

26、號的相位噪聲還要影響載波跟蹤精度。</p><p>　　其它的指標中，振蕩器的頻譜純度表示了輸出中對諧波和雜波的抑制能力；推頻系數(shù)表示了由于電源電壓變化而引起的振蕩頻率的變化；頻率牽引則表示了負載的變化對振蕩頻率的影響；電調速度表示了振蕩頻率隨調諧電壓變化快慢的能力。</p><p>　　在壓控振蕩器的各項指標中，頻率調諧范圍和輸出功率是衡量振蕩器的初級指標，其余各項指標依據(jù)具體應用背景不

27、向而有所側重。例如，在作為頻率合成器的一部分時，對VCO的要求，可概括為一下幾方面:應滿足較高的相位噪聲要求；要有極快的調諧速度，頻溫特性和頻漂性能要好；功率平坦度好；電磁兼容性好。</p><p><b>　　五、設計心得體會</b></p><p>　　這次的課程設計主要是針對壓控振蕩器的研究分析，分析了壓控振蕩器的定義、工作原理以及特點。由于壓控振蕩器一般分為兩

28、種：LC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器，分析兩種不同振蕩器的工作原理及電路分析。近年來，隨著通信電子領域的迅速發(fā)展，對電子設備的要求越來越高，尤其是對像振蕩器等這種基礎部件的要求更是如此。但多年來我國在這方面的研究投入無論在軍用還是民用上均不夠重視，僅限于在引進和改進狀態(tài)，還沒有達到質的跨越，沒有自主的知識產權(IP)，也之所以在電子通信類滯后發(fā)達國家的一個重要原因。而且我國多數(shù)仍然利用傳統(tǒng)的雙極工藝，致使產品在體積上、重量上、成本上都較大

29、，各種參數(shù)性能不夠優(yōu)越，穩(wěn)定性差、難以和現(xiàn)代主流CMOS工藝集成等等都是我國相關領域發(fā)展的瓶頸。我國在電子通信領域市場潛力非常大，自主研究高性能、高質量、低成本的壓控振蕩器市場前景廣闊、意義巨大，所以我們要努力豐富自己的知識。</p><p>　　雖然這次的課程設計的時間很短暫，但是我收獲了很多在書本上無法了解的東西，使我認識到實際動手操作的重要性，對我的以后學習設計有很大的幫助，也為將來的人生之路做好了一個很好

30、的鋪墊。</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　高頻電子線路……………… 曾慶雯 ………………………高等教育出版社</p><p>　　高頻電子線路（第四版）…………………………………………張肅文主編</p><p>　　電子電路基礎………………………………………………………劉寶玲主編&l