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压控振荡器的电路设计2.doc压控振荡器的电路设计2.doc -- 6 元

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压控振荡器的电路设计第1页共32页1绪论1.1压控振荡器原理及发展现状调节可变电阻或可变电容可以改变波形发生电路的振荡频率,要求波形发生电路的振荡频率与控制电压成正比。这种电路称为压控振荡器,又称为VCO或uf转换电路。怎样用集成运放构成压控振荡器呢我们知道积分电路输出电压变化的速率与输入电压的大小成正比,如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后,设法使它迅速放电,然后输入电压再给它充电,如此周而复始,产生振荡,其振荡频率与输入电压成正比,即压控振荡器。其特性用输出角频率0与输入控制电压Cu之间的关系曲线图1.1来表示。图中Cu为零时的角频率,(0,0)称为自由振荡角频率曲线在(0,0)处的斜率0K称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制,就可构成一个压控振荡器。在通信或测量仪器中,输入控制电压是欲传输或欲测量的信号(调制信号)。人们通常把压控振荡器称为调频器,用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中,输入控制电压是误差信号电压,压控振荡器是环路中的一个受控部件。图1.1压控振荡器的控制特性压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有频率稳定度好,控制灵敏度高,调频范围宽,频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高,但调压控振荡器的电路设计第2页共32页频范围窄,RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽,LC压控振荡器居二者之间。压控振荡器(VCO)是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器,是频率产生源的关键部件。频率产生源是大多数电子系统必不可少的组成部分,更是无线通信系统的核心。在许多现代通信系统中,VCO是可调信号源,用以实现锁相环(PLL)和其他频率合成源电路的快速频率调谐。VCO已广泛用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机和其他电子系统。VCO对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响。相位噪声是VCO的一项关键参数。低相位噪声的VCO将提高通信系统的频带利用率,增加数据传输系统的数据传输速率,这是VCO对电子系统产生重要影响的一个例证。电子装置和电子系统的发展不断推动着VCO技术的更新与进步。从现代和将来的无线系统,特别是无线移动通信系统,不仅具有很高的工作频率,而且对小型化,轻量化,高性能化,多功能化,低功耗化和低成本化方面的要求不断提高且日益迫切。为适应这一需求,人们利用先进的微电子技术。表面安装技术SMT.表面安装元器件SMC和SMD技术和现代电路设计等,建立了全新的VCO技术,开发了许多工作频率高,性能优异,体积微校价格合理的VCO产品投放市场,形成了新一代微波VCO系列1。20世纪80年代末、90年代初,移动电话迅速发展,对带封装的振荡器组件的需求也日益增长。这为VCO组件的发展提供了难得的市场机遇。随着新型无线应用领域的不断发展,各VCO组件厂商开发了适合不同应用领域所需频率的产品。由于表面安装元件的不断小型化,新开发的VCO组件的尺寸也越来越小,成本也越来越低。VCO组件在15年中其尺寸急剧减小,满足了蜂窝电话等新型无线移动装置对小型化的要求。20世纪90年代末期,出现了一种尺寸更小、成本更低的VCO技术,这就是单片集成VCO技术。单片集成VCO是一种半导体集成电路器件,其全部电路元件均集成在同一芯片上。这种器件像VCO组件一样,是一个完整的VCO,具有封装和外引线。首批单片集成VCO采用2英寸GaAsIC工艺和单片微波集成电路(MMIC)技术制造,是为卫星接收机和雷达系统研制的。其工作频率高达数GHz,但成本高昂。大多数早期单片GaAsVCO的研究工作都是针对军事应用展开的,很少涉及民用领域。在20世纪80年代,SiIC技术还是一种低频技术,不能为单片集成VCO提供上千兆赫兹的工作频率和所需的带宽2。经过研究与开发,1990年SiIC技术在高频化和无源元件集成方面获得重大进展,开发成功工作频率很高的晶体管、变容二极管和单片集成的高Q值电感器与高频电容器。压控振荡器的电路设计第3页共32页这为高频硅单片集成VCO的研究与开发奠定了技术基础。无线移动通信系统的发展,要求大批量提供成本低、体积小、工作在800~2500MHz频段的VCO。人们为此开展了大量的研究与开发工作。硅单片VCOIC由高频双极晶体管IC技术和SiCMOSIC技术研制而成。在硅单片VCOIC的研制过程中,学术研究机构通常采用获得广泛应用的SiCMOSIC技术,而工业界则采用RFIC专用的BiCMOS技术。硅单片集成VCO体积更小、成本更低并适合大批量生产的产品,而且可以采用RF收发前端的工艺技术进行制造。这表明,VCO可以与混频器、低噪声放大器、锁相环等其他RF收发前端的功能电路模块实现集成。正是由于硅单片VCOIC具备这些潜在的优势,尽管早期产品性能欠佳,但人们对它的研究工作一直没有停顿。通过不断改进,其产品已广泛应用于无绳电话、蓝牙装置、WLAN、GPS、DBS等无线装置与系统之中。单片集成低相位噪声SiGeVCO技术近年来,SiGeBiCMOS技术的发展令人瞩目,现已成为单片集成VCO最有前途的制造技术。用SiGeBiCMOS技术制造的单片集成VCO具有相位噪声低等众多优异性能,可完全满足GSM.CDMA.WCDMA和无线LAN等现代无线电通信系统的要求。SiGeBiCMOS技术具有一系列优于SiBiCMOS技术和GaAsIC技术的性能,现已在无线通信系统IC芯片制造中获得广泛应用。SiGeBiCMOS技术采用SiGeHBT作有源器件,这是它与常规SiBiCMOS技术的主要区别。SiGeHBT是基区为SiGe应变层。发射区和集电区为硅的异质结双极晶体管,具有工作频率高。基极电阻低。击穿电压高等优异特性,其微波特性尤为突出。SiGeHBT的特征频率已达到210GHz的高水平。在微波频段,SiGeHBT已成为GaAs器件的竞争对手。此外,SiGe的制造工艺可以同常规SiIC工艺相兼容。这种工艺兼容性使SiGe器件可以沿用硅大圆片IC的生产设施来进行制造。其生产成本比GaAsIC技术低得多。利用SiGeBiCMOS技术容易在同一芯片上实现无线通信系统的RF前端。基带信号处理电路和数字信号处理电路的集成。采用SiGeBiCMOS技术制造单片集成VCO有许多优点,尤其在VCO相位噪声的降低方面作用突出。SiGeBiCMOSHBT改进了相位噪声本底电平和小频偏相位噪声。VCO的相位噪声本底电平由有源器件的散粒噪声。振荡电路中有源器件与无源器件的热噪声和偏置电路的注入噪声共同决定。SiGeHBT不仅特征频率很高,而且噪声系数很小,对设计低相位噪声VCO特别有利。有源器件的最小噪声系数是决定VCO噪声本底电平高低的主要因素。小频偏相位噪声主要同VCO振荡电路的加载Q值。VCO有源器件的闪烁噪声与角频率有关。SiGeHBT的闪烁噪声小,角频率也很低。这对降低压控振荡器的电路设计第4页共32页小频偏相位噪声十分有利。SiGeBiCMOS技术除了能制造性能优良的HBT之外,还能制造优质无源元件。这些片上集成的电感器,电容器等优质无源元件也为设计制造单片集成低相位噪声VCO创造了有利条件。SiGeBiCMOS技术发展至今,已经形成0.5mm.0.25mm和0.18mm三代不同水平的SiGe技术。运用SiGeBiCMOS技术研究,开发单片集成VCO,已经取得了许多成果。有三种全集成VCO业已开发成功,其芯片均采用0.5mmSiGeBiCMOS生产工艺制造。今后,VCO技术的研究与开发工作将继续围绕VCO组件和单片集成VCO展开。但是,全集成单片VCO技术是研究工作的重点,也是未来VCO技术的发展方向。为了适应现代无线系统发展的要求,VCO组件不断向小型、高频、宽带、高输出化和特性多样化方向发展。将采用新的超小型元件和更先进的薄膜技术与表面安装技术,继续推进VCO组件封装的微型化和表面安装化。通过晶体管的改进及振荡电路的开发,解决好小型化带来的谐振器Q值降低的问题和低功耗引起的特性劣化问题。第四代移动电话以及其他工作在微波频段高端的无线系统需要VCO组件进一步提高工作频率,实现VCO组件的高频化。开发工作频率更高的微波VCO组件是未来十分重要的研究课题。SiGeBiCMOS等RFIC基础工艺技术正在不断发展与进步。半导体工艺制造有源器件与无源器件将具有更好的性能。现在,即使用Si工艺技术,也可制得Tf超过50GHz的晶体管和高Q值、大电容变比、低串联电阻的优质变容二极管。这类工艺技术还具有衬底损耗低、金属化层厚、器件寄生元件少等特点。利用这类工艺技术可以制造相位噪声低、工作频率高、工作电流小的单片集成VCO。现代无线系统,尤其是现代无线移动通信系统,不仅要求VCO自身小型化和低成本化,而且希望VCO能同频率合成器与收发机的其他单元电路进行单片集成,以达到减小整机体积和成本的目的。此外,单片集成VCO的设计理论也在深化,设计技术也越来越先进。差分放大器、幅度控制、二次谐波抑止器、IC耦合变压器、复合振荡器、高频结构设计等技术正不断被纳入单片集成VCO的设计之中。利用单片集成VCO技术把优质VCO同收发机电路集成在一起的新产品不断问世3。VCO发展至今已有80多年的历史,从早期的电子管VCO,经过分立晶体管VCO,VCO组件,最终实现VCO的单片集成。VCO是频率源的关键器件,已广泛应用于各种电子系统之中。VCO的性能对电子系统有决定性的影响。现代无线移动通信系统的发展促进VCO高频化,形成了新一代微波VCO。VCO组件和单片集成VCO是微波VCO的主要结构形式,是目前无线系统采用的主流产品。虽然,在总体性能水平方面,压控振荡器的电路设计第5页共32页单片集成VCO目前还不如VCO组件好,但它具有集成优势,仍然是VCO未来发展的方向。在RFIC工艺技术中,SiGeBiCMOS技术是单片集成VCO最有前途的制造技术。1.2集成运算放大器原理及组成运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,虽然各中不同的运放结构不同,但对于外部电路而言,其特性都是一样的。运算放大器一般由4个部分组成,偏置电路,输入级,中间级,输出级,其中输入级一般是采用差动放大电路(抑制电源),中间级一般采用有源负载的共射负载电路(提高放大倍数),输出级一般采用互补对称输出级电路(提高电路驱动负载的能力),这里只是简单的介绍一下,具体的实现比较复杂4。运算放大器的性能指标包括5个,开环差模电压放大倍数,最大输出电压,差模输入电阻,输出电阻,共模抑制比CMRR。(开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。最大输出电压是指它是指一定电压下,集成运放的最大不失真输出电压的峰峰值。差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小,要求它愈大愈好。输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力,其定义同差动放大电路,CMRR越大越好。)但是我们涉及到的只是要求输入端等效电阻无穷大,开环增益无穷大5。图1.2运算放大器特性曲线图1.3运算放大器输入输出端图图1.2是运算放大器的特性曲线,一般用到的只是曲线中的线性部分,如图1.3所示。U对应的端子为,当输入U单独加于该端子时,输出电压与输入电压U反相,故称它为反相输入端。U对应的端子为+,当输入U单独由该端加入时,输出电压与U同相,故称它为同相输入端。输出0UAUUA称为运算放大器的开环增益(开环电压放大倍数)。在实际运用经常将运放理想化,这是由于一般说来,运放的输入电阻很大,开环增压控振荡器的电路设计第6页共32页益也很大,输出电阻很小,可以将之视为理想化的,这样就能得到iR,00R,A。由A得到UU,于是两个输入端可以近似看作短路(称为虚短),如果同向输入端接地,反向输入端与地几乎同电位(称为虚地)。由iR可知,输入端电路近似等于0,故可把输入端看作是断路(称之为虚断)6。集成运算放大器由输入级,中间级,输出级和偏置电路组成,如图1.4。图1.4运算放大器组成1输入级高性能差放电路,输入电阻大,共模抑制比大,静态电流小。2中间级复合管共射电压放大电路,提供电压放大。3输出级互补对称输出电路,带载能力强,失真小。4偏置电路电流源电路,提供合适的静态工作点。1.3论文的研究内容本课题的主要研究内容是采用集成运算放大器设计压控振荡器的电路,并使用EWB仿真工具对其进行仿真。包括压控锯齿波发生器电路、压控矩形波发生器电路、压控三角波发生器电路、压控方波发生器电路。所设计的电路应具有相应的功能及较好的性能。设计中要掌握电子电路设计的基本方法包括设计步骤、设计公式、参数计算及电子元器件的选择,掌握EWB在电子电路设计中的应用。压控振荡器的电路设计第7页共32页2EWB2.1EWB概述及其使用经验ElectronicsWorkbench简称EWB即虚拟电子实验台。它是加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出的以Windows为系统平台的电路分析和设计软件,适用于板级模拟/数字电路的设计工作。用电子模拟仿真软件EWB分析、设计电路,具有工作界面优化、直观的特点,比较符合电路设计的一般步骤,而且实验数据曲线比较完整,具有较强的电路仿真分析能力,电路设计者在设计电路过程中,可以不断地修改电路和参数,即时观察输出结果并进行仿真调试,用电子模拟仿真软件EWB进行电子电路设计的最大优点是可以节约大量的时间和资金,尤其是在电路设计完成后进行电路仿真分析时,不用担心元器件和电子仪器的损坏。EWB主要是利用电子计算机的计算功能来完成对模拟电路、数字电路、混合电路的性能仿真和分析。当其在电子工作实验平台上创建一个电路图后,系统便可启动电子工作实验平台上的电源开关,并选择适当的仿真分析方法,来从示波器等虚拟仪器上看到仿真分析结果。EWB提供了4种模拟虚拟仪器数字万用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪和3种数字虚拟仪器字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪因而能提供多种仿真分析方法,并可根据仿真电路、仿真目的和要求进行选择。这些仿真分析方法主要有直流工作点分析、瞬态分析、失真分析、参数扫描分析、交直流灵敏度分析、传函分析等7。EWB是介于电子线路理论设计及实际运作之间的有效虚拟工作平台,它不但具备电路设计的功能,还能对整个电路信号及系统进行仿真分析。用它设计的电路原理图可直接输出给目前流行的电路辅助设计软件,如Protel、Orcad等,以用来设计印制电路板。但在实际操作中,也发现了EWB一些不尽如人意的地方,具体如下1EWB缺少undo功能,这使得实际操作过程中出现了一些不便。2EWB会自动调整布线并无法禁止此功能,这样就无法完全按照设计者的要求走线。3创建子电路图是一个不可逆过程,在搭建一个比较复杂的系统时,通常我们采用创建子电路的方法来使电路得到简化,但是,EWB的子电路创建过程是一个不可逆的过
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zhuanyunshi上传于2013-11-21

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