实验09：压控振荡器.doc

实验九：压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator）*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1MOTECH RF2000 测量仪1套亦可用网络分析仪2压控振荡器模组1组RF2KM9-1A350 BNC及1M BNC 连接线4条CA-1、CA-2 、CA-3、CA-44直流电源连接线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（Graded Junction）、突变结（Abrupt Junction）、超突变结（Hyper Abrupt Junction）。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（Characteristic Exponent，r）的不同，导致其容值-电压对数曲线图（C-V Curve）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（Phase Noise）特性，且其调整电压（Tuning Voltage）的范围也比较宽，大约在060V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（Offset Frequecy）下的相位噪声越低者则其频谱纯度（Oscillation Purity）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）。Abrupt Junction ( r =1/2 )Graded Junction ( r =1/3 )ln Cln VRHyper Abrupt Junction ( r = 15) 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（92）及（9-3）分别是电容值变率（Capacitance Ratio）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逆向偏压。 势垒电压。在硅晶体二极管（Silicon）上是=0.50.7V，而在砷化镓（GaAs）二极管上则=1.2V。 r特性指数（Characteristic Exponent），视二极管结构不同而不同，一般 在0.35之间。 （2）电容值变率（Capacitance Ratio）： （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V1V2。 (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M以上。 Rs 变容二极管的主体电阻。一般很小，约1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SIEMENS Semiconductor Group Data Sheet ,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=470MHz情况下的等效电Q值为： （经查表得CV=11pF，Rs = 0.65,max，Ls = 2nH） 压控振荡器中的谐振电路设计方法：由主题八可知振荡器的谐振电路大多由电容构成，故可以将变容二极管取代部分电容，再加上稳压电路，即可将振荡器修改成压控振荡器。其修改后的谐振电路如图9-3所示。其设计步骤如下： AC GND 图9-3VCO谐振电路假设 fmax =VCO最大输出频率 fmin =VCO最小输出频率步骤一：选用电路结构 首先计算FR = fmax / fmin（1） 若FR1.4，则选用变容二极管与一个固定值电容串联的电路结构。（2） 若FR1.4，则选用宽频电路结构，即是使用两个变容二极管的并联的电路结构。 步骤二：判断VCO电路是单独应用还是应用于锁相回路中？（1） 若单独应用，则需要使用可变电容（Trimmer）来调整Fmax，及固定值电容来增加温度补偿（Temperature Compensation）。（2） 若与锁相回路并用，则可以不用可变电容与固定电容，除非有其他回路效应的参量。 步骤三：估算等效谐振电容Cr。 Cr = 固定电容可调电容有源元件等效电容离散电容 可以利用下表估算。VCO输出频率有源元件与离散等效电容的估算值常用可调电容0.1-0.5 MHz15 pF10 pF0.5-30 MHz10 pF5 pF30-100 MHz5 Pf5 pF100-200 MHz4 pF3 pF200-1000 MHz1-3 pF1-2 pF步骤四：计算最大调整电容CT,max。 其中FR与Cr 的值可由步骤一与步骤三获得，而Cmin可由厂商提供的可容二极管的元件资料中取得，且其对应的最大电容值Cmax 必须比最大调整电容CT,max稍大些。步骤五：计算谐振电感L。 可以参考下列的设计经验表来选定适当的谐振电感值，以避免选用的变容二极管的Cmin值过小不实际。 VCO输出频率（MHz）揩振电感值0.2-1.010-1500 uH0.5-2.010-1000 uH2-150.1-1000 uH10-1000.08-25 uH50-20040-400 uH200-10008-40 uH步骤六：决定R与Cs值。电阻R与旁路电容（Bypass Capacitor）Cs的主要作用是阻隔调谐电路与射频电路的耦合干扰。R值太小则不能有适当的解耦（Decoupling）效果，而太大则会因变容二极管的漏电流的交流成分而造成噪声调制（Noise Modulation）。在特殊情况下，可以用射频抑阻器（RF Choke ，RFC）来取代。一般实际应用上，R值约是30K左右，而Cs值则视振荡频段而不同，约在101000之间。五、硬件测量：1 对MOD-9,压控振荡器的频率测量以了解压控振荡电路的特性。2 准备电脑、测量软件、RF-2000,相关模组，若干小器件等。3 测量步骤:MOD-9之P1端子的频率测量： 设定 RF-2000测量模式：COUNTER MODE. 用DC-1连接线将RF-2000后面12VDC 输出端子与待测模组之12VDC输入端子连接起来。 针对模组P1端子做频率测量。 调整模组之旋钮，并记录所量测频率值： 最大_ MHZ。 最小_ MHZ。4 实验记录：填写各项数据即可。5 硬件测量的结果建议如下为合格：RF2KM9-1A MOD-9 fo 600-900MHZ Pout5dBm6 待测模组方框图:六、软件仿真：1、进入微波软件MICROWAVE。2、在原理图上设计好相应的电路，设置好端口，完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。3、最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。 4、电路图(推荐为下面实例分析中的VCO电路)：七、实例分析：设计一个调整电压Vtune为0-20VDC，且输出频率范围为200-400MHz的VCO。设计说明：由于VCO输出频率范围有一倍频宽，即FR=2，所以需要较低的杂散电容。选用Q值较高的变容二极管KV2101。从元件规格中可查得其电容值变化为Cmax=c（0V）=21.03 pF，应可符合倍频输出的要求。Cs设为39pF，这个电容值应微调以获得最佳值。由上述公式可计算出Cr = 1.66PpF 及L = 41nH。其完成电路如下图所示。测试数