负阻原理设计分析论文

1、负阻原理设计分析论文 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180MHz210MHz。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，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

2、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 振荡的平衡条件是 RIN+RL=0（2） XIN+XL=0（3） 2设计与仿真 21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

3、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25V。 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C4 从图4(a)的仿真结果可以看出，在200MHz附近，及RIN+RL 22相角补偿 三极管振荡器要满足相位平衡条件：Y+Z+F=2n(n二0，1，2，3，)，由于Y+F通常不等

4、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Z来对Y和F，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 由参考文献3可知，在集电极串入一个电感为Lc=-L/F的补偿元件，就可以实现相角补偿(Z=0)。其中，L为谐振回路电感值，F为反馈系数，即F=C7/6。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。

5、当输出回路等效为电容时，通过实际测量，在频率21464859MHz上的稳定度为93631e-4；而等效为电感时，在21426046MHz上的稳定度为42278e-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。 图4 从图5可以看出，压控振荡器的输出频率范围为175MHz217MHz，基波(频率为214MHz时)输出功率为7911dBm，二次谐波为-16368dBm，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

6、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。 23相噪分析 参考文献5给出了LC压控振荡器的相位噪声表达式： 式中，fm为频偏，KVCO为VCO控制灵敏度，f0为振荡频率，Q为品质因数，F为晶体管的噪声系数，K为波尔兹曼常数，T为工作温度，Ps为振荡信号功率，fc为闪烁噪声拐角频率，Vm为低频噪声源的总幅度。从式(5)可以看出，选择噪声系数小的放大管、增加谐振回路有载Q值、减小VCO控制灵敏度、提高输出信号功率都可以降低相位噪声。通过减小变容管在谐振回路中的接入系数，可以有效减小VCO控制灵敏度，但是也会导致频率覆盖范围的减小，所以要适当选择接入系数。该VCO输出频率为2

7、00MHz时，变容管接入系数为063。通过适当调整输出回路的电感和分压电容，可以提高负载阻抗，从而有效地提高输出功率，以达到降低相位噪声的目的。通过软件仿真，在频偏10kHz处的输出相位噪声为-1013dBcHz，在100kHz处的相位噪声为-1225dBcHz。 图5 3调试与测量 在软件仿真的基础上，将元件参数做些细微调整，就可以获得满意的结果。通过测量，可以得到如下性能参数： (1)频率范围：175MHz213MH (2)调谐灵敏度：7MHzV (3)电源电压：5V (4)工作电流：10mA (5)控制电压：05V (6)输出功率：68dBm (7)相位噪声：-95dBc，-115dBc 从图(7)的测量结果可以看出，频率范围、输出功率和相位噪声等指标与软件仿真结果一致。 根据负阻原理，利用ADS仿真可以快速地设计出高稳定度、低相噪的超高频段VCO。这种方法简单、便捷，由于元件具有误差，仿真之后做些细微调整