基于Multisim11的压控振荡电路仿真设计文献综述

1、 毕业设计（论文）文献综述毕业设计题目 ： 基于Multisim11的压 控振荡电路仿真设计 所在学院： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 合作导师： 日期： 2013 年 10 月 31 日7文献综述一、前言通过对各种文献的查阅，使自己懂得了压控振荡电路在各个方面中应用的重要性，压控振荡器顾名思义就是输出的振荡频率随着输入控制电压变化的振荡器。众所周知的电抗管振荡器已用于短波接收机等的本振自动频率控制及调频器中。采用压控振荡器的还有自动相位控制电路,以及遥测装置中作为电压一频率变换器的传感器等许多方面, 目前通讯工程的各个领域也正在广泛采用。近年来, 由锁相环构成的时钟稳定电路、频率

2、合成器以及时钟数据恢复电路得到了广泛应用. 压控振荡器( Voltage-Controlled Oscillator, VCO) 作为锁相环中的核心部分, 对它的研究近些年得到了特别的关注. 功耗的降低一直是集成电路设计的一个努力方向, 因此, 低电压低功耗的压控振荡器的设计成为研究热点.常见的VCO有LC压控振荡器、环形振荡器和晶体压控振荡器( VCXO)。LC 压控振荡器可获得很好的相位噪声特性, 良好的稳定性, 并且振荡频率极高( 达几吉赫兹) , 然而由于可调电容部分占电路总电容的比例很小, 造成此种振荡器的频率调节范围不大。目前主流的CMOS 工艺在片上集成高Q值的电感也比较困难,而

3、且往往不能提供精确的电感模型. 环形振荡器线性度好, 功耗小, 成本低, 易于集成, 调节范围宽, 结构简单易于实现, 基本组成单元可以是反相器或差分对. 由于环形振荡器不使用电感, 所以和CMOS 工艺兼容性非常好。但是环形振荡器稳定性不如LC 压控振荡器, 而且随电压的波动, 输出变化太快, 不容易控制. 晶体压控振荡器( VCXO) 工作频率很准、稳定, 仅与所选定晶体器件有关。但成本较高( 相对民用消费类产品) ,一般用于特殊要求或与时钟、仪表、军工及通讯类产品合用。二、主题部分1、环形振荡器通过对这几篇关于环形振荡器设计的文章可以了解到基于环形振荡器结构简单易于集成而且功耗低的优点,

4、 文中提出了一个全差分环形压控振荡器的设计方案, 通过调节交叉耦合晶体管对的电阻值来对压控振荡器进行频率调节, 该电路工作于1.8V的低电源电压下, 具有良好的线性度、较宽的线性范围以及较高的工作频率. 大多数应用要求振荡器频率为可调的, 即其输出频率是一个控制输入的函数, 这个控制输入通常是电压, 这样的振器就是压控振荡器(VCO)。图1为一个理想VCO 的振荡频率与输入控制电压关系的特性曲线。.图1 理想VCO 的振荡频率与输入控制电压关系曲线由于SMIC 0.18Lm CMOS 工艺不支持制作集成电感和变容二极管的工艺, 也不提供相应器件的模型, 因此, 设计的VCO电路采用常用的环形V

5、CO结构。再考虑到全差分结构比单端结构对共模噪声抑制能力更强, 本设计最终选用全差分环形VCO。压控振荡器( VCO) 是锁相环的核心部件,文中设计了一种可于低电压下应用的四级全差分环形压控振荡器,基于SMIC 0. 18Lm CMOS 工艺仿真得到VCO 输出摆幅为500mV,中心频率为635MHz,输出频率范围较宽,在整个电压调节范围内,输出摆幅变化不超过20mV,压频增益的线性度非常好, 此电路功耗较低, 仅为6mW, 振荡在中心频率时的均方根抖动3.91ps。该VCO 可应用于锁相环构成的时钟稳定电路,锁相环型频率合成器以及时钟数据恢复电路中。2、晶体管压控振荡器电路VCO 电路结构有

6、多种, 考虑到调试方便与成本,这里选择晶体管压控振荡器电路, 具体的电路原理图如图2所示, 主要由谐振网络、晶体管放大电路和输出反馈网络3 部分组成。根据指标要求, 晶体管选用低噪声NE68119 ,其工作频率可达到3 GHz, 变容二极管SMV1251( 工作电压为0到8 V, 结电容为37.35到2.03 pF) ,电阻R3为反馈电阻, 用于改善系统稳定系数, L2到L7 均为扼流圈, 提供变容二极管偏置电路通路, C8 为反馈电容, 两个变容二极管反向串接可减小寄生调制。输出端的总相位噪声L( fm) 随QL值的增大而减小,信号取至放大器输出端时, 总相位噪声L ( fm) 为式中, f

7、m、f0、fc为偏离载频、载频标称频率和三极管放大电路的拐角频率, F为放大器的噪声系数,K为波尔兹曼常数,T为绝对温度,PSi为信号功率。根据VCO的设计指标和三极管NE68119的参数,在要求的相位噪声指标下,品质因素QL达到540。采用ADS2006A 对路的相位噪声进行仿真,通过建立相位噪声仿真模型, 射频信号源提供11075GHz的射频信号, 经过噪声调制器调制, 再传输给解调器, 最后得到噪声信号。图2 基于变容二极管的压控振荡器低噪声晶体管NE68119工作于+5 V, 需要考虑直流偏置设置、增益和稳定系数3个方面。通过对三极管的建模与仿真, 在三极管的集电极与发射极间增加交流反

8、馈电路, 提高稳定系数, 并调整相关电路参数, 使得Ic= 611 mA时, 稳定系数均大于1,增益达到10dB,最后得到如图1 所示的完整电路。3、利用电容充放电的电压一频率变换器利用电容充放电的压控振荡器也包括上述不稳多谐振荡器的压控振荡器, 除此之外, 还有许多形式/图3 示出一种典型电路。该电路的基本工作原理由图4 来说明。晶体管么作为恒流源来给电容充电, 该电流约和输入电压成正比。因电容充电, A 点电位上升, 但当它到达某一数值时, QZ 这个“ 开关” 就闭合, 电容就放电。此开关短时间闭合后又打开, 电容器又充电。电路重复这一过程, 就产生振荡。重复周期由电容器的充电电压从某一

9、数值到达另一定值的时间所决定。但它大体上和Q, 的充电电流成反比。因此如果用输入电压来改变充电电流时, 就可以改变振荡频率。图9 就是其实际电路。其中心, , 仇分别是电容器的充电电流源和放电开关, 工作过程如前所述。么么组成单稳态多谐振荡器, 产生闭合开关(吼)的控制信号。电容器充电时, 图中A 点的电位升高, 当比B 点的电位高时, 二极管D 、导通, 单稳态多谐振荡器就翻转。单稳态多谐振荡器的输出通过二极管几将晶体管姚接通, 使电容器放电。此电路的优点是, 频率可调范围极宽, 在一定参数下可达。0.5 一500赫的变化范围,而且输入输出之间的线性关系很好。图4 电路的工作原理图图3 利用

10、电容充放电的压控振荡器4、555集成电路基于振荡的典型电路由555集成电路构成的振荡器,以其简洁的电路形式和较高的性能价格比, 在很多领域得到广泛应用。图5为常用的振荡器连接方法,定时电阻为Ra和Rb,其连接点接到555的DIS 端(7 脚) , C 为定时电容。开机加上电源电压Vcc时,内部触发器被复位,输出翻转为低电平,DIS端内部导通,使C通过Rb放电。当C上电压Vc=1/3Vcc时。内部触发器被置位,输出又翻转为高电平,DIS内部截止。一个周期结束, 新的振荡周期重新开始。电容C在充电和放电过程中,其电压在1/3Va到2/ 3Vcc之间变化。图5 由555构成的基本振荡器及翰出波形在图

11、6 中, R 应满足R大于等于10千欧这一条件, 以免因充放电电流过大使输出电压下降太多。RL 的作用是提升高电平输出电压, 使其接近Vcc,对555型可用10千欧 电阻,对7555型可用10千欧左右。应充分注意的是, 在输出驱动较重负载时。输出电压的峰峰值将变小且不稳定, 输出的占空比和频率也将受到影响。图6 占空比为l/ 2 的方波振荡器5、用两只运放构成的压控振荡器电压/频率转换是模数转换技术不可缺少的部分。在仪器仪表, 自动控制中得到广泛的应用, 步进电机驱动中更是经常碰到。一般的电压/频率转换线路都比较复杂, 市售的压控振荡IC电路价格较昂贵。这里介绍一种简单的线路用两只运放构成的压

12、控振荡器, 稳定、低廉而有效, 很实用。图7是原理图。它看起来有些象三角波发生器, 其实它除了输出窄脉冲外, 也输出同频的锯齿波。频率正比于控制电压U in, 运放施加正负电源电压: VSS= - VCC 。“ 7”点是脉冲输出端。图7 两只运放组成的压控振荡器三、总结由于本次的毕业设计压控振荡电路的控制电压为1V-10V。压控振荡电路的频率范围在200Hz-1KHz。所以在压控振荡电路的选择上就要考虑到控制电压的范围问题，还有就是频率控制和精度方面也要考虑到位。在我选择的几篇文章中，只是很简单的介绍了压控振荡电路的组成结构以及原理，具体参数的确定还需要进一步的查阅资料进行分析计算，压控振荡电路有很多种，我将在我的毕业设计中选择和参考一种最适合的电路去完成我的毕业设计。参考文献1宋强,实验师,主要从事应用电子技术专业的教学和实验工作.555集成电路基于振荡的典型电路分析和改进.丹东纺专学报（2002）04.2熊俊俏, 夏敏.900MHz压控振荡器设计.武汉工程大学电气信息学院,武汉430073.3EEE杂志社，电子线路设计手册，国防出版社，154.4伍翠萍,何波,于