VCO原理及测试

1、VCO原理及測試原理及測試Guofu zhu2003.8VCO的用途的用途VCO也被稱為也被稱為“電壓控制振盪器電壓控制振盪器”是無線電是無線電通訊設備中不可缺少的基本部件。通訊設備中不可缺少的基本部件。a VCO是構成是構成“鎖相環鎖相環”的重要電路之一。的重要電路之一。 “鎖相環鎖相環” 有許多獨特優異的特性是現代有許多獨特優異的特性是現代通訊設備中的關鍵部件。通訊設備中的關鍵部件。b用用VCO作為作為“本地振盪器本地振盪器” 可以構成各種可以構成各種接收機特別是接收機特別是“頻率搜索式接收機。頻率搜索式接收機。 cVCO可以用來構成可以用來構成“頻率調制和相位調制頻率調制和相位調制”電電

2、路。路。 VCO基本原理基本原理VCO電路的構成電路的構成 VCO由放大電路反饋電路頻率可調節的選由放大電路反饋電路頻率可調節的選頻電路緩沖電路頻電路緩沖電路(不是必須的不是必須的) 組成。組成。其中放大電路和反饋電路及選頻電路共同組成其中放大電路和反饋電路及選頻電路共同組成振蕩電路用于產生振蕩信號。緩沖電路一方振蕩電路用于產生振蕩信號。緩沖電路一方面對振蕩電路產生的信號進行放大另一方面面對振蕩電路產生的信號進行放大另一方面隔離負載與振蕩電路之間的直接聯係減小負隔離負載與振蕩電路之間的直接聯係減小負載對振蕩電路的影響。載對振蕩電路的影響。振蕩的建立與輸出頻率的確定振蕩的建立與輸出頻率的確定振蕩

3、的建立振蕩的建立當電源開關閉合振蕩電路的電源被接通當電源開關閉合振蕩電路的電源被接通的瞬間振蕩電路各部份電壓迅速建立起來的瞬間振蕩電路各部份電壓迅速建立起來若這個上跳電壓加到由若這個上跳電壓加到由LC組成的選頻電上組成的選頻電上將使將使LC電路產生正弦自由振蕩電路產生正弦自由振蕩U1電壓電壓U1經放大電路放大後得到電壓經放大電路放大後得到電壓U2電壓電壓U2經經反饋電路被反饋到放大電路的輸入端若這個反饋電路被反饋到放大電路的輸入端若這個被反饋的電壓其相位與初始輸入電壓被反饋的電壓其相位與初始輸入電壓U1相位相相位相同或相差同或相差2且幅度大於且幅度大於U1經放大電路再次經放大電路再次放大後將使

4、放大後將使U2進一步加強則進一步加強則U1加強再放加強再放大再反饋如此循環振蕩不斷增長起來。大再反饋如此循環振蕩不斷增長起來。振蕩頻率的確定振蕩頻率的確定 眾所周知眾所周知LC電路的諧振頻率為電路的諧振頻率為 可以看出如果改變可以看出如果改變L或或C的數值諧振頻率的數值諧振頻率f將隨將隨之改變。之改變。另外并聯諧振電路還有一個重要的性質另外并聯諧振電路還有一個重要的性質式中式中 Z 為為LC并聯電路阻抗電路諧振時并聯電路阻抗電路諧振時 Z 得得到最大值。這就意味著只有反饋電壓的頻率與到最大值。這就意味著只有反饋電壓的頻率與LC并聯電路之諧振頻率并聯電路之諧振頻率 f 相等才能在相等才能在LC并

5、并聯電路兩端獲得較高電壓聯電路兩端獲得較高電壓U1其它頻率份量的電其它頻率份量的電壓信號將被迅速衰減掉。如此壓信號將被迅速衰減掉。如此VCO經過數個週期經過數個週期的反饋循環後與的反饋循環後與LC電路諧振頻率相等的那電路諧振頻率相等的那個電壓信號增長起來其它都被衰減個電壓信號增長起來其它都被衰減VCO的振的振蕩頻率被確定在蕩頻率被確定在LC電路的諧振頻率上。電路的諧振頻率上。 在電路諧振時上式虛部必為零。因此在電路諧振時上式虛部必為零。因此 振蕩頻率的調節振蕩頻率的調節變容二極管變容二極管是一種特殊的二級管變容二極管變容二極管是一種特殊的二級管將它作為可變電容應用時應在其兩端加反將它作為可變電

6、容應用時應在其兩端加反向偏置電壓若改變加在它兩端偏置電壓大小向偏置電壓若改變加在它兩端偏置電壓大小變容二極管的變容二極管的PN結電容將隨之變化結電容將隨之變化式中式中C0為控制電壓為控制電壓Uc =0時的基本電容。時的基本電容。Vd為接觸電位。為接觸電位。n為變容指數與變容二極管為變容指數與變容二極管PN結的結結的結構有關。構有關。Uc為加在變容二極管兩端的為加在變容二極管兩端的 振蕩頻率的調節在振蕩頻率的調節在VCO中我們用一個變容二極管中我們用一個變容二極管代替代替LC電路中的電容電路中的電容C通過改變變容二極管兩通過改變變容二極管兩端的電壓來改變變容二極管電容值的大小從而達端的電壓來改變

7、變容二極管電容值的大小從而達到改變到改變VCO輸出頻率之目的。輸出頻率之目的。電路原理圖及各主要元器件作用電路原理圖及各主要元器件作用 Q1為振蕩三極管。為振蕩三極管。 Q2為緩沖三極管。為緩沖三極管。 C1VT濾波電容用來濾除濾波電容用來濾除VT中的雜訊。中的雜訊。 L1為一扼流圈有時用一為一扼流圈有時用一1/4微帶線代替。微帶線代替。 C2一方面起隔離直流作用另一方面可調節頻一方面起隔離直流作用另一方面可調節頻寬。寬。 VCO電路圖電路圖C3一方面起隔離直流作用另一方面在諧振電路與有源電路一方面起隔離直流作用另一方面在諧振電路與有源電路之間起能量交換作用。之間起能量交換作用。C4C5為交流

8、分壓電路為交流分壓電路C4兩端分得的電壓為振蕩三極管提兩端分得的電壓為振蕩三極管提供維持振蕩所必須的反饋電壓供維持振蕩所必須的反饋電壓(想扩充想扩充P-NOISE的宽度时，调节的宽度时，调节两者两者)。C6一方面起濾波作用另一方面與一方面起濾波作用另一方面與C5串聯與串聯與C4組成交流分壓組成交流分壓電路。電路。 C7為緩沖器信號輸入耦合電容。可調節為緩沖器信號輸入耦合電容。可調節VCO輸出功率輸出功率的大小。的大小。C8C9組成阻抗匹配網絡用來保證組成阻抗匹配網絡用來保證VCO與負載之間的適當與負載之間的適當匹配改變匹配改變C8 C9的大小可調節輸出功率。另外的大小可調節輸出功率。另外C8C

9、9與與L3一起組成諧振電路用來濾除輸出信號中的高次諧波。一起組成諧振電路用來濾除輸出信號中的高次諧波。C10為電源濾波電容用來濾除電源中等的雜訊。為電源濾波電容用來濾除電源中等的雜訊。L2起阻抗變換作用用于提高諧振電路的起阻抗變換作用用于提高諧振電路的Q值。值。R1R2R3R4為振蕩三極管和緩沖三極管提供靜態偏置。為振蕩三極管和緩沖三極管提供靜態偏置。D1為變容二極管與為變容二極管與C2C3C4C5C6L0共同組成諧共同組成諧振電路用于確定振電路用于確定VCO振蕩頻率。改變振蕩頻率。改變D1兩端的電壓可以調兩端的電壓可以調節節VCO輸出頻率。輸出頻率。VCO各項技術指標各項技術指標 工作頻率範

10、圍工作頻率範圍(Operating Frequency)一般形式為一般形式為(VT= a V) f x (MHz)(VT= b V) f y (MHz)當調諧電壓當調諧電壓 “VT” 在在 ab 之間變化時之間變化時VCO的輸出頻率的輸出頻率f應在應在 xy 之間變化。之間變化。調諧靈敏度調諧靈敏度(Tuning Sensitivity) 靈敏度的定義有兩種靈敏度的定義有兩種 “平均靈敏度平均靈敏度” 在整個工作頻率範圍內應在整個工作頻率範圍內應滿足滿足 其中其中ab 為為“平均靈敏度平均靈敏度” 上下限。上下限。“微分靈敏度微分靈敏度”即在整個工作頻率範圍內即在整個工作頻率範圍內均應滿足均應

11、滿足 其中其中 ab 為為“微分靈敏度微分靈敏度” 上下限。上下限。 VCO的的F-V曲線曲線輸出功率輸出功率(Power Output) 在整個工作頻率範圍內輸出功率在整個工作頻率範圍內輸出功率(Power Outp均均應滿足應滿足其中其中 ab 為輸出功率的上下限。為輸出功率的上下限。Pushing Figure 一般形式為一般形式為(VCC V) f a (MHz)在整個工作頻率範圍內當在整個工作頻率範圍內當VCC 增加或減小增加或減小V時時VCO 輸出頻率變化輸出頻率變化 f 應不大於給定值應不大於給定值“a”。 VCO局部電路圖局部電路圖Pushing Figure 產生的原因產生的

12、原因一個理想的振蕩器頻率不應隨電源一個理想的振蕩器頻率不應隨電源VCC的的變化而變化。但我們在變化而變化。但我們在VCO中使用的晶體管其中使用的晶體管其集電極集電極C與基極與基極B可等效為一個二極管當這可等效為一個二極管當這個等效二極管的反向偏置電壓發生變化時等個等效二極管的反向偏置電壓發生變化時等效二極管效二極管PN結電容將隨之變化從而導致結電容將隨之變化從而導致VCO的振蕩頻率變化。的振蕩頻率變化。減小減小Pushing figure 的方法的方法a適當選擇晶體管的靜態工作電流實踐證適當選擇晶體管的靜態工作電流實踐證明適當調整振蕩管的靜態工作狀態能使晶明適當調整振蕩管的靜態工作狀態能使晶體

13、管的體管的BC結在其反向偏置電壓發生變化時結在其反向偏置電壓發生變化時結電容變化最小。結電容變化最小。 b在在LC 諧振電路中有諧振電路中有 這裡這裡f-為諧振電路的諧振頻率改變量。為諧振電路的諧振頻率改變量。f- 為諧振頻率。為諧振頻率。C-為晶體管為晶體管 BC 結電容隨其反向偏壓的改變量。結電容隨其反向偏壓的改變量。C-為為LC諧振電路總電容量。諧振電路總電容量。上式指出當上式指出當C一定時諧振電路總電容一定時諧振電路總電容C 越越大諧振頻率的改變量大諧振頻率的改變量f越小也就是諧振頻率越越小也就是諧振頻率越不易受回路電容變化的影響。不易受回路電容變化的影響。 c儘量減小電容儘量減小電容

14、C5因為因為C5與與C串聯減小串聯減小C5 可使可使C對對LC諧振電路的影響變小。諧振電路的影響變小。Pulling Figure 一般形式為一般形式為(VSWR= abFor All Phase, Ref=50) f x (MHz)其中其中VSWR=ab 為駐波比為駐波比Ref=50為參考負載阻抗即標準負載為參考負載阻抗即標準負載x為一給定值。為一給定值。 傳輸線的幾個概念傳輸線的幾個概念 傳輸線的特性阻抗傳輸線的特性阻抗 對于無限長傳輸線有對于無限長傳輸線有 Z0 為傳輸線特性阻抗由傳輸線結構確定。為傳輸線特性阻抗由傳輸線結構確定。 R0L0G0C0 為傳輸線分佈電阻電為傳輸線分佈電阻電感

15、電導電容由傳輸線結構尺寸填充感電導電容由傳輸線結構尺寸填充介質確定。介質確定。U0I0 為傳輸線上任意點電壓和電流。為傳輸線上任意點電壓和電流。對于無損耗傳輸線有對于無損耗傳輸線有 電磁波的反射與反射係數電磁波的反射與反射係數 眾所周知當傳輸線終端負載阻抗眾所周知當傳輸線終端負載阻抗RL與與傳輸線特性阻抗傳輸線特性阻抗Z0不匹配時在負載端會不匹配時在負載端會造成入射電磁波的反射這個被反射的電造成入射電磁波的反射這個被反射的電磁波從負載出發沿傳輸線向信號源方向傳磁波從負載出發沿傳輸線向信號源方向傳播播(運動運動) 。為衡量電磁波反射的大小引。為衡量電磁波反射的大小引入反射係數入反射係數 反射係數

16、與負載阻抗的關係為反射係數與負載阻抗的關係為式中式中ZL為負載阻抗為負載阻抗Z0為傳輸線特性阻抗。為傳輸線特性阻抗。 值得注意的是值得注意的是ZL = 0或或 ZL = 時時= 1。 駐波與駐係數駐波與駐係數 駐波當傳輸線上面同時有由信號源向負載駐波當傳輸線上面同時有由信號源向負載方向傳播的入射波和由負載向信號源傳播的方向傳播的入射波和由負載向信號源傳播的反射波時在傳輸線上任意一點的電壓或電反射波時在傳輸線上任意一點的電壓或電流都是入射電壓或電流與反射電壓或電流的流都是入射電壓或電流與反射電壓或電流的代數和。這種由入射波與反射波迭加形成的代數和。這種由入射波與反射波迭加形成的電磁波被稱為駐波。

17、駐波有如下重要特點電磁波被稱為駐波。駐波有如下重要特點a在入射電壓或電流與反射電壓或電流相在入射電壓或電流與反射電壓或電流相位相同的點將出現電壓或電流的最大值位相同的點將出現電壓或電流的最大值(波波峰峰)在入射電壓或電流與反射電壓或電流相位相反在入射電壓或電流與反射電壓或電流相位相反的點將出現電壓或電流的最小值的點將出現電壓或電流的最小值(波谷波谷)。即。即 b沿傳輸線波峰和波谷的位置不隨時間而移沿傳輸線波峰和波谷的位置不隨時間而移動。動。c相鄰的波峰與波谷的距離為相鄰的波峰與波谷的距離為1/4(為波長為波長) 。 駐波係數駐波係數定義為駐波係數駐波係數定義為或或式中式中為駐波係數。為駐波係數

18、。 Umax 為駐波電壓最大值。為駐波電壓最大值。 Umin 為駐波電壓最小值。為駐波電壓最小值。 Pulling Figure 的測量的測量 a用一終端短路的傳輸線作為用一終端短路的傳輸線作為VCO的負載的負載使使VCO輸出的電壓信號在到達輸出的電壓信號在到達“短路短路” 點後點後全部被反射回來此時在全部被反射回來此時在“A”點得到反射點得到反射波電壓為波電壓為式中式中N為衰減器的衰減係數。則反射係數為衰減器的衰減係數。則反射係數 又又 由上式可見通過改變衰減器的衰減係數由上式可見通過改變衰減器的衰減係數N來調節反射係數來調節反射係數和駐波係數和駐波係數其結果相當于調節了負載阻抗。其結果相當

19、于調節了負載阻抗。 b滑動短路環改變傳輸線上面波峰和波谷的位置使滑動短路環改變傳輸線上面波峰和波谷的位置使“A” 點得到此狀態下最大點得到此狀態下最大(波峰波峰)電壓值電壓值Umax和最小和最小(波谷波谷)電壓值。電壓值。c從頻率計上面讀出短路環滑動過程中出現的頻率最大從頻率計上面讀出短路環滑動過程中出現的頻率最大值和最小值其差值即是值和最小值其差值即是Pulling Figure。相位噪聲相位噪聲(Phase Noise)一般形式一般形式 (C/N) (At “a” KHz Offset) 相位噪聲相位噪聲 - b dBcC/N 為載波功率于相位噪聲功率之比是為載波功率于相位噪聲功率之比是P

20、hase Noise 的定義。的定義。At “a” KHz Offset 相對于載波的頻率偏移。相對于載波的頻率偏移。基本概念基本概念 頻率調制信號與相位調制信號的頻譜頻率調制信號與相位調制信號的頻譜 a頻率調制信號的一般表達式頻率調制信號的一般表達式若調制信號可表示為若調制信號可表示為 則調頻已調信號的表達式為則調頻已調信號的表達式為 其中其中 0載波角頻率。載波角頻率。 已調頻信號峰值頻偏。已調頻信號峰值頻偏。 對于窄帶調頻且調制信號為正弦波時其頻譜對于窄帶調頻且調制信號為正弦波時其頻譜近似為近似為 若調制信號為非正弦的非週期信號則已調頻若調制信號為非正弦的非週期信號則已調頻信號的頻譜為信

21、號的頻譜為 b相位調制信號相位調制信號相位調制信號與頻率調制信號極為相似相位調制信號與頻率調制信號極為相似因為相位因為相位(t)是角頻率是角頻率(t) 在時間在時間t內的積分。內的積分。所以頻率調制與相位調制可以相互轉化。相所以頻率調制與相位調制可以相互轉化。相位調制信號與頻率調制信號有相似的頻譜。位調制信號與頻率調制信號有相似的頻譜。 VCO相位噪聲產生的原因及表達式相位噪聲產生的原因及表達式 相位噪聲產生的原因極為複雜我們知道相位噪聲產生的原因極為複雜我們知道VCO是一個靠改是一個靠改變外加控制電壓大小來改變振蕩頻率的振盪器而變外加控制電壓大小來改變振蕩頻率的振盪器而VCO電路電路中的各種

22、電子元件會產生各種噪聲電壓如電阻會產生熱噪中的各種電子元件會產生各種噪聲電壓如電阻會產生熱噪聲電壓晶體三極管會產生閃爍聲電壓晶體三極管會產生閃爍(1/f) 噪聲熱噪聲變容二噪聲熱噪聲變容二極管的噪聲。這些噪聲電壓同樣會對極管的噪聲。這些噪聲電壓同樣會對VCO進行調制從而使進行調制從而使VCO振蕩頻率變化。另外由于晶體管本身的非線性及其工作振蕩頻率變化。另外由于晶體管本身的非線性及其工作于振蕩狀態時可能進入非線性區這將使非週期于振蕩狀態時可能進入非線性區這將使非週期型型噪聲電壓噪聲電壓與載波相乘與載波相乘(混頻混頻)產生無窮多的產生無窮多的“和頻和頻” “差頻差頻” 及各及各次諧波的次諧波的“和

23、和” “差差” 等極為複雜的頻譜成份。等極為複雜的頻譜成份。由于噪聲電壓是一種微小的不規則的隨機信號所以由于噪聲電壓是一種微小的不規則的隨機信號所以VCO振振蕩頻率的變化也是微小而不規則的。蕩頻率的變化也是微小而不規則的。VCO的這種頻率變化被的這種頻率變化被叫做叫做-相位噪聲其實質是一種頻率調制相位噪聲其實質是一種頻率調制(或相位調制或相位調制)信信號。號。相位噪聲的表達式為相位噪聲的表達式為 K波爾茨曼常數。波爾茨曼常數。 P緩沖放大器輸入功率。緩沖放大器輸入功率。 TK氏溫度。氏溫度。 N噪聲係數。噪聲係數。 FVCO振蕩頻率。振蕩頻率。 C閃爍噪聲轉折頻率。閃爍噪聲轉折頻率。 fm頻率偏移。頻率偏移。 Rv變容二極管噪聲電阻。變容二