课程设计压控振荡器.doc

课程设计设计题目：压控振荡器的研究系别 专业 班级 学号 姓名 指导教师 设计时间 任务书一、设计任务及要求：设计任务：对压控振荡器的研究要 求： （1）分析压控振荡器的定义、工作原理以及特点。      （2）由于压控振荡器一般分为两种：LC压控振荡器和晶体压控振荡器， 分析两种不同振荡器的工作原理及电路分析。      （3）最后切合实际谈谈两种压控振荡器的主要应用范围及作用。二、指导教师评语：指导教师签名： 2010 年12月20日 三、成绩 2010 年12月20日 目录一、 压控振荡器的原理及设计（1）二、 LC压控振荡器 （3）三、 晶体压控振荡器（3）四、 LC、晶体压控振荡器的主要应用范围及作用（4）五、 设计心得（7）六、 参考文献（8）一、控振荡器的原理及设计1压控振荡器的定义、工作原理压控振荡器的工作原理指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,常以符号(VCO)(Voltage Controlled Oscillator)。其特性用输出角频率0与 输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。图1中,uc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K0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。压控振荡器的控制电压可以有不同的输入方式。如用直流电压作为控制电压，电路可制成频率调节十分方便的信号源；用正弦电压作为控制电压，电路就成为调频振荡器；而用锯齿电压作为控制电压，电路将成为扫频振荡器。    图1 压控振荡器的控制特性 在压控振荡器中，振荡频率应只随加在变容管上的控制电压变化，但实际电路中，振荡电压也加在变容管两端，这使得振荡频率在一定程度上也随振荡幅度而变化，这是不希望的。为了减小振荡频率随振荡幅度的变化，应尽量减少振荡器的输出电压幅度，并使变容管工作在较大的固定直流偏压（如大于1V）上。图2示出了一压控振荡器线路。它的基本电路是一个栅极电路调谐的互感耦合振荡器。决定频率的回路元件为L1、C1、C2和压控变容管VD2呈现的电容Cj。压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量，用S表示，即S=f/u2、压控振荡器的类型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。在下面主要分析LC压控振荡器和晶体压控振荡器。图2 压控振荡器线路二、LC压控振荡器在任何一种LC振荡器中，将压控可变电抗元件插入振荡回路就可形成LC压控振荡器。早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用变容二极管。图 2是泼型LC压控振荡器的原理电路。图中，T为晶体管，L为回路电感，C1、C2、Cv为回路电容,Cv为变容二极管反向偏置时呈现出的容量;C1、C2通常比Cv大得多。当输入控制电压uc改变时，Cv随之变化，因而改变振荡频率。这种压控振荡器的输出频率与输入控制电压之间的关系为 VCO输出频率与控制电压关系式中C0是零反向偏压时变容二极管的电容量； 是变容二极管的结电压； 是结电容变化指数。为了得到线性控制特性，可以采取各种补偿措施。 RC压控振荡器 在单片集成电路中常用RC压控多谐振荡器（见调频器）。   图3 LC压控振荡器原理图三、晶体压控振荡器在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和石英晶体相串接，就可形成晶体压控振荡器。为了扩大调频范围，石英晶体可用AT切割和取用其基频率的石英晶体，在电路上还可采用展宽调频范围的变换网络。 在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。压控振荡器的应用范围很广。集成化是重要的发展方向。石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。四、VCO的实际应用电路 1、压控振荡器的应用在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制(AFC)系统中的振荡电路、锁相环路(PLL)中所用的振荡电路等均为压控振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。 变容二极管压控振荡器的基本工作原理在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极管取代。                   图4 图5 变容二极管的电容量Cj取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的Cj变化，Cj的变化会导致振荡频率的改变。 对于图中，若C1、C2值较大，C4又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与L相并联的总电容为： 变容管是利用半导体PN结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线如图所示。图中，反向偏压从3V增大到30V时，结电容Cj从18pF减小到3pF，电容变化比约为6倍。 对于不同的Cj，所对应的振荡频率为(VR为最小)(VR为最大)通常将fmax和fmin的比值称为频率覆盖系数，以符号Kf表示，上述振荡回路的频率覆盖系数为图6某彩色电视接收机VHF调谐器中第6-12频段的本振电路如图所示电路中，控制电压VC为0.5-30V，改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。由图(6)可见，这是一典型的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-220MHz ，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。 某彩色电视接收机VHF调谐器中频段的本振电路如图所示电路中，控制电压VC为0.5-30V，改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。由图(3)可见，这是一典型的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-220MHz ，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。2、压控振荡器的发展振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。对振荡器的研究未曾停止过。从早期的真空管时代当后期的晶体管时代，无论是理论上还是电路结构和性能上，无论是体积上还是制作成本上无疑都取得了飞跃性的进展，但在很长的一段时期内都是处在用分离元件组装而成的阶段，其性能较差，成本相对较高，体积较大和难以大批量生产。随着通信领域的不断向前推进，终端产品越来越要求轻、薄、短、小，越来越要求低成本、高性能、大批量生产，这对于先前的分离元件组合模式将不再胜任，并提出新的要求和挑战。集成电路各项技术的发展迎合了这些要求，特别是主流CMOS工艺提供以上要求的解决方案，单片集成振荡器的研制取得了极大的进步。然而，由于工艺条件的限制，RF电路的设计多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工艺实现，难以和现在主流的标准CMOS工艺集成。因此，优性能的标准的CMOS VCO设计成为近年来RF电路设计的热门课题。近年来，随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。但多年来我国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视，仅限于在引进和改进状态，还没有达到质的跨越，没有自主的知识产权(IP)，也之所以在电子通信类滞后发达国家的一个重要原因。而且我国多数仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积上、重量上、成本上都较大，各种参数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流CMOS工艺集成等等都是我国相关领域发展的瓶颈。我国在电子通信领域市场潜力非常大，自主研究高性能、高质量、低成本的压控振荡器市场前景广阔、意义巨大。3、VCO的主要性能指标VCO的性能指标主要包括:频率调谐范围，输出功率，(长期及短期)频率稳定度，相位噪声，频谱纯度，电调速度，推频系数，频率牵引等。 频率调谐范围是VCO的主要指标之一，与谐振器及电路的拓扑结构有关。通常，调谐范围越大，谐振器的Q值越小，谐振器的Q值与振荡器的相位噪声有关，Q值越小，相位噪声性能越差。振荡器的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度，它们各自又分别包括幅度稳定度和相位稳定度。长期相位稳定度和短期幅度稳定度在振荡器中通常不考虑;长期幅度稳定度主要受环境温度影响，短期相位稳定度主要指相位噪声。在各种高性能、宽动态范围的频率变换中，相位噪声是一个主要限制因素。在数字通信系统中，载波信号的相位噪声还要影响载波跟踪精度。其它的指标中，振荡器的频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力；推频系数表示了由于电源电压变化而引起的振荡频率的变化；频率牵引则表示了负载的变化对振荡频率的影响；电调速度表示了振荡频率随调谐电压变化快慢的能力。在压控振荡器的各项指标中，频率调谐范围和输出功率是衡量振荡器的初级指标，其余各项指标依据具体应用背景不向而有所侧重。例如，在作为频率合成器的一部分时，对VCO的要求，可概括为一下几方面:应满足较高的相位噪声要求；要有极快的调谐速度，频温特性和频漂性能要好；功率平坦度好；电磁兼容性好。五、设计心得体会这次的课程设计主要是针对压控振荡器的研究分析，分析了压控振荡器的定义、工作原理以及特点。由于压控振荡器一般分为两种：LC压控振荡器和晶体压控振荡器，分析两种不同振荡器的工作原理及电路分析。近年来，随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。但多年来我国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视，仅限于在引进和改进状态，还没有达到质的跨越，没有自主的知识产权(IP)，也之所以在电子通信类滞后发达国家的一个重要原因。而且我国多数仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积上、重量上、成本上都较大，各种参数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流CMOS工艺集成等等都是我国相关领域发展的瓶颈。我国在电子通信领域市场潜力非常大，自主研究高性能、高质量、低成本的压控振荡器市场前景广阔、意义巨大，所以我们要努力丰富自己的知识。虽然这次的课程设计的时间很短暂，但是我收获了很多在书本上无法了解的东西，使我认识到实际动手操作的重要性，对我的以后学习设计有很大的帮助，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。六、参考文献高频电子线路 曾庆雯 高等教育出版社高频电子线路（第四版）张肃文主编电子电路基础刘宝玲主编