VCO原理及测试ppt课件.ppt

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1、VCO原理及測試,Guofu zhu2003.8,VCO的用途,VCO也被稱為“電壓控制振盪器”是無線電通訊設備中不可缺少的基本部件。a VCO是構成“鎖相環”的重要電路之一。“鎖相環”有許多獨特優異的特性是現代通訊設備中的關鍵部件。,b用VCO作為“本地振盪器”可以構成各種接收機特別是“頻率搜索式接收機。cVCO可以用來構成“頻率調制和相位調制”電路。VCO基本原理VCO電路的構成 VCO由放大電路反饋電路頻率可調節的選頻電路緩沖電路(不是必須的)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

2、的直接聯係減小負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若這個上跳電壓加到由LC組成的選頻電上將使LC電路產生正弦自由振蕩U1電壓U1經放大電路放大後得到電壓U2電壓U2經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U1相位相同或相差2且幅度大於U1經放大電路再次放大後將使U2進一步加強則U1加強再放大再反饋如此循環振蕩不斷增長起來。,振蕩頻率的確定,眾所周知LC電路的諧振頻率為,可以看出如果改變L或C的數值諧振頻率f將隨之改變。另外并聯諧振電路還有一個重要的性質,式中 Z 為L

3、C并聯電路阻抗電路諧振時 Z 得到最大值。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 f 相等才能在LC并聯電路兩端獲得較高電壓U1其它頻率份量的電壓信號將被迅速衰減掉。如此VCO經過數個週期的反饋循環後與LC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VCO的振蕩頻率被確定在LC電路的諧振頻率上。,在電路諧振時上式虛部必為零。因此,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將它作為可變電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變容二極管的PN結電容將隨之變化式中C0為控制電壓Uc=0時的基本電容。Vd為接觸電位。n為變容指數與變容二極管PN結的

4、結構有關。Uc為加在變容二極管兩端的,振蕩頻率的調節在VCO中我們用一個變容二極管代替LC電路中的電容C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到改變VCO輸出頻率之目的。電路原理圖及各主要元器件作用 Q1為振蕩三極管。Q2為緩沖三極管。C1VT濾波電容用來濾除VT中的雜訊。L1為一扼流圈有時用一1/4微帶線代替。C2一方面起隔離直流作用另一方面可調節頻寬。,VCO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之間起能量交換作用。C4C5為交流分壓電路C4兩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(想扩充P-NOISE的宽度时，调节两者)。C6一

5、方面起濾波作用另一方面與C5串聯與C4組成交流分壓電路。C7為緩沖器信號輸入耦合電容。可調節VCO輸出功率的大小。C8C9組成阻抗匹配網絡用來保證VCO與負載之間的適當匹配改變C8C9的大小可調節輸出功率。另外C8C9與L3一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。L2起阻抗變換作用用于提高諧振電路的Q值。R1R2R3R4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C2C3C4C5C6L0共同組成諧振電路用于確定VCO振蕩頻率。改變D1兩端的電壓可以調節VCO輸出頻率。,VCO各項技術指標,工作頻率範圍(Operating Frequ

6、ency)一般形式為(VT=a V)f x(MHz)(VT=b V)f y(MHz)當調諧電壓“VT”在 ab 之間變化時VCO的輸出頻率f應在 xy 之間變化。調諧靈敏度(Tuning Sensitivity)靈敏度的定義有兩種,“平均靈敏度”在整個工作頻率範圍內應滿足 其中ab 為“平均靈敏度”上下限。“微分靈敏度”即在整個工作頻率範圍內均應滿足 其中 ab 為“微分靈敏度”上下限。,VCO的F-V曲線,輸出功率(Power Output)在整個工作頻率範圍內輸出功率(Power Outp均應滿足其中 ab 為輸出功率的上下限。Pushing Figure 一般形式為(VCC V)f a(

7、MHz)在整個工作頻率範圍內當VCC 增加或減小V時VCO 輸出頻率變化 f 應不大於給定值“a”。,VCO局部電路圖,Pushing Figure 產生的原因一個理想的振蕩器頻率不應隨電源VCC的變化而變化。但我們在VCO中使用的晶體管其集電極C與基極B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效二極管PN結電容將隨之變化從而導致VCO的振蕩頻率變化。減小Pushing figure 的方法a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體管的BC結在其反向偏置電壓發生變化時結電容變化最小。,b在LC 諧振電路中有 這裡f-為諧振電路的諧振頻率改變量

8、。f-為諧振頻率。C-為晶體管 BC 結電容隨其反向偏壓的改變量。C-為LC諧振電路總電容量。上式指出當C一定時諧振電路總電容C 越大諧振頻率的改變量f越小也就是諧振頻率越不易受回路電容變化的影響。c儘量減小電容C5因為C5與C串聯減小C5 可使C對LC諧振電路的影響變小。,Pulling Figure 一般形式為(VSWR=abFor All Phase,Ref=50)f x(MHz)其中VSWR=ab 為駐波比Ref=50為參考負載阻抗即標準負載x為一給定值。,傳輸線的幾個概念 傳輸線的特性阻抗 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。R0L0G0C0 為傳輸線分佈電阻

9、電感電導電容由傳輸線結構尺寸填充介質確定。U0I0 為傳輸線上任意點電壓和電流。對于無損耗傳輸線有,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RL與傳輸線特性阻抗Z0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磁波從負載出發沿傳輸線向信號源方向傳播(運動)。為衡量電磁波反射的大小引入反射係數,反射係數與負載阻抗的關係為式中ZL為負載阻抗Z0為傳輸線特性阻抗。值得注意的是ZL=0或 ZL=時=1。,駐波與駐係數 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代數和。這種由入射波

10、與反射波迭加形成的電磁波被稱為駐波。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位相同的點將出現電壓或電流的最大值(波峰),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(波谷)。即 b沿傳輸線波峰和波谷的位置不隨時間而移動。c相鄰的波峰與波谷的距離為1/4(為波長)。,駐波係數駐波係數定義為或式中為駐波係數。Umax 為駐波電壓最大值。Umin 為駐波電壓最小值。,Pulling Figure 的測量,a用一終端短路的傳輸線作為VCO的負載使VCO輸出的電壓信號在到達“短路”點後全部被反射回來此時在“A”點得到反射波電壓為式中N為衰減器的衰減係數。則反射係數,

11、又 由上式可見通過改變衰減器的衰減係數N來調節反射係數和駐波係數其結果相當于調節了負載阻抗。b滑動短路環改變傳輸線上面波峰和波谷的位置使“A”點得到此狀態下最大(波峰)電壓值Umax和最小(波谷)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值和最小值其差值即是Pulling Figure。,相位噪聲(Phase Noise)一般形式(C/N)(At“a”KHz Offset)相位噪聲-b dBcC/N 為載波功率于相位噪聲功率之比是Phase Noise 的定義。At“a”KHz Offset 相對于載波的頻率偏移。基本概念 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

12、達式若調制信號可表示為,則調頻已調信號的表達式為其中0載波角頻率。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近似為,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,b相位調制信號相位調制信號與頻率調制信號極為相似因為相位(t)是角頻率(t)在時間t內的積分。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。,VCO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VCO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VCO電路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(1/f)噪聲熱噪聲變容二極管

13、的噪聲。這些噪聲電壓同樣會對VCO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于振蕩狀態時可能進入非線性區這將使非週期型噪聲電壓與載波相乘(混頻)產生無窮多的“和頻”“差頻”及各次諧波的“和”“差”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VCO振蕩頻率的變化也是微小而不規則的。VCO的這種頻率變化被叫做-相位噪聲其實質是一種頻率調制(或相位調制)信號。,相位噪聲的表達式為 K波爾茨曼常數。P緩沖放大器輸入功率。TK氏溫度。N噪聲係數。FVCO振蕩頻率。C閃爍噪聲轉折頻率。fm頻率偏移。Rv變容二極管噪聲電阻。Q諧振回路有載品質因數。Kv調諧靈敏

14、度。,相位噪聲頻譜,相位噪聲測量原理,VCO輸出經兩個帶寬為 1Hz 的帶通濾波器濾波後得到載波 fo 功率和 fo+offset處功率這兩個功率之比並取即是我們從 4352B 上面讀出相位噪聲數值。式中A距載波一個 offset 點的功率。B載波 fo 的功率。,高次諧波(Spurious Response)a非週期信號的頻譜眾所周知週期性正弦或余弦信號可表示為 u(t)=sint+u(t)=cost+週期性非正弦信號可用富氏展開表示為可以看出週期性非正弦信號是由基波及其各高次諧波迭加而成。,非正弦信號頻譜,bVCO中高次諧波產生的原因及表示法由于電源電壓VCC的限制靜態工作點的選取及晶體管的非線性等因素使得VCO的輸出信號不可能是一個純正弦波由上述可知其中必定包含有各高次諧波分量為此定義表示高次諧波大小。c高次諧波的測量選擇VT為一確定值VCO輸出端與頻譜儀信號輸入端相連接從頻譜儀上面即可讀得各次諧波數值。,謝謝,