課程設(shè)計(jì)--壓控振蕩器

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：壓控振蕩器的研究</p><p><b>　　系別 </b></p><p><b>　　專(zhuān)業(yè) </b></p><p><b>　　班級(jí) </b></p><

2、;p><b>　　學(xué)號(hào) </b></p><p><b>　　姓名 </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師 </b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)時(shí)間 </b></p><p><b>　　任務(wù)書(shū)</b></p

3、><p><b>　　目錄</b></p><p>　　壓控振蕩器的原理及設(shè)計(jì)………………………………………………（1）</p><p>　　LC壓控振蕩器 …………………………………………………………（3）</p><p>　　晶體壓控振蕩器…………………………………………………………（3）</p><

4、p>　　LC、晶體壓控振蕩器的主要應(yīng)用范圍及作用…………………………（4）</p><p>　　設(shè)計(jì)心得…………………………………………………………………（7）</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………（8）</p><p>　　一、控振蕩器的原理及設(shè)計(jì)</p><p>　　1．壓控振蕩器的定義、工

5、作原理</p><p>　　壓控振蕩器的工作原理指輸出頻率與輸入控制電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路,常以符號(hào)(VCO)(Voltage Controlled Oscillator)。其特性用輸出角頻率ω0與 輸入控制電壓uc之間的關(guān)系曲線(xiàn)(圖1)來(lái)表示。圖1中,uc為零時(shí)的角頻率ω0,0稱(chēng)為自由振蕩角頻率；曲線(xiàn)在ω0,0處的斜率K0稱(chēng)為控制靈敏度。使振蕩器的工作狀態(tài)或振蕩回路的元件參數(shù)受輸入控制電壓的控制，就可構(gòu)成一個(gè)

6、壓控振蕩器。在通信或測(cè)量?jī)x器中，輸入控制電壓是欲傳輸或欲測(cè)量的信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）。人們通常把壓控振蕩器稱(chēng)為調(diào)頻器，用以產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)。在自動(dòng)頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號(hào)電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個(gè)受控部件。壓控振蕩器的控制電壓可以有不同的輸入方式。如用直流電壓作為控制電壓，電路可制成頻率調(diào)節(jié)十分方便的信號(hào)源；用正弦電壓作為控制電壓，電路就成為調(diào)頻振蕩器；而用鋸齒電壓作為控制電壓，電路將成為掃頻振蕩器。</p&g

7、t;<p>　　圖1 壓控振蕩器的控制特性 </p><p>　　在壓控振蕩器中，振蕩頻率應(yīng)只隨加在變?nèi)莨苌系目刂齐妷鹤兓?，但?shí)際電路中，振蕩電壓也加在變?nèi)莨軆啥耍@使得振蕩頻率在一定程度上也隨振蕩幅度而變化，這是不希望的。為了減小振蕩頻率隨振蕩幅度的變化，應(yīng)盡量減少振蕩器的輸出電壓幅度，并使變?nèi)莨芄ぷ髟谳^大的固定直流偏壓（如大于1V）上。圖2示出了一壓控振蕩器線(xiàn)路。它的基本電路是一個(gè)柵極電路調(diào)諧的

8、互感耦合振蕩器。決定頻率的回路元件為L(zhǎng)1、C1、C2和壓控變?nèi)莨躒D2呈現(xiàn)的電容Cj。</p><p>　　壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)為壓控靈敏度和線(xiàn)性度。壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振蕩頻率的變化量，用S表示，即</p><p><b>　　S=Δf/Δu</b></p><p>　　2、壓控振蕩器的類(lèi)型</p><p

9、>　　壓控振蕩器的類(lèi)型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對(duì)壓控振蕩器的技術(shù)要求主要有：頻率穩(wěn)定度好，控制靈敏度高，調(diào)頻范圍寬，頻偏與控制電壓成線(xiàn)性關(guān)系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)頻范圍窄，RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。在下面主要分析LC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。</p><p>　　圖2 壓控振蕩器線(xiàn)路</p><

10、;p><b>　　二、LC壓控振蕩器</b></p><p>　　在任何一種LC振蕩器中，將壓控可變電抗元件插入振蕩回路就可形成LC壓控振蕩器。早期的壓控可變電抗元件是電抗管，后來(lái)大都使用變?nèi)荻O管。圖 2是潑型LC壓控振蕩器的原理電路。圖中，T為晶體管，L為回路電感，C1、C2、Cv為回路電容,Cv為變?nèi)荻O管反向偏置時(shí)呈現(xiàn)出的容量;C1、C2通常比Cv大得多。當(dāng)輸入控制電壓uc改變

11、時(shí)，Cv隨之變化，因而改變振蕩頻率。這種壓控振蕩器的輸出頻率與輸入控制電壓之間的關(guān)系為 </p><p>　　VCO輸出頻率與控制電壓關(guān)系</p><p>　　式中C0是零反向偏壓時(shí)變?nèi)荻O管的電容量；φ 是變?nèi)荻O管的結(jié)電壓；γ 是結(jié)電容變化指數(shù)。為了得到線(xiàn)性控制特性，可以采取各種補(bǔ)償措施。 </p><p>　　RC壓控振蕩器 在單片集成電路中常用RC壓控多諧振

12、蕩器（見(jiàn)調(diào)頻器）。 </p><p>　　圖3 LC壓控振蕩器原理圖</p><p><b>　　三、晶體壓控振蕩器</b></p><p>　　在用石英晶體穩(wěn)頻的振蕩器中，把變?nèi)荻O管和石英晶體相串接，就可形成晶體壓控振蕩器。為了擴(kuò)大調(diào)頻范圍，石英晶體可用AT切割和取用其基頻率的石英晶體，在電路上還可采用展寬調(diào)頻范圍的變換網(wǎng)絡(luò)。 </

13、p><p>　　在微波頻段，用反射極電壓控制頻率的反射速調(diào)管振蕩器和用陽(yáng)極電壓控制頻率的磁控管振蕩器等也都屬于壓控振蕩器的性質(zhì)。壓控振蕩器的應(yīng)用范圍很廣。集成化是重要的發(fā)展方向。石英晶體壓控振蕩器中頻率穩(wěn)定度和調(diào)頻范圍之間的矛盾也有待于解決。隨著深空通信的發(fā)展，將需要內(nèi)部噪聲電平極低的壓控振蕩器。</p><p>　　四、VCO的實(shí)際應(yīng)用電路 </p><p>　　1、

14、壓控振蕩器的應(yīng)用</p><p>　　在電子設(shè)備中，壓控振蕩器的應(yīng)用極為廣泛，如彩色電視接收機(jī)高頻頭中的本機(jī)振蕩電路、各種自動(dòng)頻率控制(AFC)系統(tǒng)中的振蕩電路、鎖相環(huán)路(PLL)中所用的振蕩電路等均為壓控振蕩器。振蕩器輸出的波形有正弦型的，也有方波型的。 變?nèi)荻O管壓控振蕩器的基本工作原理在振蕩器的振蕩回路上并接或串接某一受電壓控制的電抗元件后，即可對(duì)振蕩頻率實(shí)行控制。受控電抗元件常用變?nèi)荻O管取代。

15、</p><p>　　圖4 圖5</p><p>　　變?nèi)荻O管的電容量Cj取決于外加控制電壓的大小，控制電壓的變化會(huì)使變?nèi)莨艿腃j變化，Cj的變化會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率的改變。 對(duì)于圖中，若C1、C2值較大，C4又是隔直電容，容量很大，則振蕩回路中與L相并聯(lián)的總電容為：</p><p>　　變?nèi)莨苁抢冒雽?dǎo)體PN

16、結(jié)的結(jié)電容受控于外加反向電壓的特性而制成的一種晶體二極管，它屬于電壓控制的可變電抗器件，其壓控特性的典型曲線(xiàn)如圖所示。圖中，反向偏壓從3V增大到30V時(shí)，結(jié)電容Cj從18pF減小到3pF，電容變化比約為6倍。 對(duì)于不同的Cj，所對(duì)應(yīng)的振蕩頻率為</p><p><b>　　(VR為最小)</b></p><p><b>　　(VR為最大)<

17、/b></p><p>　　通常將fmax和fmin的比值稱(chēng)為頻率覆蓋系數(shù)，以符號(hào)Kf表示，上述振蕩回路的頻率覆蓋系數(shù)為</p><p>　　圖6某彩色電視接收機(jī)VHF調(diào)諧器中第6-12頻段的本振電路如圖所示電路中，控制電壓VC為0.5-30V，改變這個(gè)電壓，就使變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容發(fā)生變化，從而獲得頻率的變化。由圖(6)可見(jiàn)，這是一典型的西勒振蕩電路，振蕩管呈共集電極組態(tài)，振蕩頻率約為

18、170-220MHz ，這種通過(guò)改變直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)的方法，通常稱(chēng)為電調(diào)諧，與機(jī)械調(diào)諧相比它有很大的優(yōu)越性。</p><p>　　某彩色電視接收機(jī)VHF調(diào)諧器中頻段的本振電路如圖所示電路中，控制電壓VC為0.5-30V，改變這個(gè)電壓，就使變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容發(fā)生變化，從而獲得頻率的變化。由圖(3)可見(jiàn)，這是一典型的西勒振蕩電路，振蕩管呈共集電極組態(tài)，振蕩頻率約為170-220MHz ，這種通過(guò)改變直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)頻

19、率調(diào)節(jié)的方法，通常稱(chēng)為電調(diào)諧，與機(jī)械調(diào)諧相比它有很大的優(yōu)越性。</p><p>　　2、壓控振蕩器的發(fā)展</p><p>　　振蕩器自其誕生以來(lái)就一直在通信、電子、航海航空航天及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演重要的角色，具有廣泛的用途。在無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機(jī)中用來(lái)產(chǎn)生高頻載波電壓，在超外差接收機(jī)中用作本機(jī)振蕩器，成為發(fā)射和接收設(shè)備的基本部件。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，振蕩器的用途也越來(lái)越廣泛，

20、例如在無(wú)線(xiàn)電測(cè)量?jī)x器中，它產(chǎn)生各種頻段的正弦信號(hào)電壓:在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設(shè)備中，它產(chǎn)生大功率的高頻電能對(duì)負(fù)載加熱;某些電氣設(shè)備用振蕩器做成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制;電子鐘和電子手表中采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路作為定時(shí)部件等。尤其在通信系統(tǒng)電路中，壓控振蕩器(VCO)是其關(guān)鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說(shuō)在電子通信技術(shù)領(lǐng)域，VCO幾乎與電流源和運(yùn)放具有同等重要地位。

21、</p><p>　　對(duì)振蕩器的研究未曾停止過(guò)。從早期的真空管時(shí)代當(dāng)后期的晶體管時(shí)代，無(wú)論是理論上還是電路結(jié)構(gòu)和性能上，無(wú)論是體積上還是制作成本上無(wú)疑都取得了飛躍性的進(jìn)展，但在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)都是處在用分離元件組裝而成的階段，其性能較差，成本相對(duì)較高，體積較大和難以大批量生產(chǎn)。隨著通信領(lǐng)域的不斷向前推進(jìn)，終端產(chǎn)品越來(lái)越要求輕、薄、短、小，越來(lái)越要求低成本、高性能、大批量生產(chǎn)，這對(duì)于先前的分離元件組合模式將不再勝任

22、，并提出新的要求和挑戰(zhàn)。集成電路各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展迎合了這些要求，特別是主流CMOS工藝提供以上要求的解決方案，單片集成振蕩器的研制取得了極大的進(jìn)步。然而，由于工藝條件的限制，RF電路的設(shè)計(jì)多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)，難以和現(xiàn)在主流的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成。因此，優(yōu)性能的標(biāo)準(zhǔn)的CMOS VCO設(shè)計(jì)成為近年來(lái)RF電路設(shè)計(jì)的熱門(mén)課題。</p><p>　　近年來(lái)，隨著通信電子領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)

23、電子設(shè)備的要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)像振蕩器等這種基礎(chǔ)部件的要求更是如此。但多年來(lái)我國(guó)在這方面的研究投入無(wú)論在軍用還是民用上均不夠重視，僅限于在引進(jìn)和改進(jìn)狀態(tài)，還沒(méi)有達(dá)到質(zhì)的跨越，沒(méi)有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)，也之所以在電子通信類(lèi)滯后發(fā)達(dá)國(guó)家的一個(gè)重要原因。而且我國(guó)多數(shù)仍然利用傳統(tǒng)的雙極工藝，致使產(chǎn)品在體積上、重量上、成本上都較大，各種參數(shù)性能不夠優(yōu)越，穩(wěn)定性差、難以和現(xiàn)代主流CMOS工藝集成等等都是我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。我國(guó)在電子通信領(lǐng)域

24、市場(chǎng)潛力非常大，自主研究高性能、高質(zhì)量、低成本的壓控振蕩器市場(chǎng)前景廣闊、意義巨大。</p><p>　　3、VCO的主要性能指標(biāo)</p><p>　　VCO的性能指標(biāo)主要包括:頻率調(diào)諧范圍，輸出功率，(長(zhǎng)期及短期)頻率穩(wěn)定度，相位噪聲，頻譜純度，電調(diào)速度，推頻系數(shù)，頻率牽引等。</p><p>　　頻率調(diào)諧范圍是VCO的主要指標(biāo)之一，與諧振器及電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。通

25、常，調(diào)諧范圍越大，諧振器的Q值越小，諧振器的Q值與振蕩器的相位噪聲有關(guān)，Q值越小，相位噪聲性能越差。</p><p>　　振蕩器的頻率穩(wěn)定度包括長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，它們各自又分別包括幅度穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度。長(zhǎng)期相位穩(wěn)定度和短期幅度穩(wěn)定度在振蕩器中通常不考慮;長(zhǎng)期幅度穩(wěn)定度主要受環(huán)境溫度影響，短期相位穩(wěn)定度主要指相位噪聲。在各種高性能、寬動(dòng)態(tài)范圍的頻率變換中，相位噪聲是一個(gè)主要限制因素。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，載波信

26、號(hào)的相位噪聲還要影響載波跟蹤精度。</p><p>　　其它的指標(biāo)中，振蕩器的頻譜純度表示了輸出中對(duì)諧波和雜波的抑制能力；推頻系數(shù)表示了由于電源電壓變化而引起的振蕩頻率的變化；頻率牽引則表示了負(fù)載的變化對(duì)振蕩頻率的影響；電調(diào)速度表示了振蕩頻率隨調(diào)諧電壓變化快慢的能力。</p><p>　　在壓控振蕩器的各項(xiàng)指標(biāo)中，頻率調(diào)諧范圍和輸出功率是衡量振蕩器的初級(jí)指標(biāo)，其余各項(xiàng)指標(biāo)依據(jù)具體應(yīng)用背景不

27、向而有所側(cè)重。例如，在作為頻率合成器的一部分時(shí)，對(duì)VCO的要求，可概括為一下幾方面:應(yīng)滿(mǎn)足較高的相位噪聲要求；要有極快的調(diào)諧速度，頻溫特性和頻漂性能要好；功率平坦度好；電磁兼容性好。</p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)心得體會(huì)</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計(jì)主要是針對(duì)壓控振蕩器的研究分析，分析了壓控振蕩器的定義、工作原理以及特點(diǎn)。由于壓控振蕩器一般分為兩

28、種：LC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器，分析兩種不同振蕩器的工作原理及電路分析。近年來(lái)，隨著通信電子領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)像振蕩器等這種基礎(chǔ)部件的要求更是如此。但多年來(lái)我國(guó)在這方面的研究投入無(wú)論在軍用還是民用上均不夠重視，僅限于在引進(jìn)和改進(jìn)狀態(tài)，還沒(méi)有達(dá)到質(zhì)的跨越，沒(méi)有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)，也之所以在電子通信類(lèi)滯后發(fā)達(dá)國(guó)家的一個(gè)重要原因。而且我國(guó)多數(shù)仍然利用傳統(tǒng)的雙極工藝，致使產(chǎn)品在體積上、重量上、成本上都較大

29、，各種參數(shù)性能不夠優(yōu)越，穩(wěn)定性差、難以和現(xiàn)代主流CMOS工藝集成等等都是我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。我國(guó)在電子通信領(lǐng)域市場(chǎng)潛力非常大，自主研究高性能、高質(zhì)量、低成本的壓控振蕩器市場(chǎng)前景廣闊、意義巨大，所以我們要努力豐富自己的知識(shí)。</p><p>　　雖然這次的課程設(shè)計(jì)的時(shí)間很短暫，但是我收獲了很多在書(shū)本上無(wú)法了解的東西，使我認(rèn)識(shí)到實(shí)際動(dòng)手操作的重要性，對(duì)我的以后學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)有很大的幫助，也為將來(lái)的人生之路做好了一個(gè)很好

30、的鋪墊。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　高頻電子線(xiàn)路……………… 曾慶雯 ………………………高等教育出版社</p><p>　　高頻電子線(xiàn)路（第四版）…………………………………………張肅文主編</p><p>　　電子電路基礎(chǔ)………………………………………………………劉寶玲主編&l