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VCO原理及測試Guofuzhu2003.8VCO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。c﹑VCO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L﹑C組成的選頻電上﹐將使L﹑C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2π﹐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﹐L﹑C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﹑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L﹑C并聯電路之諧振頻率f相等﹐才能在L﹑C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L﹑C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L﹑C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P﹑N結的結構有關。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L﹑C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。C1﹕VT濾波電容﹐用來濾除VT中的雜訊。L1﹕為一扼流圈﹐有時用一1/4λ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。C4﹑C5﹕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。C8﹑C9﹕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C8﹑C9的大小可調節輸出功率。另外﹐C8﹑C9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。R1﹑R2﹑R3﹑R4﹕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C2﹑C3﹑C4﹑C5﹑C6﹑L0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(OperatingFrequency)一般形式為﹕(VT=aV)f≦x(MHz)(VT=bV)f≧y(MHz)當調諧電壓“VT”在a﹑b之間變化時﹐VCO的輸出頻率f應在x﹑y之間變化。調諧靈敏度(TuningSensitivity)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a﹑b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a﹑b為“微分靈敏度”上﹑下限。VCO的F-V曲線輸出功率(PowerOutput)在整個工作頻率範圍內輸出功率(PowerOutp均應滿足其中a﹑b為輸出功率的上﹑下限。PushingFigure一般形式為﹕(VCC±△V)△f≦±a(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PushingFigure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Pushingfigure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B﹑C結在其反向偏置電壓發生變化時﹐結電容變化最小。b﹑在L﹑C諧振電路中有這裡﹕△f------為諧振電路的諧振頻率改變量。f------為諧振頻率。△C------為晶體管B﹑C結電容隨其反向偏壓的改變量。C------為L﹑C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L﹑C諧振電路的影響變小。PullingFigure一般形式為(VSWR=a﹕b﹐ForAllPhase,Ref=50Ω)△f≦x(MHz)其中﹕VSWR=a﹕b為駐波比﹐Ref=50Ω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。R0﹑L0﹑G0﹑C0﹑為傳輸線分佈電阻﹑電感﹑電導﹑電容﹐由傳輸線結構﹑尺寸﹑填充介質確定。U0﹑I0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﹐｜Γ︱=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1/4λ(λ為波長)。駐波係數﹕駐波係數定義為或式中﹕ρ為駐波係數。Umax為駐波電壓最大值。Umin為駐波電壓最小值。PullingFigure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Γ和駐波係數ρ﹐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PullingFigure。相位噪聲(PhaseNoise)一般形式(C/N)(At“a”KHzOffset)相位噪聲≦-bdBcC/N為載波功率于相位噪聲功率之比﹐是PhaseNoise的定義。At“a”KHzOffset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﹕•ω0﹕載波角頻率。•△ω﹕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Φ(t)是角頻率ω(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。T﹕K氏溫度。N﹕噪聲係數。F﹕VCO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(SpuriousResponse)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)=sinωt+ψ﹐u(t)=cosωt+ψ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b﹑VCO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﹗