壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真

1、目錄1引言22振蕩器的原理52.1振蕩器的功能、分類與參數(shù)52.2起振條件92.3壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型103利用 ADS仿真與分析113.1偏置電路的的設(shè)計(jì)123.2可變電容 VC特性曲線測試133.3壓控振蕩器的設(shè)計(jì)153.4壓控振蕩器相位噪聲分析183.5VCO 振蕩頻率線性度分析234結(jié)論24致謝25參考文獻(xiàn)25壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真Advanced Design System 客戶端軟件設(shè)計(jì)電子信息工程（非師范類）專業(yè)指導(dǎo)教師摘要： ADS 可以進(jìn)行時(shí)域電路仿真，頻域電路仿真以及數(shù)字信號處理仿真設(shè)計(jì)，并可對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率。本論文運(yùn)用ADS 仿

2、真軟件對壓控振蕩器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的系統(tǒng)， 具有良好的輸出功率，相位噪聲性能及震蕩頻譜線性度。本論文從器件選型開始，通過ADS軟件仿真完成了有源器件選型，帶通濾波器選型，振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定，可變電容VC特性曲線，瞬態(tài)仿真及諧波平衡仿真。實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確可行的射頻壓控振蕩器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。關(guān) 鍵 字：壓控振蕩器，諧波平衡仿真，ADS1 引言振蕩器自其誕生以來就一直在通信、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。在無線電技術(shù)發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機(jī)中用來產(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

3、用途也越來越廣泛，例如在無線電測量儀器中，它產(chǎn)生各種頻段的正弦信號電壓 : 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負(fù)載加熱 ; 某些電氣設(shè)備用振蕩器做成的無觸點(diǎn)開關(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。人們對振蕩器的研究未曾停止過。從早期的真空管時(shí)代當(dāng)后期的晶體管時(shí)代，無論是理論上還是電路結(jié)構(gòu)和性能上， 無論是體積上還是

4、制作成本上無疑都取得了飛躍性的進(jìn)展，但在很長的一段時(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)品越來越要求輕、薄、短、小，越來越要求低成本、高性能、大批量生產(chǎn)，這對于先前的分離元件組合模式將不再勝任，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 CM

5、OS VCO 設(shè)計(jì)成為近年來 RF 電路設(shè)計(jì)的熱門課題。射頻電路需要在特定的載波頻率點(diǎn)上建立穩(wěn)定的諧波振蕩， 以便為調(diào)制和混頻創(chuàng)造必要的條件，壓控振蕩器（ VCO ）作為收發(fā)系統(tǒng)常見的器件 , 它的性能指標(biāo)主要包括 : 頻率調(diào)諧范圍， 輸出功率， ( 長期及短期 ) 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。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。振蕩器的頻率穩(wěn)定度包括長期穩(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。

6、長期相位穩(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，載波信號的相位噪聲還要影響載波跟蹤精度。其它的指標(biāo)中，振蕩器的頻譜純度表示了輸出中對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。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指標(biāo)，其余各項(xiàng)指標(biāo)依據(jù)具體應(yīng)用背景不向而有所側(cè)重。例如，在作為頻率合成器的一

7、部分時(shí)，對 VCO 的要求，可概括為一下幾方面 : 應(yīng)滿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。現(xiàn)在，國內(nèi)外許多廠家都已生產(chǎn)出針對不同應(yīng)用的VCO。表 1 是具有代表性的國內(nèi)十三所和 Agilent 公司生產(chǎn)的部分壓控振蕩器產(chǎn)品的部分指標(biāo)：表 1 VCO 性能指標(biāo)頻 率 范 圍調(diào)頻電壓 （V ）工作電壓 / 電流輸出功率（ dBm ）相噪（ dBc/Hz ）型號（ GHz ）(V/mA)HE4873.03.701512/30+121.5-9010KHzHE4883.74.201512/30+101.5-8710KHzVTO-82002.0

8、3.022415/50+101.5-9550KHzVTO-82402.43.723015/50+101.5-9550KHzVTO-83603.64.382415/50+101.5-10050KHz上述產(chǎn)品中，封裝形式均為TO-8 封裝。對于封裝內(nèi)的電路中一般使用的是晶體管管芯和變?nèi)荻O管管芯，這樣可減少管腳分布電感、電容的影響，減少對分布參數(shù)的考慮。但是，制作此類封裝需專門設(shè)備，制作工藝復(fù)雜，進(jìn)入門檻高，產(chǎn)品價(jià)格較高。頻率較高時(shí)，這些參數(shù)對電路性能的影響非常顯著。需要在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮，選擇合適的電路形式，盡量降低電路對器件參數(shù)的敏感度。另外，自前還用一種稱為YIG ( 釔鐵右榴石 ) 的鐵氧體

9、器件作為諧振器的壓控振蕩器，諧振頻率用外磁場調(diào)諧，調(diào)諧帶寬可以很寬，因?yàn)閅IG 諧振器可以有很高的Q值，YIG 振蕩器的相位噪聲性能很好。但由于成本較高，且較難設(shè)計(jì)，所需電流大，調(diào)諧速度較變?nèi)荻O管調(diào)諧的VCO 慢。近年來，隨著通信電子領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對電子設(shè)備的要求越來越高，尤其是對像振蕩器等這種基礎(chǔ)部件的要求更是如此。但多年來我國在這方面的研究投入無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)，還沒有達(dá)到質(zhì)的跨越，沒有自主的知識產(chǎn)權(quán) (IP) ，也是我國電子通信類滯后發(fā)達(dá)國家的一個(gè)重要原因。而且我國多數(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

10、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相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。因此 , 我國在電子通信領(lǐng)域市場潛力非常大，自主研究高性能、高質(zhì)量、低成本的壓控振蕩器市場前景廣闊、意義巨大。本論文使用 ADS軟件從器件選型到電路進(jìn)行仿真，詳細(xì)闡述了壓控振蕩器的設(shè)計(jì)步驟, 對 S 波段 1.8GHz 下頻率綜合器對電感電容壓控振蕩器的要求， 實(shí)現(xiàn) AT41411單片集成壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真 , 設(shè)計(jì)的具體指標(biāo)是頻率范圍為 17001900MHz,控制電壓0 5V，供電電壓 12V。2 振蕩器的原理2.1振蕩器的功能、分類與參數(shù)振蕩器是一種不需要外加輸入信號就能夠自激輸出交變信號的電子裝置, 振

11、蕩器實(shí)際上是起一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的作用，它將直流能量轉(zhuǎn)換成具有一定頻率，一定幅度和一定波形的交流能量 1 。凡是可以完成這一目的的裝置都可以是振蕩器. 但是用電子管、晶體管等器件與 L、C、R 等元件組成的振蕩器則完全取代了以往所有能產(chǎn)生震蕩的方法，因?yàn)樗腥缦聝?yōu)點(diǎn)：（ 1）它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔埽旧盱o止不動，不需要做機(jī)械轉(zhuǎn)動活移動。如果用高頻交流發(fā)電機(jī)，則其旋轉(zhuǎn)速度必須很高，最高頻率也只能到達(dá)50KHz。（ 2）它產(chǎn)生的是“等幅振蕩” ，而火花發(fā)射機(jī)等產(chǎn)生的是“阻尼振蕩” 。（ 3）使用方便，靈活性很大，它的功率可以自毫瓦級至幾百千瓦，工作頻率可以自極低頻率至微波波段。按照振蕩器按工作原理

12、，可以分為反饋振蕩器和負(fù)阻振蕩器。按元器件主要分為 RC振蕩器， LC 振蕩器和晶體振蕩器1RC振蕩器采用 RC網(wǎng)絡(luò)作為選頻移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器統(tǒng)稱為RC正弦振蕩器 , 屬音頻振蕩器。2LC振蕩器采用LC振蕩回路作為移相和選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋振蕩器稱為LC振蕩器。3 晶體振蕩器中石英晶體振蕩器是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它

13、可以是正方形、矩形或圓形等） ，在它的兩個(gè)對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、 晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、 陶瓷或塑料封裝的。國際電工委員會（ IEC）將石英晶體振蕩器分為 4 類：普通晶體振蕩（ SPXO），電壓控制式晶體振蕩器（ VCXO ），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（ TCXO ），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO ）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體損振蕩（ DCXO ）微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器（MCXO ）等等。晶體振蕩器的應(yīng)用有：1通用晶體振蕩器，用于各種電路中，產(chǎn)生振蕩頻率。2時(shí)鐘脈沖用石英

14、晶體諧振器，與其它元件配合產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，廣泛用于數(shù)字電路中。3微處理器用石英晶體諧振器。4 CTVVTR用石英晶體諧振器。5鐘表用石英晶體振蕩器。晶體振蕩器的技術(shù)指標(biāo)1. 總頻差：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大頻差?？傤l差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率溫度準(zhǔn)確度、頻率老化率、頻率電源電壓穩(wěn)定度和頻率負(fù)載穩(wěn)定度共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心，而對其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場合采用。例如：精密制導(dǎo)雷達(dá)。2. 頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。fT

15、= (fmax-fmin)/(fmax+fmin)fTref MAX (fmax-fref)/fref , (fmin-fref)/fref fT ：頻率溫度穩(wěn)定度 ( 不帶隱含基準(zhǔn)溫度 )fTref ：頻率溫度穩(wěn)定度 ( 帶隱含基準(zhǔn)溫度 )fmax：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻率fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率fref：規(guī)定基準(zhǔn)溫度測得的頻率說明：采用 fTref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用 fT 指標(biāo)的晶體振蕩器, 故 fTref 指標(biāo)的晶體振蕩器售價(jià)較高。3. 頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間：以晶體振蕩器穩(wěn)定輸出頻率為基準(zhǔn)，從加電到輸出頻率小于規(guī)定頻率允差所需要的時(shí)間。在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振

16、蕩器是長期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需頻繁的開機(jī)和關(guān)機(jī)，這時(shí)頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間指標(biāo)需要被考慮到（尤其是對于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺，當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度 0.3ppm(-45 85 ) ，采用 OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間將不少于 5 分鐘，而采用 DTCXO 只需要十幾秒鐘 ) 。4. 頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如10ppb/ 天，加電72 小時(shí)后），或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化（如：1ppm/ （第一年）和5ppm/（十年）來表示。

17、TCXO的頻率老化率為：0.2ppm 2ppm（第一年）和1ppm 5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率老化率的指標(biāo)，因?yàn)榧词乖趯?shí)驗(yàn)室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過溫度補(bǔ)償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個(gè)指標(biāo)失去了實(shí)際的意義）。OCXO的頻率老化率為：0.5ppb 10ppb/天（加電72 小時(shí)后），30ppb 2ppm（第一年），0.3ppm 3ppm（十年）。5. 頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量?；鶞?zhǔn)電壓為2.5V ，規(guī)定終點(diǎn)電壓為0.5V和4.5V ，壓控晶體振蕩器在0.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變

18、量為-110ppm ，在 4.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為130ppm，則 VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為： 100ppm(2.5V 2V) 。6. 壓控頻率響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻率變化時(shí)，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干dB 表示。（ VCXO 頻率壓控范圍頻率響應(yīng)為0 10kHz。）7. 頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率- 輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分?jǐn)?shù)表示整個(gè)范圍頻偏的可容許非線性度。典型的VCXO頻率壓控線性為：10%，20%。簡單的VCXO頻率壓控線性計(jì)算方法為( 當(dāng)頻率壓控極性為正極性時(shí)) ：頻率壓控線性(fm

19、ax-fmin)/ f0) 100%fmax ： VCXO在最大壓控電壓時(shí)的輸出頻率fmin ： VCXO在最小壓控電壓時(shí)的輸出頻率f0 ：壓控中心電壓頻率8. 單邊帶相位噪聲 (f) ：偏離載波 f 處，一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。根據(jù)振蕩器輸出信號波形的不同，可以將震蕩期分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器，其中非正弦波振蕩器它產(chǎn)生的信號可以使方波或三角波等。一般來說，振蕩器由以下三部分組成：(1) 晶體管或電真空器件。其中真空器件主要用于高頻大功率振蕩器的設(shè)計(jì)，而晶體管主要用于低頻小功率振蕩器的設(shè)計(jì)。(2) 諧振回路。諧振回路決定振蕩器的工作頻率，因?yàn)橹挥信c回路謝振頻率一致的交

20、變電磁才能與電子進(jìn)行有效的相互作用。(3) 能量反饋模塊。描述振蕩器的最主要的參數(shù)就是頻率穩(wěn)定度，它是評價(jià)振蕩器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)振蕩頻率相對變化量大小的一個(gè)指標(biāo)。按時(shí)間的長短不同，頻率穩(wěn)定度分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度。長期頻率穩(wěn)定度是指一天以上乃至幾個(gè)月內(nèi)因管子和元件老化而引起的相對頻率變化量；短期頻率穩(wěn)定度是指一天之【 2】內(nèi)因溫度、電源電壓等外界因素變化而引起的相對頻率變化量；振蕩頻率的隨機(jī)起伏稱為瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度，頻率的瞬變將產(chǎn)生調(diào)頻噪聲、相位噪聲和相位抖動。震蕩幅度的隨機(jī)起伏將引起調(diào)幅噪聲。一次，振蕩器在沒有外加調(diào)制時(shí)，輸出的頻率不僅含振蕩頻率f 0，在 f 0 附近

21、還包含有許多旁頻，連續(xù)分布在f 0 兩邊。如下圖所示，縱坐標(biāo)是功率，f 0 處是載波，兩邊是噪音功率，包括調(diào)頻噪音功率和調(diào)幅噪音功率。圖 1正弦信號的噪聲邊帶頻譜圖 2相對噪聲的定義如 2 所示，（ ）相位噪聲通常用在相 于 波某一 偏 ，相 于 波 平的 一化 1Hz 的功率 密度表示（dBc/Hz）。通常所 的 率 定度都指短期 率 定度。若將 定 等分 n 各 隔，在各 隔內(nèi) 的 率相 位f 1, f 2, f n, , 當(dāng)所要求的振 率（稱 稱 率） f g ，短期 率 定度定 2f g1nfgfglimf gn i 1ffnggi（ 2.1.1）式中，f gf if g 第 i 個(gè)

22、隔內(nèi) 的 率偏差 ；fg為實(shí)測絕對頻i率偏差的平均 ，即fglim 1nnnfif g（ 2.1.2）i 1f g 又稱 率準(zhǔn)確度， 平均 率相 于 稱 率的偏差 3 。2.2起振條件振 器是一個(gè)在只有直流 源供 的情況下， 生周期 化的 信號的 路。所有振 器都是非 性的，盡管非 性會使信號 生一些失真。但 性技 可以用來分析和 振 器 4 。 1（a）是一個(gè) 入， 出的 反 系 ， 系 的開 函數(shù) H（ S） , 其 函數(shù)可以表示 5VoutH (s)（ 2.2.1）Vin1 H (s)當(dāng) sj 0 ， H ( j 0 )1 ， 反 系 出 無 大。 系 中的任何 點(diǎn)上有一個(gè)小小的抖 或者

23、噪聲都能 使得系 生振 ， 候 反 系 成正反 。 種情況在運(yùn)算放大器 中是 不允 的，然而 于振 器來 ，振 器 路就必 工作在正反 情況下。 的來 ，一個(gè) 反 系 必 足以下兩個(gè)Barkhause 振 原 6 ， 路才能 在 率點(diǎn)0 上 生振 。（ 1） . 振 器系 的開 增益 H ( j 0 ) 1（ 2） . 振 器系 的開 相位偏移 180。在 路 中，振 器的開 增益往往是 算 的2-3 倍，即要 置一個(gè)安全裕量。 主要是 了克服工 和溫度的偏差，以及由于 路非 性造成的開 增益的下降。圖 3 振蕩器的負(fù)反饋形式圖 1（a) 所示 振 器的 反 形式， 其中正向開 函數(shù)的相位偏移

24、 180，反向反 通路的相位偏移也是 180，因此整個(gè)開 的相位偏移 360。 1（b）是振 器的正反 表示形式， 了保 振 器起振，正像開 函數(shù)的相位偏移 360，且 足 H ( j 0 ) 1；相位偏移 360也就是正反 系 的 入和 出相位相同，因此 1（c）與 1（ b）是等價(jià)的 5 。2.3壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型6一個(gè)理想的 控振 器的 率 控特性可以表示 out0K vcoVcont (2.3.1)其中0 表示 于 Vcont =0 的振 率， Vcont 控 ， Kvco 控振 器的“增益”或“靈敏度” . 位 Hz/V。即一個(gè)理想的 控振 器其 出 率是其 入 的 性函數(shù)，如 4

25、7圖 4理想壓控振蕩器VCO的定義壓控特性振 器的 率與相位的關(guān)系表示 ：out (2.3.2)t 根據(jù)式子（ 3.1 ）和（ 3.2 ），假 Kvco 常數(shù)，可以得到振 器的相位 out dt00KvcoVcont dt00 tKvco Vcont dt0 (3.3)其中定 振 器的相位增量 ex(s)K vco （ 2.3.3 ）Vconts前面我 提到 VCO的正弦 出波形中包含大量的 波8， 此可以假 VCO 出的控制 一小的正弦信號VcontVm cosmt ，那么根據(jù)上面的共 可以將 出表達(dá)成Vout (t) V0 cos0tK vco Vcont dtV00 tKvcoVmsin

26、 mtm=V0 cos ot cos K vcoVm sinmtV0 sin0t sinKvcoVm sinmt（ 2.3.4 ）mm假 V 足 小使得 KV /m1rad ，那么即有mvcomVout tV0 cos0t V0sin0tK vcoVmsinmtm=V0 cos 0 tKvcoVmV0cos 0mtcos0m t（ 2.3.5 ）2m3 利用 ADS仿真與分析 振 器 種有源器件，一般分 以下幾個(gè)步 ：(1) 取管子， 前必 根據(jù)要求的指 確定管子的參數(shù)， 好三極管和 容二極管等。(2) 根據(jù)三極管的最佳噪音特性確定直流偏置 路的偏置 阻9 。(3) 確定 容二極管的 VC特性

27、，先由指 ( 的振 器 率 ) 確定可 容的 ，然后根據(jù) VC曲 確定二極管兩端的直流 。(4) 行 波仿真，分析相位噪音，生成 控曲 ， 察 的振 器的 控 性度。設(shè)計(jì)的振蕩器采用ADS 中自帶的 AT41411硅雙極管，變?nèi)荻O管選用MV1404。其中 AT41411的主要指標(biāo)有如下幾種。(1) 低噪音特性： 1GHz噪音系數(shù)是 1.4dB,2GHz 噪音系數(shù)是 1.8dB。(2) 高增益： 1GHz時(shí)增益為 18dB，2GHz時(shí)增益為 13dB。(3) 截止頻率： 7GHz，有足夠?qū)挼念l帶。(4)1.8GHz 時(shí)最佳噪音特性的直流偏置：Vce=8V,Ic=10mA。3.1偏置電路的的設(shè)計(jì)

28、打開 ADS軟件，新建一個(gè)工程，在工程中建立一個(gè)原理圖，按照設(shè)計(jì)好的原理圖進(jìn)行連線并修改元件參數(shù)。圖 5偏置電路設(shè)計(jì)原理圖在圖中插入一個(gè)一個(gè)直流仿真控制器DC，兩個(gè)目標(biāo)控件及一個(gè)優(yōu)化控件OPTIM，具體參數(shù)按圖 6 進(jìn)行修改，在原理圖上設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Vcb,Veb, 點(diǎn)擊 Simulate 進(jìn)行仿真，得到最終電阻優(yōu)化值，如圖7 所示。圖 6控件參數(shù)圖 7最終電阻優(yōu)化值3.2可變電容 VC特性曲線測試從新建立一個(gè)原理圖，按圖8 所示進(jìn)行連接，修改元器件數(shù)值。圖 8變?nèi)荻O管測試電路圖在圖中插入變量控件、 S 參數(shù)仿真控制器及參數(shù)控件，設(shè)置其具體值如圖9圖 9 控件參數(shù)單 擊 仿 真 按 鈕 后 在

29、 數(shù) 據(jù) 顯 示 窗 口 中 添 加 一 個(gè) 一 個(gè) 方 程 ， 方 程 內(nèi) 容 為“C_Varactor=-1/(2*pi*freq0,0*imag(Z110)”，如圖 10 所示。圖 10 電容的測試方程在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于 C_Varactor 的曲線，如圖 11 所示，這就是變?nèi)荻O管的電容與偏置電壓之間的關(guān)系。圖 11變?nèi)荻O管的電容與偏置電壓的關(guān)系曲線為了更清楚的 觀察電 容與偏置電壓 的關(guān)系 ，在數(shù)據(jù)顯示 窗口插 入一個(gè)關(guān)于 C_Varactor 的數(shù)據(jù)列表，如圖 13 所示。圖 13 C_Varactor 的數(shù)據(jù)列表這樣就完成了可變電容的V-C 特性曲線的測試。3.3壓控

30、振蕩器的設(shè)計(jì)打開偏置電路設(shè)計(jì)原理圖和變?nèi)荻O管測試電路圖，將其中的電路圖復(fù)制到新的原理圖中，從新設(shè)置三極管偏置電路，由于壓控振蕩器電路中含有高頻成分，因此需要在直流偏置電路中加入高頻扼流元件，如圖14 所示。圖 14新的直流偏置網(wǎng)絡(luò)將變?nèi)荻O管電路和三極管電路按照圖 15 的方式連接起來，組成壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)。圖 15壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)按照下面內(nèi)容設(shè)置電路中元件的參數(shù)：?SRC1：Vdc=5V?L1=1000nH?C1=10pH?R1=420.433Ohm?L2=1000pH?SRC3:Vdc=-5V?L4=2nH?R4=50Ohm?R2=676.512Ohm?L3=1000nH?SRC

31、2：Vdc=12V?C2=1000pH?R3=50Ohm在原理圖的輸出端口添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)Vout ，并且插入一個(gè)瞬態(tài)仿真控制器， 按照下面內(nèi)容設(shè)置瞬態(tài)仿真控制器的參數(shù)?StartTime=0, 便是仿真的起始時(shí)間為0?StopTime=30ns, 表示仿真的終止時(shí)間為30ns.?MaxTimeStep=0.01ns, 表示仿真的最大時(shí)間間隔為0.01ns 。完成設(shè)置的瞬態(tài)仿真控制器如圖16 所示。圖 16瞬態(tài)仿真控制器的設(shè)置進(jìn)行仿真，等仿真結(jié)束后，在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于 Vout 的矩形圖，并在圖中插入兩個(gè)標(biāo)記如圖 17 所示。同時(shí)插入一個(gè)方程，用來查看兩個(gè)標(biāo)記之間信號的頻譜，方程的內(nèi)容為“

32、 Spectrum=fs(Vout,indep(m1),indep(m2) ” 如圖 18 所示。圖 17輸出信號的時(shí)域波形圖 18輸出信號的頻譜方程在數(shù)據(jù)顯示窗口加入一個(gè)關(guān)于 Spectrum 幅度（ Magnitude ）的矩形圖，并在矩形圖中插入一個(gè)標(biāo)記，如圖 19 所示。圖 19輸出信號的頻譜從波形可以看到，振蕩器已經(jīng)很穩(wěn)定地振蕩起來了，并且有一定的振蕩時(shí)間，從抽出的兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，該振蕩波形是相當(dāng)穩(wěn)定的，幅度差可以不必考慮，頻譜純度也較高，對m1 和 m2 這段時(shí)域進(jìn)行傅里葉變換，可以看到振蕩器振蕩頻率的頻譜，從m3標(biāo)記的數(shù)值可以看出，該振蕩的振蕩頻率為1.872GHz。非常接近

33、設(shè)計(jì)指標(biāo)。3.4壓控振蕩器相位噪聲分析通過前面的介紹可以知道，利用ADS里面的諧波平衡法仿真，可以分析振蕩器的相位噪聲。以新名稱保存VCO的原理圖，在圖中插入一個(gè)諧波平衡法仿真控制器，對其參數(shù)進(jìn)行修改，如圖 20。圖 20諧波平衡法仿真控制器在振蕩器里加入一個(gè)Oscport 器件配合使用，接在反饋網(wǎng)絡(luò)和諧振網(wǎng)絡(luò)之間，如圖21 所示。這是諧波平衡法仿真相位噪音的需要。圖 21 Oscport 器件的連接考慮到該器件的頻率隔離度不夠高，所以在輸出端加一個(gè)帶通濾波器，并對其進(jìn)行設(shè)置。圖 22輸出端口的帶通濾波器這樣就完成了諧波平衡仿真的電路原理圖，如圖23 所示。圖 23諧波平衡仿真的電路原理圖進(jìn)行

34、仿真，等仿真結(jié)束后在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于Vout 的功率譜密度的矩形圖，如圖 24 所示，從圖中可以看出基波頻率上的能量最大。圖 24輸出信號的功率譜密度在數(shù)據(jù)顯示窗口加入一個(gè)關(guān)于頻率的數(shù)據(jù)列表，可以看出信號的各次諧波的頻率。圖 25輸出信號的頻率的數(shù)據(jù)列表在數(shù)據(jù)顯示窗口插入一個(gè)關(guān)于anmx 和 pnmx 的矩形圖，從圖中可以看到偏離基波頻率 100KHz時(shí)，相對的調(diào)幅噪聲為 -175.1dBc ，相對的相位噪聲為 -108.3dBc 。圖 26 關(guān)于 anmx和 pnmx的矩形圖在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個(gè)關(guān)于anmx 和 pnmx 的數(shù)據(jù)列表，就可以查看在各頻率處兩種噪聲的值，如圖27 所

35、示。圖 27關(guān)于 anmx 和 pnmx 的數(shù)據(jù)列表3.5VCO 振蕩頻率線性度分析以新名稱保存諧波平衡仿真原理圖，添加一個(gè)VAR控件，設(shè)置 SRC1:Vdc=Vtune,修改諧波平衡仿真控制器。如圖28圖 28參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個(gè)關(guān)于一次諧波freq1的矩形圖，便可以觀察偏置電壓與輸出頻率之間的關(guān)系，如圖29 所示。圖 29輸入電壓與輸出信號頻率的關(guān)系繼續(xù)在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加一個(gè)方程，用來測量輸出信號功率與輸出信號頻率之間的關(guān)系，方程內(nèi)容為“ powerflatness=vs(dBm(Vout1),freq1/1e9) ”，如圖 30 所示。圖 30輸出信號功率與輸出信

36、號頻率在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加一個(gè)關(guān)于powerflatness的矩形圖，從圖中可以看出， 輸出功率是比較平坦的。圖 31 輸出信號功率和輸出信號頻率的關(guān)系曲線考慮去掉濾波器后線性度提高，在原理圖中去掉濾波器，進(jìn)行仿真，在數(shù)據(jù)窗口中生成 powerflatness的矩形圖，如圖32 所示。圖 32無濾波器關(guān)系曲線這樣，就完成了對壓控振蕩器的性能參數(shù)的仿真，壓控振蕩器的設(shè)計(jì)和仿真的內(nèi)容也就全部結(jié)束了。4 結(jié)論本論文介紹了用ADS設(shè)計(jì)微波振蕩器的過程， 設(shè)計(jì)過程中要考慮的首要問題是管子的選取，設(shè)計(jì)前后必須根據(jù)自己的指標(biāo)確定管子的參數(shù)，從后面的設(shè)計(jì)來看，管子選的不好是很難達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的。設(shè)計(jì)振蕩器最重要的是使振蕩器滿足預(yù)定的指標(biāo)，而在這次壓控振蕩器設(shè)計(jì)中與振蕩器頻率直接相關(guān)的有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是變?nèi)荻O管的偏置電壓，由變?nèi)荻O管的VC曲線確定；另一個(gè)是振蕩器的反饋電感。噪聲分析也是振蕩器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的方面。設(shè)計(jì)過程中必須明確要計(jì)算哪些噪聲，并合理設(shè)置好噪聲頻率間隔。在電路中加入濾波器是為了增加頻率的隔離度，但是此濾波器對于后來生成的壓控曲線影響很大。不去掉濾波器而直接仿真得到的曲線并不是線性的，原