VCO原理及測試課件

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(shè)備中不可缺少的基本部件。 a﹑VCO是構(gòu)成“鎖相環(huán)”的重要電路之一?！版i相環(huán)”有許多獨(dú)特﹑優(yōu)異的特性﹐是現(xiàn)代通訊設(shè)備中的關(guān)鍵部件。 b﹑用VCO作為“本地振盪器”可以構(gòu)成各種接收機(jī)﹐特別是“頻率搜索式接收機(jī)。 c﹑VCO可以用來構(gòu)成“頻率調(diào)制和相位調(diào)制”電路。 VCO基本原理 VCO電路的構(gòu)成﹕ VCO由放大電路﹑反饋電路﹑頻率可調(diào)節(jié)的選頻電路﹑緩沖電路(不是必須的)組成。振蕩的建立與輸出頻率的確定

振蕩的建立﹕ 當(dāng)電源開關(guān)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(chǎn)生正弦自由振蕩U1﹐電壓U1經(jīng)放大電路放大後得到電壓U2﹐電壓U2經(jīng)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(jīng)放大電路再次放大後將使U2進(jìn)一步加強(qiáng)﹐則U1加強(qiáng)﹐再放大﹑再反饋﹐如此循環(huán)﹐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(shù)值﹐諧振頻率f將隨之改變。另外﹐并聯(lián)諧振電路還有一個重要的性質(zhì)﹕式中Z為L﹑C并聯(lián)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(lián)電路之諧振頻率f相等﹐才能在L﹑C并聯(lián)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(jīng)過數(shù)個週期的反饋循環(huán)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(diào)節(jié)

變?nèi)荻O管﹕變?nèi)荻O管是一種特殊的二級管﹐將它作為可變電容應(yīng)用時﹐應(yīng)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?nèi)荻O管的PN結(jié)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?nèi)葜笖?shù)﹐與變?nèi)荻O管P﹑N結(jié)的結(jié) 構(gòu)有關(guān)。 Uc﹕為加在變?nèi)荻O管兩端的

VCO電路圖VCO各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

工作頻率範(fàn)圍(OperatingFrequency) 一般形式為﹕ (VT=aV)f≦x(MHz) (VT=bV)f≧y(MHz) 當(dāng)調(diào)諧電壓“VT”在a﹑b之間變化時﹐VCO的輸出頻率f應(yīng)在x﹑y之間變化。

調(diào)諧靈敏度(TuningSensitivity) 靈敏度的定義有兩種﹕VCO的F-V曲線輸出功率(PowerOutput)

在整個工作頻率範(fàn)圍內(nèi)輸出功率(PowerOutp均應(yīng)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(fàn)圍內(nèi)﹐當(dāng)VCC增加或減小△V時﹐VCO輸出頻率變化△f應(yīng)不大於給定值“a”。

VCO局部電路圖 PushingFigure產(chǎn)生的原因﹕ 一個理想的振蕩器頻率不應(yīng)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(dāng)這個等效二極管的反向偏置電壓發(fā)生變化時﹐等效二極管PN結(jié)電容將隨之變化﹐從而導(dǎo)致VCO的振蕩頻率變化。

減小Pushingfigure的方法﹕ a﹑適當(dāng)選擇晶體管的靜態(tài)工作電流﹐實(shí)踐證明﹕適當(dāng)調(diào)整振蕩管的靜態(tài)工作狀態(tài)﹐能使晶體管的B﹑C結(jié)在其反向偏置電壓發(fā)生變化時﹐結(jié)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(jié)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(dāng)△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?yàn)镃5與△C串聯(lián)﹐減小C5可使△C對L﹑C諧振電路的影響變小。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(jié)構(gòu)確定。 R0﹑L0﹑G0﹑C0﹑為傳輸線分佈電阻﹑電感﹑電導(dǎo)﹑電容﹐由傳輸線結(jié)構(gòu)﹑尺寸﹑填充介質(zhì)確定。 U0﹑I0為傳輸線上任意點(diǎn)電壓和電流。 對于無損耗傳輸線有反射係數(shù)與負(fù)載阻抗的關(guān)係為

式中﹕ZL為負(fù)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(shù) 駐波﹕當(dāng)傳輸線上面同時有由信號源向負(fù)載方向傳播的入射波和由負(fù)載向信號源傳播的反射波時﹐在傳輸線上任意一點(diǎn)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(shù)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(diǎn)﹕ a﹑在入射電壓或電流與反射電壓或電流相位相同的點(diǎn)將出現(xiàn)電壓或電流的最大值(波峰)﹐ 駐波係數(shù)﹕駐波係數(shù)定義為

或式中﹕ρ為駐波係數(shù)。 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(fù)載﹐使VCO輸出的電壓信號在到達(dá)“短路”點(diǎn)後﹐全部被反射回來﹐此時在“A”點(diǎn)得到反射波電壓為式中﹕N為衰減器的衰減係數(shù)。則反射係數(shù) 相位噪聲(PhaseNoise) 一般形式(C/N)(At“a”KHzOffset)相位噪聲≦-bdBc C/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(diào)制信號與相位調(diào)制信號的頻譜 a﹑頻率調(diào)制信號的一般表達(dá)式 若調(diào)制信號可表示為

則調(diào)頻已調(diào)信號的表達(dá)式為其中﹕ω0﹕載波角頻率?！鳓丞s已調(diào)頻信號峰值頻偏。 對于窄帶調(diào)頻﹐且調(diào)制信號為正弦波時其頻譜近似為 若調(diào)制信號為非正弦的非週期信號﹐則已調(diào)頻信號的頻譜為 b﹑相位調(diào)制信號 相位調(diào)制信號與頻率調(diào)制信號極為相似﹐因?yàn)橄辔沪?t)是角頻率ω(t)在時間t內(nèi)的積分。

所以﹐頻率調(diào)制與相位調(diào)制可以相互轉(zhuǎn)化。相位調(diào)制信號與頻率調(diào)制信號有相似的頻譜。 VCO相位噪聲產(chǎn)生的原因及表達(dá)式

相位噪聲產(chǎn)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(chǎn)生各種噪聲電壓﹐如電阻會產(chǎn)生熱噪聲電壓﹐晶體三極管會產(chǎn)生閃爍(1/f)噪聲﹑熱噪聲﹐變?nèi)荻O管的噪聲。這些噪聲電壓同樣會對VCO進(jìn)行調(diào)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(tài)時可能進(jìn)入非線性區(qū)﹐這將使非週期型噪聲電壓與載波相乘(混頻)﹐產(chǎn)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(guī)則的隨機(jī)信號﹐所以VCO振蕩頻率的變化也是微小而不規(guī)則的。VCO的這種頻率變化被叫做------相位噪聲﹐其實(shí)質(zhì)是一種頻率調(diào)制(或相位調(diào)制)信號。相位噪聲的表達(dá)式為

K﹕波爾茨曼常數(shù)。 P﹕緩沖放大器輸入功率。 T﹕K氏溫度。 N﹕噪聲係數(shù)。 F﹕VCO振蕩頻率。C﹕閃爍噪聲轉(zhuǎn)折頻率。 fm﹕頻率偏移。Rv﹕變?nèi)荻O管噪聲電阻。 Q﹕諧振回路有載品質(zhì)因數(shù)。Kv﹕調(diào)諧靈敏度。相位噪聲頻譜﹕相位噪聲測量原理

VCO輸出經(jīng)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(shù)值。式中A﹕距載波一個offset點(diǎn)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