CAD基于施密特触发器的RC压控振荡器.docx
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CAD基于施密特触发器的RC压控振荡器
HUNANUNIVERSITY
基于施密特触发器的RC压控振荡器
学院名称
物理与微电子科学学院
专业班级
电子科学与技术3班
学生学号
20091120323
学生姓名
徐福珍
2012年05月24日
基于施密特触发器的RC压控振荡器
一、设计任务
1、用Workviewoffice软件在施密特触发器功能模块的基础上设计一个应满足较高的相位噪声要求，有极快的调谐速度，频温特性和频漂性能好，功率平坦度好，电磁兼容性好，振荡频率在1MHZ以下的RC压控振荡器；
2、完成其电路的仿真。
二、设计分析
压控振荡器（voltage-controlledoscillator,VCO）是一种频率随外加控制电压变化的振荡器，是频率产生源的重要部件。
在许多现代通信系统中，VCO是可调信号源，用以实现锁相环（PLL）和其他频率合成源电路的快速频率调谐。
VCO现已广泛用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机和其他电子系统。
VCO对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响。
相位噪声是VCO的一项关键参数。
低相位噪声的VCO将提高通信系统的频带利用率、增加数据传输系统的数据传输速率。
因此VCO对电子系统有着重要的影响。
为适应小型化、轻量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化方面的需求，人们开发了许多工作频率高、性能优异、体积微小、价格合理的VCO产品投放市场，形成了新的微波VCO系列。
三、设计方案
1、VCO的基本状态
VCO的发展历史
上世纪初，Armstrong发明了电子管振荡器，经Hartley改进电路设计并开发成功电子管VCO。
其振荡频率是通过改变振荡电路中电感器或电容器的参数值来进行调节。
我们今天仍在沿用的Hartley，Colpitts，Clapp，Armstrong，Pierce等经典振荡电路结构，就是当时的研究成果。
上世纪中叶，晶体管问世并很快取代电子管成为振荡电路的有源器件。
特别是变容二极管的应用，变容二极管的电容随外加电压的改变而变化，用变容二极管作压控器件，改变其控制电压就可实现VCO振荡频率的调节。
这样，晶体管、变容二极管和其他无源元件就构成了分立式的晶体管VCO。
它实现了振荡频率的电子调谐。
与电子管VCO相比较，晶体管VCO具有电子调谐、体积小、成本低、功耗小、质量好、调频范围设置简便等优点。
晶体管VCO的发展一定程度上促进了电视技术在当时的迅速推广。
1960年至1980年，晶体管VCO被电子系统设计所广泛采用。
到了1980年，情况发生了变化，混合集成的VCO组件和单片集成的VCOIC出现了。
这两种新技术对VCO的发展产生了重要的影响。
VCO从此就开始步入现代VCO技术的发展时期。
变容二极管、电容器、电感器等元器件的小型化为制造VCO组件创造了条件。
虽然分立元件的晶体管VCO具有按用户要求设计工作频率和调谐范围的灵活性，但一般在生产中需要耗费大量的人工对确定频率的元件进行调试，以消除元件误差对频率的影响。
此外，分立元件VCO需要良好的屏蔽，其尺寸也比较大，已不能完全满足现代无线电子系统发展的要求。
20世纪80年代末、90年代初，移动电话迅速发展，对带封装的振荡器组件的需求也日益增长。
这为VCO组件的发展提供了难得的市场机遇。
各VCO组件厂商开发了适合不同应用领域所需频率的产品。
由于表面安装元件的不断小型化（1206，0805，0603，0402和0201），新开发的VCO组件的尺寸也越来越小，成本也越来越低。
目前，VCO组件达到了新的水平，其体积已减小到4mm×5mm×2mm，大批量供货VCO的销售单价已降至1美元左右。
VCO组件在15年中其尺寸急剧减小，满足了蜂窝电话等新型无线移动装置对小型化的要求。
20世纪90年代末期，出现了一种尺寸更小、成本更低的单片集成VCO技术，它是一种半导体集成电路器件，其全部电路元件均集成在同一芯片上。
这种器件像VCO组件一样，是一个完整的VCO，具有封装和外引线。
首批单片集成VCO采用2英寸GaAsIC工艺和单片微波集成电路（MMIC）技术制造，是为卫星接收机和雷达系统研制的。
其工作频率高达数GHz，但成本高昂。
大多数早期单片GaAsVCO的研究工作都是针对军事应用展开的，很少涉及民用领域。
1990年Si-IC技术在高频化和无源元件集成方面获得重大进展，开发成功工作频率很高的晶体管、变容二极管和单片集成的高Q值电感器与高频电容器。
这为高频硅单片集成VCO的研究与开发奠定了技术基础。
人们为大批量生产成本低、体积小、工作在800～2500MHz频段的VCO开展了大量的研究与开发工作。
1992年，美国California大学首先报道了硅单片VCOIC的研究成果。
其后，对硅单片VCOIC的研究进入繁荣期，采用不同技术方案的硅单片VCOIC相续问世。
通过不断改进，其产品已广泛应用于无绳电话、蓝牙装置、WLAN、GPS、DBS等无线装置与系统之中。
目前，单片集成VCO还不能用于对相位噪声要求很高的应用领域。
像GSM、CDMA等具有高数据速率的移动电话系统，还只能使用VCO组件。
VCO技术的现状
近年来，单片集成低相位噪声SiGeBiCMOS技术的发展令人瞩目，现已成为单片集成VCO最有前途的制造技术。
用SiGeBiCMOS技术制造的单片集成VCO具有相位噪声低等众多优异性能，可完全满足GSM、CDMA、WCDMA和无线LAN等现代无线电通信系统的要求，在无线通信系统IC芯片制造中获得广泛应用。
SiGeBiCMOS技术采用SiGeHBT作有源器件，这是它与常规SiBiCMOS技术的主要区别。
SiGeHBT是基区为SiGe应变层、发射区和集电区为硅的异质结双极晶体管，具有工作频率高、基极电阻低、击穿电压高等优异特性，其微波特性尤为突出。
SiGeHBT不仅特征频率很高，而且噪声系数很小，对设计低相位噪声VCO特别有利。
有源器件的最小噪声系数是决定VCO噪声本底电平高低的主要因素。
小频偏相位噪声主要同VCO振荡电路的加载Q值、VCO有源器件的闪烁噪声与角频率有关。
SiGeHBT的闪烁噪声小，角频率也很低。
这对降低小频偏相位噪声十分有利。
SiGeBiCMOS技术除了能制造性能优良的HBT之外，还能制造优质无源元件。
这些片上集成的电感器、电容器等优质无源元件也为设计制造单片集成低相位噪声VCO创造了有利条件。
SiGeBiCMOS技术发展至今，已经形成0.5mm、0.25mm和0.18mm三代不同水平的SiGe技术。
有三种全集成VCO业已开发成功，其芯片均采用0.5mmSiGeBiCMOS生产工艺制造。
第一种是为双频带GSM和DCS系统开发的产品。
第二种是为无线LAN和无线数字手机研制的产品。
它的频率调谐范围宽，工作的电源电压范围也较广，当电源电压变化时，VCO的RF性能变化极小。
第三种VCO的工作频率为3.3～4GHz。
这种VCO含有共射-共基差分缓冲放大器，可以向100Ω负载输出0dBm的功率。
这样大的输出功率通常可直接驱动三频带GSM接收机的混频器。
VCO技术的展望
今后，VCO技术的研究与开发工作将继续围绕VCO组件和单片集成VCO展开。
但是，全集成单片VCO技术是研究工作的重点，也是未来VCO技术的发展方向。
为了适应现代无线系统发展的要求，VCO组件不断向小型、高频、宽带、高输出化和特性多样化方向发展。
将采用新的超小型元件和更先进的薄膜技术与表面安装技术，继续推进VCO组件封装的微型化和表面安装化。
通过晶体管的改进及振荡电路的开发，解决好小型化带来的谐振器Q值降低的问题和低功耗引起的特性劣化问题。
第四代移动电话以及其他工作在微波频段高端的无线系统需要VCO组件进一步提高工作频率，实现VCO组件的高频化。
开发工作频率更高的微波VCO组件是未来十分重要的研究课题。
SiGeBiCMOS等RFIC基础工艺技术正在不断发展与进步。
半导体工艺制造有源器件与无源器件将具有更好的性能。
现在，即使用Si工艺技术，也可制得截止频率超过50GHz的晶体管和高Q值、大电容变比、低串联电阻的优质变容二极管。
这类工艺技术还具有衬底损耗低、金属化层厚、器件寄生元件少等特点。
利用这类工艺技术可以制造相位噪声低、工作频率高、工作电流小的单片集成VCO。
现代无线系统，尤其是现代无线移动通信系统，不仅要求VCO自身小型化和低成本化，而且希望VCO能同频率合成器与收发机的其他单元电路进行单片集成，以达到减小整机体积和成本的目的。
此外，单片集成VCO的设计理论也在深化，设计技术也越来越先进。
差分放大器、幅度控制、二次谐波抑止器、IC耦合变压器、复合振荡器、高频结构设计等技术正不断被纳入单片集成VCO的设计之中。
利用单片集成VCO技术把优质VCO同收发机电路集成在一起的新产品不断问世。
例如，在WLAN和蓝牙装置中，最新的收发机就把高质量的VCO同RF收发前端IC集成在一起，使其尺寸大大减小。
WLAN系统要求VCO具有很低的相位噪声。
由于RFICVCO技术的不断发展，卫星接收机、CATV机顶盒、无线数据装置、无绳电话、移动电话等商用RF系统与装置越来越多地采用集成化频率源。
显然，在大规模商业应用领域中，单片集成VCO占有的市场份额将不断增大，而分立元件VCO和VCO组件占有市场将逐步减少。
单片集成VCO在大规模商用无线系统中占主导地位的时代很快就会到来。
VCO技术已经实现了从笨重的电子管VCO电路到面积小于1mm2SiIC的跨越。
2、确定VCO设计方案
能实现VCO功能的电路很多，常用的有分立器件构成的振荡器和集成压控振荡器。
如串联谐振电容三点式电路、压控晶体振荡器，积分-施密特电路、射级耦合多谐振荡器、变容二极管调谐LC振荡器和石英晶体振荡器等几种。
它们之间各有优缺点，下面做简要分析，并选择合适的方案。
方案一：
LC振荡器
这种振荡器有众多的集成电路存在，有与采用ECL工艺，所以最高工作频率可以达到几百兆，频率容量高，频谱纯度高，电路简单，稳定性好，调试方便。
方案二：
石英晶体振荡器
由于石英晶体的串并联谐振频率非常接近；物理化学性质稳定；接入系数小，外界对其影响小。
故又为高精度振荡器。
方案三：
RC振荡器
因
故要使频率增大则电阻和电容都要减小。
电阻太小时，充电时间短；电容太小时，寄生结电容随外界变化对振荡器影响大，频率不稳定，放大器负载太大，相当于大功率放大器，不满足设计要求，故该振荡器的工作频率应小于1MHZ。
RC振荡器起振容易，频率以及波形预测性好。
1、施密特触发器型压控振荡器
该类电路属于低频宽带通用的压控多谐振荡器。
其中心频率通过外接定时电容和电阻实现，电源电压范围较宽，虽然频率问电镀低，易受温度和电源电压变化的影响，最高频率只有1MHZ，但其线性度好，可控范围宽。
2、射极耦合多谐型压控振荡器
该类集成电路采用二极管做负载，
较小，采用对称结构的三极管工作在共基接法，直接耦合正反馈较强，振荡频率较高，压-频特性较好，且调整方便，输出最高频率可达155MHZ。
比较以上几种设计方案，从电路结构、调试难易度、输出特性、控制性等方面选择，明显应选施密特触发器型压控振荡器方案。
下面介绍构成施密特触发器的几种方法：
a）迟滞比较器：
电路图如右图所示，其中
为门槛电压，则有
故，当
=0时为上升门槛，
=1时为下降门槛
该比较器能够识别两个输入端电压极性，输出为一位逻辑值。
b）运算放大器：
c）两级倒相器：
1、当
高电平时，
导通，
截止；此时
。
2、当
低电平时，
截止，
导通；此时
。
本实验采用第三种两级倒相器做斯密特触发器。
四、电路设计
施密特触发器及功能模块设计
施密特触发器电压传输特性及工作特点
施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变；
电路有两个阈值电压。
输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是正向阈值电压（VT+）和负阈值电压（VT-）。
反相输出施密特触发器
同相输出施密特触发器
本触发器为同相输出斯密特触发器，其逻辑电路图如下图所示：
施密特触发器设计步骤：
a）在自己的设计项目（project）环境下启动主界面ViewDraw，创建schematic形式的新文件；
b）从元件库中调用元件，对于施密特触发器，只需调用三个电阻，两个NPN，一个交流源，一个直流源，地。
将元件按逻辑电路图的顺序排好，点击右侧工具栏中的net按钮，进行元件间的连线；
c）对节点添加标号，左键点击连线，在NetProperties框中设置label,如上图；
d）在完成电路图文件的设计输入后，点击检查并保存（save+check），在tools工具中的createanalognetlist产生相应的模拟网表文件，完成总的设计输入，并对各参数进行如下设置：
仿真结果：
由以上的仿真结果和理论结果比较可知，该触发器存在上下门限差1—2V之间。
施密特触发器模块设计：
打开绘图窗口file__new，对话框中选择symbol，输入符号名称（与原电路图文件名一致），进入符号窗口，菜单命令add依次绘制符号实体、管脚、添加标注、属性（PINTYPE=INPINTYPE=OUT）、文本，执行存储命令，符号存储在根目录下，完成施密特触发器模块的设计。
如下图所示：
RC压控振荡器的设计
对于各种用途的RC压控振荡，设计时应考虑的指标大体上可以分为以下几个方面：
（1）压控曲线的线性度，灵敏度及压控范围。
（2）振荡频率的精度及其稳定度。
（3）振荡输出的幅频及其频谱纯度。
（4）振荡器功率及其负载能力。
设计时根据需要，选定对系统影响最大的参数作为设计要点，其它的则可相互折衷考虑。
同施密特触发器逻辑电路图的输入步骤一致，即调用元器件或功能部件（Place或Add命令）->布局（Move命令）->布线（Place命令）->标注（Place命令）->检查及存储，产生图形文件（SCH）（File命令）->生成网表文件（NET或WIR）
其逻辑电路如图所示：
产生网表文件后，选择要观察的端口，将其设置为观测点。
运行viewsim，在仿真器窗口中调用需仿真文件；
运行仿真器，仿真窗口中运行simulation-runsimulation，观察仿真结果如下图所示：
由以上的仿真结果和理论结果可知，仿真结果与理论分析稍有点偏差，原因在于未对输入锯齿波调XY显示轴。
五、设计总结
压控振荡器，调节电阻或电容可以改变波形发生电路的振荡频率，其输出信号的频率受输入电压线性控制。
设计振荡器这种有源器件，第一步要做的就是管子的选取，设计前必须根据自己的指标确定管子的参数，选好所需要的管子；第二步是根据三极管的最佳噪音特性确定直流偏置电路的偏置电阻；第三步是确定二极管的VC特性，先由指标即设计的振荡器频率确定电容的值，然后根据VC曲线确定二极管两端直流电压；第四步是进行谐波仿真，分析相位噪音，生成压控曲线，观察设计的振荡器的压控线性度。
本报告从施密特触发器和压控振荡器电路的原理出发，给出了压控振荡器的仿真模型的设计，并使用Workviewoffice软件对其进行仿真。
这种设计仿真模型的优点是非常接近实际电路设计的工作过程。
仿真结果及分析表明，电路实现了其功能，并具有较好的性能。
仿真结果验证了压控振荡器的输出信号的频率受输入电压线性控制。
不起振和容易停振
所遇到问题：
（1）反馈电压极性接反。
（2）直流工作点过低。
（3）负反馈过大。
（4）变容管反向偏压不合适。
解决方法：
（1）改变反馈极性。
（2）改变偏置电路参数。
（3）适当减小负反馈。
（4）调整偏压。
注意事项：
1、单独VCO一般不单独作为本振源、载波调制源或信号源使用，因为频率稳定度差。
2、VCO与锁相环构成频率源时，必须有良好的环路设计才能获得良好的相噪和频率稳度。
3、VCO使用线性范围只占f0/VT特性一部分，对于线性有要求应用VT在2-8内选择较合理。
4、VCO调频范围宽，VT变化大，相噪相应变化也大，因此低相噪使用应选适当的频带。
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