压控振荡器.docx

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压控振荡器

宝鸡文理学院

高频电子课程设计

学校:

宝鸡文理学院

系别：

电子电气工程系

专业:

电子信息工程

姓名：

白阳

年级：

2008级

学号：

200895024026

班级：

电子信息工程

（1）班

课程题目：

压控振荡器的研究

设计要求：

（1）分析压控振荡器的定义、工作原理以及特点。

（2）由于压控振荡器一般分为两种：

LC压控振荡器和晶体压控振荡器，分析两种不同振荡器的工作原理及电路分析。

（3）结合实际谈谈两种压控振荡器的主要应用范围及作用。

格式要求：

（1）图片和表格应标记序号，且有相应的注释。

（2）一级标题为小二字体，二级标题为三号字体，都为黑体，正文为小四号宋体，且都为宋体，设置1.5倍行距。

一，压控振荡器。

压控振荡器简介：

压控振荡器，简称VCO（voltage-controlledoscillator），指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，其特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线来表示，如下图所示，曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。

使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。

在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。

人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。

在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。

图

（1）压控振荡器的控制特性

压控振荡器的控制电压可以有不同的输入方式，如让直流电压作为控制电压，电路可制成频率调节十分方便的信号源，用正弦电压作为控制电压，电路就成为调频振荡器，而用锯齿电压作为控制电压，电路将成为扫频振荡器。

压控振荡器由控制部分、方波、三角波发生器组成框图如下：

图

（2）控制部分、方波、三角波发生器组成框图

变容二极管压控振荡器的基本工作原理

在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制。

受控电抗元件常用变容二极管取代。

图（3）

 变容二极管的电容量Cj取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的Cj变化，Cj的变化会导致振荡频率的改变。

对于图中，若C1、C2值较大，C4又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与L相并联的总电容为：

变容管是利用半导体PN结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线如图所示。

图中，反向偏压从3V增大到30V时，结电容Cj从18pF减小到3pF，电容变化比约为6倍。

对于不同的Cj，所对应的振荡频率为

（VR为最小）

通常将fmax和fmin的比值称为频率覆盖系数，以符号Kf表示，上述振荡回路的频率覆盖系数为，

图（4）覆盖系数

二，LC压控振荡器，

在任何一种LC振荡器中，将压控可变电抗元件插入振荡回路就可形成LC压控振荡器。

早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用变容二极管。

图（6）是克拉泼型LC压控振荡器的原理电路。

图中，T为晶体管，L为回路电感，C1、C2、Cv为回路电容,Cv为变容二极管反向偏置时呈现出的容量;C1、C2通常比Cv大得多。

当输入控制电压uc改变时，Cv随之变化，因而改变振荡频率。

这种压控振荡器的输出频率与输入控制电压之间的关系为

式中C0是零反向偏压时变容二极管的电容量；φ是变容二极管的结电压；γ是结电容变化指数。

为了得到线性控制特性，可以采取各种补偿措施。

RC压控振荡器在单片集成电路中常用RC压控多谐振荡器。

图（5）克拉泼型LC压控振荡器

并联改进型电容反馈三点式电路——西勒振荡器

图（6）西勒振荡器交流等效电路

电路如图1-4所示，它是在串联改进型的基础上，在L1两端并联一个小电容C4，调节C4可改变振荡频率。

西勒电路的优点是进一步提高电路的稳定性，振荡频率可以做得较高，该电路在短波、超短波通信机、电视接收机等高频设备中得到非常广泛的应用。

三，晶体压控振荡器。

在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和石英晶体相串接，就可形成晶体压控振荡器。

为了扩大调频范围，石英晶体可用AT切割和取用其基频率的石英晶体，在电路上还可采用展宽调频范围的变换网络。

在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。

压控振荡器的应用范围很广。

集成化是重要的发展方向。

石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。

随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。

某彩色电视接收机VHF调谐器中第6-12频段的本振电路如图所示电路中，控制电压VC为0.5-30V，改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。

由图可见，这是一典型的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-220MHz，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。

图（7）

由常用集成芯片构成的压控振荡器

最原始的压控振荡器如下图所示，场效应管BG和场效应管T及电阻电容构成，基本思想为：

控制BG基极电流的大小，及输入端电压的大小，半控制BG集电极/射极的等值电阻，以此来改变电容C的充放电时间，产生不同频率的输出脉冲，这种电路简单，可靠，各项指标均较低。

图（8）压控振荡器

随着集成技术的提高，用集成芯片构成高性能压控振荡器成为理所当然的事。

最简单的集成压控振荡器如上图右所示，由两个门电路和几个电阻，电容构成。

这种振荡器可以作为电视信号的同步发生器，其基本的振荡频率大约为31.5khz，当控制电压Vf由2.4V变为4.8V时，频率可以从10khz变为50khz，改变R1，C1和R2，C2的值，可以得到另一些频率范围的输出，若参数选择合适，可以达到几MHZ。

电子信息工程师，NE555时基芯片来构成压控振荡器，下图9是由NE555和其它元件构成的一种具有差分输入的压控振荡器，其输出地脉冲信号频率由差分输入电压控制，其式可表示为

图（9）

在某些控制领域，人们往往需要有较宽的频率控制范围，图10所示的压控振荡器具有较宽的范围，其控制电压与输出频率之间的关系如图11所示，

图（10）

图（11）

由图所示，在4.3倍的频程内，其非线性度低于满刻度时的+0.03%,

频率范围可以调节RS来控制。

四，压控振荡器的应用范围及其作用。

压控振荡器作为在某些通信系统中的重要模块，在CDMA，GSM等通信系统中有重要的作用，如下的例子。

美国某公司生产的POS-1060是一种被广泛应用的VOC，具有较宽的线性可调谐带宽，同时具有相位噪声低，功耗低等良好的性能参数和稳定的工作状态。

该VOC可在微波电路中与高性能的集成锁相环频率合成器芯片组成锁相频率源。

同时还具有较低的相位噪声，并减小了系统的体积。

主要特点及性能参数：

●工作温度范围：

-55℃—+88℃

●最大电源电压（Vcc）为+10V，典型电压值为+8.0V

●最大可调电压（vtune）+20V

●频率调谐范围：

750MHz-1060MHz

●输出功率：

12.0dBm

●调谐电压：

1.0V-20.0V

●调谐灵敏度典型值：

18.0-32.0MHz/V

●谐波抑制典型值：

-11.0dBc

●3dB带宽：

1000.0KHz

●最大工作电流：

30mA

压控振荡器POS-1060的调谐特性，输出功率及谐波抑制如下表所示

表

（1）

典型应用

选择适当的集成频率合成器及相应的环路滤波器和压控振荡器POS-1060即可构成低噪声，低功耗，高稳定度的频率源，下图是某通信信号模拟器中的一个频率合成器的实际应用电路，该频率合成器的输出频率范围较宽，为800MHz-900MHz，频率间隔为1000KHz，工作带宽范围内的输出功率为10mW,图中的频率合成芯片用的是美国国家半导体供公司的LMX2314。

在图中压控振荡器用来驱动LMX2314中的一个64/65分频的前置分频器，然后由前置分频器驱动可编程分频器，再将可编程分频器的输出送往相位检波器，当高稳定度的5MHz晶体振荡器产生的参考信号经50参考分频后，可同时送入相位检波器，根据压控振荡器和参考信号频率的不同，相位检波器将输出一系列脉冲，这些脉冲经滤波，放大后送入后压控振荡器的控制端，以减少参考信号和压控振荡器输出信号之间的频率相位误差，直至达到相位锁定，只要参考信号和压控振荡器的输出信号之间有相位误差，从相位检波器输出地直流误差信号就被放大和滤波，并输入到压控振荡器的控制端口，知道参考信号和压控振荡器的输出信号之间的相位误差减少到零为止。

图（12）

环路滤波器采用三阶低通滤波器后接一个高输入阻抗的运算放大器的方法来实现，使用它可连接任何宽带和窄带的压控振荡器，运用窄带VCO时可以用也可以不用运放，这主要取决于频率覆盖所需要的调谐电压范围是否低于频率合成器的电源电压，当LMX2314工作在+5V电源电压时，如果没有运放，VCO的可用调谐电压范围就会低于+5V，而采用运放就可以提高VCO的电压调谐范围。

压控振荡器的还有其它的应用，例如，带接收AGC的CDMA/FM调节器芯片，在内部集成了完整的中频自动增益控制（AGC）放大器和正交解调器，可用于双模式的CDMA/FM蜂窝移动通信系统和PCS系统。

作为本地振荡的压控振荡器是射频电路中必不可少的一部分，同时射频压控振荡器VCO（VoltageControlledOscillator）作为锁相环、频率综合和时钟恢复等电路的关键模块，广泛应用于手机、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、光发射机等电子系统中。