分立元件VCO能够提供足够的自由度来满足大多数系统的性能要求(调谐范围、输出功率、相位噪声、电流消耗等等)。然而,对于具有较大批量、价格敏感的现代产品,振荡频率的生产线调整是不可接受的。这迫使射频工程师必须设计出一个不需要在安装过程中调整的VCO,即免调节VCO。这项设计任务并不简单,除了要掌握VCO的基本设计原理外,还需要射频工程师花费大量精力来保证设计的一致性,而且在各种因素(如元件参数、温度及电源电压等)允许的变化范围内CONTROL ENGINEERING China版权所有,振荡器始终调谐在正确的频率。本文试图对这项任务的重要性给出一个评价,同时解释一些和免调节中频VCO设计有关的问题。
VCO结构
----有多种可行的振荡器结构都可用于构建一个实用的射频VCO,其中一种已经在许多商品化VCO模块和不计其数的分立VCO电路中得到了成功应用,这就是Colpitts共集电极电路(图1)。该结构可用于很宽的工作频率范围,从中频直到射频。
图1:基本Colpitts振荡器
---- 灵活、廉价、并具有足够高性能的VCO可基于一个由廉价的表贴电感和变容二极管组成的电感-电容(L
图2:Colpitts结构用于VCO
--- 对于Colpitts振荡器可以采用一种简化的、精确性稍差的方法来加以分析www.cechina.cn,并得到一组更清晰、更直观的设计方程CONTROL ENGINEERING China版权所有,有助于一阶振荡器的设计。首先,Colpitts振荡器可重画为一个带有正反馈的LC放大器(图3)。这个视点易于计算环路增益、振荡幅度和相位噪声。为了描述启动过程和振荡频率,最初的电路也可重画为一个负阻加谐振器结构(图4)。从上述两个视点得到的一系列方程联合起来构成一组Colpitts振荡器的设计方程(Meyer 1998)。
图3:LC放大器模型
图4:映像放大器模型
Colpitts振荡器的基本设计方程
---- 在图2中,不考虑分布参数,并假定CC>>C1和C2,并有C1>Cπ(Cπ为三极管基-射结电容)。振荡频率可按下式计算:
----f0=1/(2π√(L*CT)), CT=CV+C12...........................(1)
----CV=(CVAR*C0)/(CVAR+C0), C12=(C1*C2)/(C1+C2)
----谐振电路的品质因数(QT)可按下式计算:
----QV≌1/(2π*CV*RS*F0), RQC=QV2*RS..........................(2)
----QT≌REQ/(2π*L*F0), REQ=RQL‖RQC
----振荡幅度可按下式估算:
---- V0=2*IQ*REQ*(J1(β)/J0(β)), V0=IQ*REQ*1.4.............(3)
----环路增益和起振条件按下式计算:
----环路增益=gm*REQ*1/n, 当n=(C1+C2)/C2.......................(4)
----起振条件:
---- gm/((2π*C1*f0)(2π*C2*f0))>>(REQ/QT2)....................(5)
----距离中心频率一定频偏(fm)处Colpitts振荡器的相位噪声(PN)可按下式计算:
---- PN=in2*(1/V02)*[f0/(2Q0)]2*(REQ2/fm).....................(6)
---- 上述公式中:Co=压变电容耦合电容:CT=总谐振电容;CVAR=压变电容;fm=以Hz为单位的相位噪声频偏;fo=振荡频率;gm=双极晶体管跨导;in=集电结散粒噪声;IQ=振荡晶体管偏流;QL=电感Q;QT=谐振电路Q;QV=等效压变电容Q;REQ=谐振电路等效并联电阻;RS=压变电容串联电阻; VO=谐振电压均方根值。
免调节VCO的设计考虑
---- 免调节VCO从概念上讲非常简单。只要振荡器具有足够宽裕的调谐范围来消除所有的误差源(如元件容差)所引起的频率偏移控制工程网版权所有,振荡频率的调整就可以省去。初看起来,这项任务非常简单明了,只需提供足够的调谐范围来覆盖所有