壓控振蕩器的電路設計2

1、 1 緒論1.1 壓控振蕩器原理及發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)節(jié)可變電阻或可變電容可以改變波形發(fā)生電路的振蕩頻率，要求波形發(fā)生電路的振蕩頻率與控制電壓成正比。這種電路稱為壓控振蕩器，又稱為vco或u-f轉(zhuǎn)換電路。怎樣用集成運放構成壓控振蕩器呢？我們知道積分電路輸出電壓變化的速率與輸入電壓的大小成正比，如果積分電容充電使輸出電壓達到一定程度后，設法使它迅速放電，然后輸入電壓再給它充電，如此周而復始，產(chǎn)生振蕩，其振蕩頻率與輸入電壓成正比，即壓控振蕩器。其特性用輸出角頻率與輸入控制電壓之間的關系曲線(圖1.1)來表示。圖中為零時的角頻率，（，0）稱為自由振蕩角頻率；曲線在（，0）處的斜率稱為控制靈敏度。使振蕩器的工作

2、狀態(tài)或振蕩回路的元件參數(shù)受輸入控制電壓的控制，就可構成一個壓控振蕩器。在通信或測量儀器中，輸入控制電壓是欲傳輸或欲測量的信號（調(diào)制信號）。人們通常把壓控振蕩器稱為調(diào)頻器，用以產(chǎn)生調(diào)頻信號。在自動頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個受控部件。 圖1.1 壓控振蕩器的控制特性壓控振蕩器的類型有l(wèi)c壓控振蕩器、rc壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對壓控振蕩器的技術要求主要有：頻率穩(wěn)定度好，控制靈敏度高，調(diào)頻范圍寬，頻偏與控制電壓成線性關系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)頻范圍窄，rc壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬，lc壓控振蕩器居二者之間

3、。壓控振蕩器（vco）是一種振蕩頻率隨外加控制電壓變化的振蕩器，是頻率產(chǎn)生源的關鍵部件。頻率產(chǎn)生源是大多數(shù)電子系統(tǒng)必不可少的組成部分，更是無線通信系統(tǒng)的核心。在許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，vco是可調(diào)信號源，用以實現(xiàn)鎖相環(huán)（pll）和其他頻率合成源電路的快速頻率調(diào)諧。vco已廣泛用于手機、衛(wèi)星通信終端、基站、雷達、導彈制導系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)、數(shù)字無線通信、光學多工器、光發(fā)射機和其他電子系統(tǒng)。vco 對電子系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和成本都有決定性的影響。相位噪聲是vco的一項關鍵參數(shù)。低相位噪聲的vco將提高通信系統(tǒng)的頻帶利用率，增加數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，這是vco對電子系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的一個例證。

4、電子裝置和電子系統(tǒng)的發(fā)展不斷推動著vco技術的更新與進步。從現(xiàn)代和將來的無線系統(tǒng)，特別是無線移動通信系統(tǒng)，不僅具有很高的工作頻率，而且對小型化，輕量化，高性能化，多功能化，低功耗化和低成本化方面的要求不斷提高且日益迫切。為適應這一需求，人們利用先進的微電子技術。表面安裝技術(smt).表面安裝元器件(smc和smd)技術和現(xiàn)代電路設計等，建立了全新的vco技術，開發(fā)了許多工作頻率高，性能優(yōu)異，體積微校價格合理的vco產(chǎn)品投放市場，形成了新一代微波vco系列1。20世紀80年代末、90年代初，移動電話迅速發(fā)展，對帶封裝的振蕩器組件的需求也日益增長。這為vco組件的發(fā)展提供了難得的市場機遇。隨著新

5、型無線應用領域的不斷發(fā)展，各vco組件廠商開發(fā)了適合不同應用領域所需頻率的產(chǎn)品。由于表面安裝元件的不斷小型化，新開發(fā)的vco組件的尺寸也越來越小，成本也越來越低。vco組件在15年中其尺寸急劇減小，滿足了蜂窩電話等新型無線移動裝置對小型化的要求。20世紀90年代末期，出現(xiàn)了一種尺寸更小、成本更低的vco技術，這就是單片集成vco技術。單片集成vco是一種半導體集成電路器件，其全部電路元件均集成在同一芯片上。這種器件像vco組件一樣，是一個完整的vco，具有封裝和外引線。首批單片集成vco采用2英寸gaas ic工藝和單片微波集成電路（mmic）技術制造，是為衛(wèi)星接收機和雷達系統(tǒng)研制的。其工作頻

6、率高達數(shù)ghz，但成本高昂。大多數(shù)早期單片gaas vco的研究工作都是針對軍事應用展開的，很少涉及民用領域。在20世紀80年代，si-ic技術還是一種低頻技術，不能為單片集成vco提供上千兆赫茲的工作頻率和所需的帶寬2。 經(jīng)過研究與開發(fā)，1990年si-ic技術在高頻化和無源元件集成方面獲得重大進展，開發(fā)成功工作頻率很高的晶體管、變?nèi)荻O管和單片集成的高q值電感器與高頻電容器。這為高頻硅單片集成vco的研究與開發(fā)奠定了技術基礎。無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，要求大批量提供成本低、體積小、工作在8002500mhz頻段的vco。人們?yōu)榇碎_展了大量的研究與開發(fā)工作。硅單片vco ic由高頻雙極晶體管i

7、c技術和sicmos-ic技術研制而成。在硅單片vco ic的研制過程中，學術研究機構通常采用獲得廣泛應用的sicmos-ic技術，而工業(yè)界則采用rfic專用的bicmos技術。硅單片集成vco體積更小、成本更低并適合大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，而且可以采用rf收發(fā)前端的工藝技術進行制造。這表明，vco可以與混頻器、低噪聲放大器、鎖相環(huán)等其他rf收發(fā)前端的功能電路模塊實現(xiàn)集成。正是由于硅單片 vcoic具備這些潛在的優(yōu)勢，盡管早期產(chǎn)品性能欠佳，但人們對它的研究工作一直沒有停頓。通過不斷改進，其產(chǎn)品已廣泛應用于無繩電話、藍牙裝置、wlan、gps、dbs等無線裝置與系統(tǒng)之中。單片集成低相位噪聲sigevc

8、o技術近年來，sigebicmos技術的發(fā)展令人矚目，現(xiàn)已成為單片集成vco最有前途的制造技術。用sigebicmos技術制造的單片集成vco具有相位噪聲低等眾多優(yōu)異性能，可完全滿足gsm.cdma.wcdma和無線lan等現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)的要求。sigebicmos技術具有一系列優(yōu)于sibicmos技術和gaasic技術的性能，現(xiàn)已在無線通信系統(tǒng)ic芯片制造中獲得廣泛應用。sigebicmos技術采用sigehbt作有源器件，這是它與常規(guī)sibicmos技術的主要區(qū)別。sigehbt是基區(qū)為sige應變層。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)為硅的異質(zhì)結雙極晶體管，具有工作頻率高?；鶚O電阻低。擊穿電壓高等優(yōu)異特

9、性，其微波特性尤為突出。sigehbt的特征頻率已達到210ghz的高水平。在微波頻段，sigehbt已成為gaas器件的競爭對手。此外，sige的制造工藝可以同常規(guī)siic工藝相兼容。這種工藝兼容性使sige器件可以沿用硅大圓片ic的生產(chǎn)設施來進行制造。其生產(chǎn)成本比gaasic技術低得多。利用sigebicmos技術容易在同一芯片上實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的rf前端?；鶐盘柼幚黼娐泛蛿?shù)字信號處理電路的集成。采用sigebicmos技術制造單片集成vco有許多優(yōu)點，尤其在vco相位噪聲的降低方面作用突出。sigebicmoshbt改進了相位噪聲本底電平和小頻偏相位噪聲。vco的相位噪聲本底電平由有源

10、器件的散粒噪聲。振蕩電路中有源器件與無源器件的熱噪聲和偏置電路的注入噪聲共同決定。sigehbt不僅特征頻率很高，而且噪聲系數(shù)很小，對設計低相位噪聲vco特別有利。有源器件的最小噪聲系數(shù)是決定vco噪聲本底電平高低的主要因素。小頻偏相位噪聲主要同vco振蕩電路的加載q值。vco有源器件的閃爍噪聲與角頻率有關。sigehbt的閃爍噪聲小，角頻率也很低。這對降低小頻偏相位噪聲十分有利。sigebicmos技術除了能制造性能優(yōu)良的hbt之外，還能制造優(yōu)質(zhì)無源元件。這些片上集成的電感器，電容器等優(yōu)質(zhì)無源元件也為設計制造單片集成低相位噪聲vco創(chuàng)造了有利條件。sigebicmos技術發(fā)展至今，已經(jīng)形成0

11、.5mm.0.25mm和0.18mm三代不同水平的sige技術。運用sigebicmos技術研究，開發(fā)單片集成vco，已經(jīng)取得了許多成果。有三種全集成vco業(yè)已開發(fā)成功，其芯片均采用0.5mmsigebicmos生產(chǎn)工藝制造。今后，vco技術的研究與開發(fā)工作將繼續(xù)圍繞 vco組件和單片集成vco展開。但是，全集成單片vco技術是研究工作的重點，也是未來vco技術的發(fā)展方向。 為了適應現(xiàn)代無線系統(tǒng)發(fā)展的要求，vco組件不斷向小型、高頻、寬帶、高輸出化和特性多樣化方向發(fā)展。將采用新的超小型元件和更先進的薄膜技術與表面安裝技術，繼續(xù)推進vco組件封裝的微型化和表面安裝化。通過晶體管的改進及振蕩電路的

12、開發(fā)，解決好小型化帶來的諧振器q值降低的問題和低功耗引起的特性劣化問題。第四代移動電話以及其他工作在微波頻段高端的無線系統(tǒng)需要vco組件進一步提高工作頻率，實現(xiàn)vco組件的高頻化。開發(fā)工作頻率更高的微波vco組件是未來十分重要的研究課題。 sige bicmos等rf ic基礎工藝技術正在不斷發(fā)展與進步。半導體工藝制造有源器件與無源器件將具有更好的性能?，F(xiàn)在，即使用si工藝技術，也可制得超過50ghz的晶體管和高q值、大電容變比、低串聯(lián)電阻的優(yōu)質(zhì)變?nèi)荻O管。這類工藝技術還具有襯底損耗低、金屬化層厚、器件寄生元件少等特點。利用這類工藝技術可以制造相位噪聲低、工作頻率高、工作電流小的單片集成vco

13、。現(xiàn)代無線系統(tǒng)，尤其是現(xiàn)代無線移動通信系統(tǒng)，不僅要求vco自身小型化和低成本化，而且希望vco能同頻率合成器與收發(fā)機的其他單元電路進行單片集成，以達到減小整機體積和成本的目的。此外，單片集成vco的設計理論也在深化，設計技術也越來越先進。差分放大器、幅度控制、二次諧波抑止器、ic耦合變壓器、復合振蕩器、高頻結構設計等技術正不斷被納入單片集成vco的設計之中。利用單片集成vco技術把優(yōu)質(zhì)vco同收發(fā)機電路集成在一起的新產(chǎn)品不斷問世3。vco發(fā)展至今已有80多年的歷史，從早期的電子管vco，經(jīng)過分立晶體管vco，vco組件，最終實現(xiàn)vco的單片集成。vco是頻率源的關鍵器件，已廣泛應用于各種電子系

14、統(tǒng)之中。vco的性能對電子系統(tǒng)有決定性的影響?，F(xiàn)代無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展促進vco高頻化，形成了新一代微波vco。vco組件和單片集成vco是微波vco的主要結構形式，是目前無線系統(tǒng)采用的主流產(chǎn)品。雖然，在總體性能水平方面，單片集成vco目前還不如vco組件好，但它具有集成優(yōu)勢，仍然是vco未來發(fā)展的方向。在rf ic工藝技術中，sige bicmos技術是單片集成vco最有前途的制造技術。1.2 集成運算放大器原理及組成 運算放大器是目前應用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運放結構不同，但對于外部電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路，輸入級，中間級，輸出級，其中

15、輸入級一般是采用差動放大電路（抑制電源），中間級一般采用有源負載的共射負載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級一般采用互補對稱輸出級電路（提高電路驅(qū)動負載的能力），這里只是簡單的介紹一下，具體的實現(xiàn)比較復雜4。運算放大器的性能指標包括5個，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比cmrr。（開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小，要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。

16、共模抑制比放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路，cmrr越大越好。）但是我們涉及到的只是要求輸入端等效電阻無窮大，開環(huán)增益無窮大5。 圖1.2 運算放大器特性曲線 圖1.3 運算放大器輸入輸出端圖 圖1.2是運算放大器的特性曲線，一般用到的只是曲線中的線性部分，如圖1.3所示。對應的端子為“-”，當輸入單獨加于該端子時，輸出電壓與輸入電壓反相，故稱它為反相輸入端。對應的端子為“”，當輸入單獨由該端加入時，輸出電壓與同相，故稱它為同相輸入端。輸出：=a(-) ；a稱為運算放大器的開環(huán)增益（開環(huán)電壓放大倍數(shù)）。 在實際運用經(jīng)常將運放理想化，這是由于一般說來，運放的輸入電阻很

17、大，開環(huán)增益也很大，輸出電阻很小，可以將之視為理想化的，這樣就能得到：，。由得到=，于是兩個輸入端可以近似看作短路（稱為“虛短”），如果同向輸入端接地，反向輸入端與地幾乎同電位（稱為“虛地”）。由可知，輸入端電路近似等于0，故可把輸入端看作是斷路（稱之為“虛斷”）6。 集成運算放大器由輸入級，中間級，輸出級和偏置電路組成，如圖1.4。圖1.4 運算放大器組成(1)輸入級：高性能差放電路，輸入電阻大，共模抑制比大，靜態(tài)電流小。(2)中間級：復合管共射電壓放大電路，提供電壓放大。(3)輸出級：互補對稱輸出電路，帶載能力強，失真小。(4)偏置電路：電流源電路，提供合適的靜態(tài)工作點。1.3論文的研究內(nèi)

18、容 本課題的主要研究內(nèi)容是采用集成運算放大器設計壓控振蕩器的電路，并使用ewb仿真工具對其進行仿真。包括壓控鋸齒波發(fā)生器電路、壓控矩形波發(fā)生器電路、壓控三角波發(fā)生器電路、壓控方波發(fā)生器電路。所設計的電路應具有相應的功能及較好的性能。設計中要掌握電子電路設計的基本方法包括設計步驟、設計公式、參數(shù)計算及電子元器件的選擇，掌握ewb在電子電路設計中的應用。2 ewb2.1 ewb概述及其使用經(jīng)驗electronics workbench(簡稱ewb)即虛擬電子實驗臺。它是加拿大interactive image technologies公司推出的以windows為系統(tǒng)平臺的電路分析和設計軟件，適用于

19、板級模擬數(shù)字電路的設計工作。用電子模擬仿真軟件ewb分析、設計電路，具有工作界面優(yōu)化、直觀的特點，比較符合電路設計的一般步驟，而且實驗數(shù)據(jù)曲線比較完整，具有較強的電路仿真分析能力，電路設計者在設計電路過程中，可以不斷地修改電路和參數(shù)，即時觀察輸出結果并進行仿真調(diào)試，用電子模擬仿真軟件ewb進行電子電路設計的最大優(yōu)點是可以節(jié)約大量的時間和資金，尤其是在電路設計完成后進行電路仿真分析時，不用擔心元器件和電子儀器的損壞。ewb主要是利用電子計算機的計算功能來完成對模擬電路、數(shù)字電路、混合電路的性能仿真和分析。當其在電子工作實驗平臺上創(chuàng)建一個電路圖后，系統(tǒng)便可啟動電子工作實驗平臺上的電源開關，并選擇適

20、當?shù)姆抡娣治龇椒?，來從示波器等虛擬儀器上看到仿真分析結果。ewb提供了4種模擬虛擬儀器(數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、波特圖儀)和3種數(shù)字虛擬儀器(字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀)因而能提供多種仿真分析方法，并可根據(jù)仿真電路、仿真目的和要求進行選擇。這些仿真分析方法主要有直流工作點分析、瞬態(tài)分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、交直流靈敏度分析、傳函分析等7。ewb是介于電子線路理論設計及實際運作之間的有效虛擬工作平臺，它不但具備電路設計的功能，還能對整個電路信號及系統(tǒng)進行仿真分析。用它設計的電路原理圖可直接輸出給目前流行的電路輔助設計軟件，如protel、orcad等，以用來設計印制電路

21、板。但在實際操作中，也發(fā)現(xiàn)了ewb一些不盡如人意的地方，具體如下：(1)ewb缺少undo功能，這使得實際操作過程中出現(xiàn)了一些不便。(2)ewb會自動調(diào)整布線并無法禁止此功能，這樣就無法完全按照設計者的要求走線。(3)創(chuàng)建子電路圖是一個不可逆過程，在搭建一個比較復雜的系統(tǒng)時，通常我們采用創(chuàng)建子電路的方法來使電路得到簡化，但是，ewb的子電路創(chuàng)建過程是一個不可逆的過程，一旦創(chuàng)建就無法取消。用ewb進行仿真模擬實驗，其實驗過程非常接近實際操作效果，且各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會象在實際操作那樣多次換下元件而損壞器件。故而電路調(diào)試快捷方便 ewb軟件不但提供了各種豐富的分贏元件和集成電路等

22、元器件，還提供了各種豐富的調(diào)試測量工具，因而是一個全開放的仿真實驗平臺。2.2 ewb對電路的仿真分析ewb對電路進行仿真分析的具體步驟如下：(1)建立原始電路圖，選擇仿真分析儀器；(2)選擇仿真分析方法；(3)進行仿真參數(shù)設置；(4)啟動仿真，并將仿真結果用示波器以波形或分析顯示圖形式以數(shù)據(jù)表格、波形形式、曲線形式輸出。 3 壓控振蕩器設計要點壓控振蕩器一般分為晶體壓控振蕩器和lc壓控振蕩器對于各種用途的晶體壓控振蕩和lc壓控振蕩，設計時應考慮的指標大體上可以分為以下幾個方面：(1)壓控曲線的線性度，靈敏度及壓控范圍。(2)振蕩頻率的精度及其穩(wěn)定度。(3)振蕩輸出的幅頻及其頻譜純度。(4)振

23、蕩器功率及其負載能力。以上是對一般壓控振蕩器的總體要求，但對晶體壓控振蕩器和壓控振蕩器，甚至對不同用途的晶體壓控振蕩器及l(fā)c壓控振蕩器，其設計要求也不一樣，而且指標之間有些是相互矛盾的。因此設計時只能根據(jù)需要，選定對系統(tǒng)影響最大的參數(shù)作為設計要點， 其它的則可相互折衷考慮8。3.1 選擇電路的類型振蕩電路型式主要是根據(jù)所給定的工作頻率和頻率穩(wěn)定度的要求來選擇的。由于不同型式的各種振蕩器所適用的工作頻率范圍和頻率穩(wěn)定度都差不多，所以電路選擇比較靈活，往往是不同形式的電路都可以滿足某種技術指標的要求。lc壓控振蕩器常用于幾百千赫到幾十兆赫以至上百兆的頻率范圍，頻率穩(wěn)定度一般低于10-4，當頻率穩(wěn)定

24、度要求很高時。例如，要優(yōu)于10-5，則必須采用晶體壓控振蕩器。但對要求頻偏大、線性好及靈敏度高的電路，則必須選用lc壓控振蕩器至于頻譜純度要求，則可通過對壓控振蕩器及線路環(huán)中各參數(shù)的精密調(diào)試來達到。3.2 振蕩管的選擇目前，雖然也有用場效應管作為振蕩管的，但還是以用晶體管作振蕩管最多。在選擇晶體管的型號時，主要是從振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩功率以及能否滿足起振條件來考慮。另外，在很多應用場合，還應考慮管子的基噪等問題。3.3 變?nèi)莨艿倪x擇由于壓控振蕩器頻率的改變是借助變?nèi)莨茈娙莸母淖儊硗瓿傻摹Ｒ虼?，壓控振蕩器的許多重要指標，如頻偏、線性度、靈敏度甚至基噪等，都與它有關。因此，無論對晶體壓控振蕩

25、器，還是lc壓控振蕩器，變?nèi)荻O管都是一個相當關鏈的另件。在選擇變?nèi)荻O管時，應綜合考慮頻偏。壓控靈敏度、非線性失真、中心頻率及最高反向工作電壓諸因素。3.3.1 適當?shù)姆聪蚱珘河汕€(圖3.1)可知，一般的變?nèi)荻O管在反向偏壓較高時，電容變化很小，即斜率較小，有可能達不到對靈敏度的要求。面在反向偏壓較低時，電容變化雖然較大， 但其受溫度影響也較大，而且在這兩個區(qū)域，壓控曲線線性度差，所以一般變?nèi)荻O管的工作偏壓選在c-v特性曲線線性較好，而斜率又不太小的區(qū)段。由于變?nèi)荻O管參數(shù)有一定的離散性，因此，有條件的話，可測試選用的變?nèi)荻O管的壓控曲線，以便選定最佳位置。圖3.1 曲線3.3.2 變?nèi)?/p>

26、二極管的品質(zhì)因數(shù)所選變?nèi)莨艿钠焚|(zhì)因數(shù)越高越好。需要說明的是，在頻譜純度要求較高的情提下，應根據(jù)相位噪聲需要來選擇工作偏壓，一般說來，變?nèi)荻O管要在盡可能高的電壓上工作，這樣變?nèi)荻O管可得到高的品質(zhì)因數(shù)和良好的溫度特性。在選不到合適電容值的變?nèi)荻O管時，或所選合適的電容值與最佳偏壓范圍相矛盾時，可考慮將變?nèi)莨艽?lián)或并聯(lián)的方法。但變?nèi)荻O管串聯(lián)使用時，一般不超過2個。并聯(lián)使用時，一般不超過36個。品質(zhì)因數(shù)相同的變?nèi)荻O管串聯(lián)或并聯(lián)以后，總的等效變?nèi)莨艿钠焚|(zhì)因數(shù)仍保持不變。3.4 lc諧振回路的選擇對lc壓控振蕩器來說，lc振蕩回路形式及參數(shù)的選擇直接影響振蕩器的穩(wěn)定度、壓控線性度、基噪及頻率相對覆

27、蓋等指標。壓控非線性系數(shù)定義為：=低/高=（/）低/（/）高 （3-1）當=1時，壓控曲線為一條直線。偏離1越大，壓控曲線的非線性越嚴重。如果根據(jù)線路需要，確定了振蕩回路形式后，接下來就必須確定回路的具體參數(shù)了。選取的原則為：(1)符合振蕩頻率的要求。(2)振蕩器的有載值應盡可能接近振蕩回路的空載值。(3)具體的回路電容應大于總的不穩(wěn)定電容并滿足盡可能小。一般取值范圍為。(4)選定回路電容后，回路的電感求值公式為： （3-2）3.5 晶體的選擇晶體電特性等效電路為：串聯(lián)振蕩頻率： （3-3）并聯(lián)振蕩器頻率： （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）晶體損耗電阻一般為10200q，電容的范

28、圍為48pf。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度及相位噪聲主要取決于晶體的參數(shù)，園此，在選擇晶體時要非常慎重。3.6 阻容元件的選擇電阻和電容種類很多，正確選擇電阻電容很重要。不同的電路對電阻和電容性能要求也不同。有些電路對電容的漏電要求很嚴，還有些電路對電阻，電容的性能和容量要求很高。設計時需要根據(jù)電路的要求，選擇性能和參數(shù)合適的阻容元件，并要注意功耗，容量，頻率和耐壓范圍是否滿需要求9。3.7 分立元件的選擇分立元件包括二極管，晶體三極管，場效應晶體管，光敏二極管，晶閘管等。根據(jù)其用途分別進行選擇。選擇的器件種類不同，注意事項也不同。例如選擇晶體三極管的時候，首先注意是npn型還是pnp型管，是高

29、頻管還是低頻管，是大功率管還是小功率管，并注意管子的參數(shù)是否滿足電路設計指標的要求，在ewb元器件庫中選擇的元器件，可通過其屬性對話框確定元器件的參數(shù)和工作條件。3.8 集成電路選擇由于集成電路可以實現(xiàn)很多單元電路甚至整機電路的功能，所以選擇集成電路設計單元電路和總體電路既方便又靈活，它不僅是系統(tǒng)體積縮小，而且性能可靠，便于調(diào)試及運行，在ewb元器件庫中選擇集成電路，可通過其性能表或功能真值表了解集成電路的參數(shù)和工作條件。集成電路有模擬集成電路和數(shù)字集成電路。3.9 壓控靈敏度，壓控線性及壓控頻偏由于晶體周有的性質(zhì)，使得晶體壓控振蕩器的壓控靈敏度、壓控線性及壓控頻偏均不如lc壓控振蕩器。在實際

30、應用時，我們可通過采取各種措施來滿足不同電路的需要。壓控靈敏度是指在規(guī)定的控制電壓范圍內(nèi)，每伏控制電壓變化所引起的振蕩器頻率變化的大小。晶體壓控振蕩器頻率改變主要是借助負載電容的改變，而負載電容的改變又主要靠變?nèi)荻O管結電容的改變。因此，要提高靈敏度，必須選電容小且變?nèi)萋蚀蟮淖內(nèi)荻O管。在壓控晶體振蕩器的應用中，希望頻率隨控制電壓的變化呈線性關系。但由于變?nèi)荻O管本身的c-v特性是非線性的，要得判線性好的壓控振蕩器，電路設計中就要采取定的措施。(1)用一變?nèi)荻O管與一小電容串聯(lián)，可改善振蕩器的壓控線性。(2)一般變?nèi)荻O管在控制電壓較低時，電容隨電壓的變化率較大，相應引起的頻率變化也比較大。反

31、之，頻率隨控制電壓的變化率比較小。所以，當控制電壓從某中心向正負方向?qū)ΨQ變化時，引起的頻率變化并不對稱。曲線如圖3.2所示。如果選另一變?nèi)荻O管，控制電壓較高時，變?nèi)荻O管電容很小，頻率隨電容變化靈敏度高；控制電壓較低時，頻率隨電容變化的靈敏度低，這就出現(xiàn)了圖3.3的曲線。如果把上述兩種非線性曲線組合起來，并盡可能在所要求的電壓控制范圍內(nèi)相互抵消，這樣就可在一定范圍內(nèi)得到較好的線性度。如圖3.4所示。這種方法的關鍵是找到合適參數(shù)的變?nèi)荻O管。 圖3.2 曲線1 圖3.3 曲線2圖3.4 組合曲線4 壓控振蕩器設計流程及元器件介紹4.1 設計流程首先根據(jù)發(fā)生器的原理圖設計各環(huán)節(jié)實際電路圖，其次查

32、看電路中所需要的元器件是否存在，然后確定電路中各元器件的選擇和參數(shù)，最后使用ewb建立仿真模型。根據(jù)各個發(fā)生器的組成結構以及ewb的特點，選擇采用模塊化設計方法。用ewb模擬連接實際電路，用虛擬示波器測試各環(huán)節(jié)波形，分析測試，調(diào)整電路。最后根據(jù)仿真得到的結果和理論值相比較。工作流程如圖4.110。圖4.1 壓控振蕩器設計流程圖4.2 元器件介紹 圖4.2 ewb中電阻元器件電阻，它是導體的一種基本性質(zhì)，與導體的尺寸、材料、溫度有關。電阻的基本單位是歐姆，用希臘字母“”表示。有這樣的定義：導體上加上一伏特電壓時，產(chǎn)生一安培電流所對應的阻值。電阻的主要職能就是阻礙電流流過。它的作用有限流，分流，分

33、壓。 圖4.3 ewb中電位器元器件電位器是一種可調(diào)的電子元件。電位器的作用是調(diào)節(jié)電壓（含直流電壓與信號電壓）和電流的大小。 圖4.4 ewb中穩(wěn)壓二極管元器件穩(wěn)壓二極管的作用，穩(wěn)壓二極管也稱齊納二極管或反向擊穿二極管，在電路中起穩(wěn)定電壓作用。它是利用二極管被反向擊穿后，在一定反向電流范圍內(nèi)反向電壓不隨反向電流變化這一特點進行穩(wěn)壓的。圖4.5 ewb中二極管元器件二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?，也就是在正向電壓的作用下，導通電阻很小；而在反向電壓作用下導通電阻極大或無窮大。圖4.6 ewb中npn晶體管元器件 晶體管（是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它

34、功能。晶體管作為一種可變開關，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開關，和一般機械開關不同處在于晶體管是利用電訊號來控制，而且開關速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100ghz以上。 圖4.7 ewb中電容元器件所謂電容，就是容納和釋放電荷的電子元器件。電容的基本工作原理就是充電放電， 當然還有整流、振蕩以及其它的作用。另外電容的結構非常簡單，主要由兩塊正負電極和夾在中間的絕緣介質(zhì)組成，所以電容類型主要是由電極和絕緣介質(zhì)決定的。圖4.8 ewb中三端集成運算放大器元器件運算放大器（常簡稱為“運放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡共同組成某

35、種功能模塊。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中11。 5 壓控振蕩器電路設計壓控振蕩器，調(diào)節(jié)可變電阻或可變電容可以改變波形發(fā)生電路的振蕩頻率，其輸出信號的頻率受輸入電壓線性控制12。5.1 壓控鋸齒波發(fā)生器5.1.1 電路元器件的選擇表5-1 壓控鋸齒波電路元器件選擇電阻器6個二極管1個三端運算放大器2個電容1個穩(wěn)壓二極管2個示波器1個5.1.2 壓控鋸齒波發(fā)生器電路設計仿真圖5.1 壓控鋸齒波發(fā)生器由可組成比較器。其高閾值為，低閾值為。輸出矩形波峰值為。由可構成反相積分器，正程輸入電壓為，回程輸入電壓為。輸出鋸齒波。上峰值為，下峰值為。鋸齒

36、波的頻率受控制。大，頻率高。小，頻率低?；娟P系是： （5-1） （5-2）， （5-3）， （5-4）應用集成運放設計壓控鋸齒波發(fā)生器，電路圖如圖5.1所示?？刂齐妷簽?10，輸出鋸齒波頻率為01，輸出峰值為313。(1)選擇， 。，選擇理想型集成運放。其，短路電流：流出為40，流入為18ma。電源電壓為15時，飽和輸出電壓為13。，選擇理想型穩(wěn)壓二極管，=5.1，=5。選擇理想型高速開關二極管。 （5-5） 取系列值1.6。(2)選擇，。因為選擇理想輸入式集成運放，所以短接，。 （5-6），則 （5-7）(3)選擇,c。 （5-8）取c=0.1,當=10時，則 （5-9）圖5.2 壓控鋸齒

37、波傳輸特性采用ewb軟件對圖5.1的電路進行仿真，仿真結果如圖5.3所示。結果表明設計電路正確。圖5.3 鋸齒仿真波形5.2 壓控矩形波發(fā)生器5.2.1 電路元器件的選擇表5-2 壓控矩形波電路元器件選擇電阻器5個npn晶體管1個二極管3個三端運算放大器2個電容2個電位器1個示波器1個5.2.2 壓控矩形波發(fā)生器電路設計仿真圖5.4 壓控矩形波發(fā)生器由可組成反相積分器，由可構成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。由和可組成恒流源。當=0時，=，為的飽和輸出電壓。充電，（正向壓降）；截止，。輸入（正電壓）后，反相積分，積分電流，隨時間下降，經(jīng)時間后，(為正向壓降)，被處觸發(fā)，=，vt導通，積分電流變?yōu)?。設計時，使

38、。暫穩(wěn)態(tài)時間。經(jīng)時間后，變?yōu)楦唠娖?，重復上述過程。為鋸齒波，為矩形波?；娟P系是： （5-10） （5-11） （5-12） （5-13）式中為鋸齒波的峰峰值。應用集成運放設計壓控矩形波發(fā)生器，電路圖如圖5.4所示。輸入電壓為010，振蕩頻率為為01，矩形波峰值10，單態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)時間（）為100。鋸齒波輸出電壓的峰峰值為5。(1)選擇， 。，選擇理想型集成運放。電源電壓取15，飽和輸出電壓=13。選擇理想型晶體管。，選擇理想型高速開關二極管。(2)選擇，。 （5-14）令，則 取 （5-15） （5-16）令=8200則 （5-17）選擇約數(shù)17.6。(3)選擇，。取=0.01，當=10

39、時， （5-18） （5-19） （5-20）當=10時，（5-21） （5-22）符合要求。 （5-23）取=18，=10，由和組成。采用ewb軟件對圖5.4的電路進行仿真，仿真結果如圖5.5所示。結果表明設計電路正確。圖5.5 矩形波仿真波形5.3 壓控三角波方波發(fā)生器i5.3.1 電路元器件的選擇表5-3 壓控三角波方波電路元器件選擇電阻器13個二極管6個穩(wěn)壓二極管1個三端運算放大器4個電容1個示波器1個5.3.2 壓控三角波方波發(fā)生器i電路設計仿真圖5.6 壓控三角波方波發(fā)生器i，兩個反相器的組成完全相同，。由可組成反相型積分器。由可構成遲滯比較器。設計時應保證的飽和輸出電壓。當輸出為

40、時，截止，導通，積分器對積分。當為時，導通，截止。積分器對積分。由于和的大小相等，符號相反，所以輸出對稱的三角波（）。又由于比較器的上下閾值電壓大小相等，符號相反，所以比較器輸出對稱的方波（）。及可構成限幅電路，使方波輸出為。為的穩(wěn)壓值。為二極管正向壓降（0.7）?；娟P系是： （5-24） （5-25） （5-26） （5-27）應用集成運放設計壓控振蕩器設計三角波-方波發(fā)生器。輸入電壓為010，振蕩頻率為01，方波峰值為7，三角波峰值為3.5。(1)選擇，。選擇理想型運算放大器，電源開關為15，飽和輸出電壓=13.5，=13。選擇理想型開關二極管。選擇理想型穩(wěn)壓二極管。其=5.6，=5。(

41、2)選擇，。因，均組成反相器，所以,。取=10，短接，。(3)選擇，。 （5-28）為耦合電阻，取=10。因為三角波的峰值為3.5，則： （5-29） （5-30） （5-31） 取=20，則：=0.520=10 （5-32）(3)選擇， 。取=0.01，10，=1，因為： （5-33） （5-34）取約數(shù)71.5。采用ewb軟件對圖5.6的電路進行仿真，仿真結果如圖5.7所示。結果表明設計電路正確。 圖5.7 三角波方波仿真波形5.4 壓控三角波方波發(fā)生器ii5.4.1 電路元器件的選擇表5-4 壓控三角波方波電路元器件選擇電阻器8個二極管1個穩(wěn)壓二極管2個三端運算放大器2個電容1個示波器1

42、個 續(xù)表5-4電位器2個npn晶體管1個5.4.2 壓控三角波方波發(fā)生器ii電路設計仿真圖5.8 三角波方波發(fā)生器ii由組成比較器。其閾值電壓，即=。其輸出為方波，峰值為(飽和輸出電壓)。由組成積分器，輸出為三角波，峰值為。當=-時，截止，=。0時，反相積分。當下降到稍低于時，變?yōu)椤?，導通。導通，導致正向積分。當上升稍大于時。變?yōu)?。以此類推，產(chǎn)生振蕩。用于調(diào)節(jié)頻率?；娟P系是： ,，, （5-35），。應用集成運放設計壓控振蕩器設計三角波-方波發(fā)生器。輸入電壓為01，振蕩頻率為01，方波峰值為12，三角波峰值為2.5。 (1)選擇，。，選擇理想型運算放大器，因輸出方波值為12。電源開關為1

43、5，飽和輸出電壓=12，因三角波峰為2.5。故，選用理想型穩(wěn)壓二極管。其=5.1，=5。選擇理想型高速開關二極管。選用理想型npn三極管。 (2)選擇，。 （5-36）因的峰值等于2.5，即的峰值等于。取=10。，去=8.2， =4.7。(3)選擇，。 （5-37）令=470，=1,=1，則 （5-38）和為輸入分壓電阻，取=68。取導通時=0.2，發(fā)射節(jié)點電壓=0.7，則， （5-39）令，取=47，=10，由和組成。采用ewb軟件對圖5.8的電路進行仿真，仿真結果如圖5.9所示。結果表明設計電路正確。圖5.9 三角波方波仿真波形6 電路仿真調(diào)試中遇到的問題 6.1 不起振和容易停振所遇到問題：(1)反饋電壓極性接反。(2)直流工作點過低。(3)負反饋過大。(4)變?nèi)莨芊聪蚱珘翰缓线m。 解決方法：(1)改變反饋極性。(2)改變偏置電路參數(shù)。(3)適當減小負反饋。(4)調(diào)整偏壓。6.2 靜態(tài)分析失敗所遇到問題：仿真過程遇到“模擬失敗”和“程序不收斂”，出現(xiàn)“gmin stepping failed”“source stepping fail