基于Multisim11的壓控振蕩電路仿真設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 ： 基于Multisim11的壓 控振蕩電路仿真設(shè)計(jì) 所在學(xué)院： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 合作導(dǎo)師： 日期： 2013 年 10 月 31 日7文獻(xiàn)綜述一、前言通過(guò)對(duì)各種文獻(xiàn)的查閱，使自己懂得了壓控振蕩電路在各個(gè)方面中應(yīng)用的重要性，壓控振蕩器顧名思義就是輸出的振蕩頻率隨著輸入控制電壓變化的振蕩器。眾所周知的電抗管振蕩器已用于短波接收機(jī)等的本振自動(dòng)頻率控制及調(diào)頻器中。采用壓控振蕩器的還有自動(dòng)相位控制電路,以及遙測(cè)裝置中作為電壓一頻率變換器的傳感器等許多方面, 目前通訊工程的各個(gè)領(lǐng)域也正在廣泛采用。近年來(lái), 由鎖相環(huán)構(gòu)成的時(shí)鐘穩(wěn)定電路、頻率

2、合成器以及時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路得到了廣泛應(yīng)用. 壓控振蕩器( Voltage-Controlled Oscillator, VCO) 作為鎖相環(huán)中的核心部分, 對(duì)它的研究近些年得到了特別的關(guān)注. 功耗的降低一直是集成電路設(shè)計(jì)的一個(gè)努力方向, 因此, 低電壓低功耗的壓控振蕩器的設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn).常見(jiàn)的VCO有LC壓控振蕩器、環(huán)形振蕩器和晶體壓控振蕩器( VCXO)。LC 壓控振蕩器可獲得很好的相位噪聲特性, 良好的穩(wěn)定性, 并且振蕩頻率極高( 達(dá)幾吉赫茲) , 然而由于可調(diào)電容部分占電路總電容的比例很小, 造成此種振蕩器的頻率調(diào)節(jié)范圍不大。目前主流的CMOS 工藝在片上集成高Q值的電感也比較困難,而

3、且往往不能提供精確的電感模型. 環(huán)形振蕩器線(xiàn)性度好, 功耗小, 成本低, 易于集成, 調(diào)節(jié)范圍寬, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn), 基本組成單元可以是反相器或差分對(duì). 由于環(huán)形振蕩器不使用電感, 所以和CMOS 工藝兼容性非常好。但是環(huán)形振蕩器穩(wěn)定性不如LC 壓控振蕩器, 而且隨電壓的波動(dòng), 輸出變化太快, 不容易控制. 晶體壓控振蕩器( VCXO) 工作頻率很準(zhǔn)、穩(wěn)定, 僅與所選定晶體器件有關(guān)。但成本較高( 相對(duì)民用消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品) ,一般用于特殊要求或與時(shí)鐘、儀表、軍工及通訊類(lèi)產(chǎn)品合用。二、主題部分1、環(huán)形振蕩器通過(guò)對(duì)這幾篇關(guān)于環(huán)形振蕩器設(shè)計(jì)的文章可以了解到基于環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于集成而且功耗低的優(yōu)點(diǎn),

4、 文中提出了一個(gè)全差分環(huán)形壓控振蕩器的設(shè)計(jì)方案, 通過(guò)調(diào)節(jié)交叉耦合晶體管對(duì)的電阻值來(lái)對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行頻率調(diào)節(jié), 該電路工作于1.8V的低電源電壓下, 具有良好的線(xiàn)性度、較寬的線(xiàn)性范圍以及較高的工作頻率. 大多數(shù)應(yīng)用要求振蕩器頻率為可調(diào)的, 即其輸出頻率是一個(gè)控制輸入的函數(shù), 這個(gè)控制輸入通常是電壓, 這樣的振器就是壓控振蕩器(VCO)。圖1為一個(gè)理想VCO 的振蕩頻率與輸入控制電壓關(guān)系的特性曲線(xiàn)。.圖1 理想VCO 的振蕩頻率與輸入控制電壓關(guān)系曲線(xiàn)由于SMIC 0.18Lm CMOS 工藝不支持制作集成電感和變?nèi)荻O管的工藝, 也不提供相應(yīng)器件的模型, 因此, 設(shè)計(jì)的VCO電路采用常用的環(huán)形V

5、CO結(jié)構(gòu)。再考慮到全差分結(jié)構(gòu)比單端結(jié)構(gòu)對(duì)共模噪聲抑制能力更強(qiáng), 本設(shè)計(jì)最終選用全差分環(huán)形VCO。壓控振蕩器( VCO) 是鎖相環(huán)的核心部件,文中設(shè)計(jì)了一種可于低電壓下應(yīng)用的四級(jí)全差分環(huán)形壓控振蕩器,基于SMIC 0. 18Lm CMOS 工藝仿真得到VCO 輸出擺幅為500mV,中心頻率為635MHz,輸出頻率范圍較寬,在整個(gè)電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi),輸出擺幅變化不超過(guò)20mV,壓頻增益的線(xiàn)性度非常好, 此電路功耗較低, 僅為6mW, 振蕩在中心頻率時(shí)的均方根抖動(dòng)3.91ps。該VCO 可應(yīng)用于鎖相環(huán)構(gòu)成的時(shí)鐘穩(wěn)定電路,鎖相環(huán)型頻率合成器以及時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路中。2、晶體管壓控振蕩器電路VCO 電路結(jié)構(gòu)有

6、多種, 考慮到調(diào)試方便與成本,這里選擇晶體管壓控振蕩器電路, 具體的電路原理圖如圖2所示, 主要由諧振網(wǎng)絡(luò)、晶體管放大電路和輸出反饋網(wǎng)絡(luò)3 部分組成。根據(jù)指標(biāo)要求, 晶體管選用低噪聲NE68119 ,其工作頻率可達(dá)到3 GHz, 變?nèi)荻O管SMV1251( 工作電壓為0到8 V, 結(jié)電容為37.35到2.03 pF) ,電阻R3為反饋電阻, 用于改善系統(tǒng)穩(wěn)定系數(shù), L2到L7 均為扼流圈, 提供變?nèi)荻O管偏置電路通路, C8 為反饋電容, 兩個(gè)變?nèi)荻O管反向串接可減小寄生調(diào)制。輸出端的總相位噪聲L( fm) 隨QL值的增大而減小,信號(hào)取至放大器輸出端時(shí), 總相位噪聲L ( fm) 為式中, f

7、m、f0、fc為偏離載頻、載頻標(biāo)稱(chēng)頻率和三極管放大電路的拐角頻率, F為放大器的噪聲系數(shù),K為波爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度,PSi為信號(hào)功率。根據(jù)VCO的設(shè)計(jì)指標(biāo)和三極管NE68119的參數(shù),在要求的相位噪聲指標(biāo)下,品質(zhì)因素QL達(dá)到540。采用ADS2006A 對(duì)路的相位噪聲進(jìn)行仿真,通過(guò)建立相位噪聲仿真模型, 射頻信號(hào)源提供11075GHz的射頻信號(hào), 經(jīng)過(guò)噪聲調(diào)制器調(diào)制, 再傳輸給解調(diào)器, 最后得到噪聲信號(hào)。圖2 基于變?nèi)荻O管的壓控振蕩器低噪聲晶體管NE68119工作于+5 V, 需要考慮直流偏置設(shè)置、增益和穩(wěn)定系數(shù)3個(gè)方面。通過(guò)對(duì)三極管的建模與仿真, 在三極管的集電極與發(fā)射極間增加交流反

8、饋電路, 提高穩(wěn)定系數(shù), 并調(diào)整相關(guān)電路參數(shù), 使得Ic= 611 mA時(shí), 穩(wěn)定系數(shù)均大于1,增益達(dá)到10dB,最后得到如圖1 所示的完整電路。3、利用電容充放電的電壓一頻率變換器利用電容充放電的壓控振蕩器也包括上述不穩(wěn)多諧振蕩器的壓控振蕩器, 除此之外, 還有許多形式/圖3 示出一種典型電路。該電路的基本工作原理由圖4 來(lái)說(shuō)明。晶體管么作為恒流源來(lái)給電容充電, 該電流約和輸入電壓成正比。因電容充電, A 點(diǎn)電位上升, 但當(dāng)它到達(dá)某一數(shù)值時(shí), QZ 這個(gè)“ 開(kāi)關(guān)” 就閉合, 電容就放電。此開(kāi)關(guān)短時(shí)間閉合后又打開(kāi), 電容器又充電。電路重復(fù)這一過(guò)程, 就產(chǎn)生振蕩。重復(fù)周期由電容器的充電電壓從某一

9、數(shù)值到達(dá)另一定值的時(shí)間所決定。但它大體上和Q, 的充電電流成反比。因此如果用輸入電壓來(lái)改變充電電流時(shí), 就可以改變振蕩頻率。圖9 就是其實(shí)際電路。其中心, , 仇分別是電容器的充電電流源和放電開(kāi)關(guān), 工作過(guò)程如前所述。么么組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器, 產(chǎn)生閉合開(kāi)關(guān)(吼)的控制信號(hào)。電容器充電時(shí), 圖中A 點(diǎn)的電位升高, 當(dāng)比B 點(diǎn)的電位高時(shí), 二極管D 、導(dǎo)通, 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器就翻轉(zhuǎn)。單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸出通過(guò)二極管幾將晶體管姚接通, 使電容器放電。此電路的優(yōu)點(diǎn)是, 頻率可調(diào)范圍極寬, 在一定參數(shù)下可達(dá)。0.5 一500赫的變化范圍,而且輸入輸出之間的線(xiàn)性關(guān)系很好。圖4 電路的工作原理圖圖3 利用

10、電容充放電的壓控振蕩器4、555集成電路基于振蕩的典型電路由555集成電路構(gòu)成的振蕩器,以其簡(jiǎn)潔的電路形式和較高的性能價(jià)格比, 在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。圖5為常用的振蕩器連接方法,定時(shí)電阻為Ra和Rb,其連接點(diǎn)接到555的DIS 端(7 腳) , C 為定時(shí)電容。開(kāi)機(jī)加上電源電壓Vcc時(shí),內(nèi)部觸發(fā)器被復(fù)位,輸出翻轉(zhuǎn)為低電平,DIS端內(nèi)部導(dǎo)通,使C通過(guò)Rb放電。當(dāng)C上電壓Vc=1/3Vcc時(shí)。內(nèi)部觸發(fā)器被置位,輸出又翻轉(zhuǎn)為高電平,DIS內(nèi)部截止。一個(gè)周期結(jié)束, 新的振蕩周期重新開(kāi)始。電容C在充電和放電過(guò)程中,其電壓在1/3Va到2/ 3Vcc之間變化。圖5 由555構(gòu)成的基本振蕩器及翰出波形在圖

11、6 中, R 應(yīng)滿(mǎn)足R大于等于10千歐這一條件, 以免因充放電電流過(guò)大使輸出電壓下降太多。RL 的作用是提升高電平輸出電壓, 使其接近Vcc,對(duì)555型可用10千歐 電阻,對(duì)7555型可用10千歐左右。應(yīng)充分注意的是, 在輸出驅(qū)動(dòng)較重負(fù)載時(shí)。輸出電壓的峰峰值將變小且不穩(wěn)定, 輸出的占空比和頻率也將受到影響。圖6 占空比為l/ 2 的方波振蕩器5、用兩只運(yùn)放構(gòu)成的壓控振蕩器電壓/頻率轉(zhuǎn)換是模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)不可缺少的部分。在儀器儀表, 自動(dòng)控制中得到廣泛的應(yīng)用, 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中更是經(jīng)常碰到。一般的電壓/頻率轉(zhuǎn)換線(xiàn)路都比較復(fù)雜, 市售的壓控振蕩IC電路價(jià)格較昂貴。這里介紹一種簡(jiǎn)單的線(xiàn)路用兩只運(yùn)放構(gòu)成的壓

12、控振蕩器, 穩(wěn)定、低廉而有效, 很實(shí)用。圖7是原理圖。它看起來(lái)有些象三角波發(fā)生器, 其實(shí)它除了輸出窄脈沖外, 也輸出同頻的鋸齒波。頻率正比于控制電壓U in, 運(yùn)放施加正負(fù)電源電壓: VSS= - VCC 。“ 7”點(diǎn)是脈沖輸出端。圖7 兩只運(yùn)放組成的壓控振蕩器三、總結(jié)由于本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)壓控振蕩電路的控制電壓為1V-10V。壓控振蕩電路的頻率范圍在200Hz-1KHz。所以在壓控振蕩電路的選擇上就要考慮到控制電壓的范圍問(wèn)題，還有就是頻率控制和精度方面也要考慮到位。在我選擇的幾篇文章中，只是很簡(jiǎn)單的介紹了壓控振蕩電路的組成結(jié)構(gòu)以及原理，具體參數(shù)的確定還需要進(jìn)一步的查閱資料進(jìn)行分析計(jì)算，壓控振蕩電路有很多種，我將在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中選擇和參考一種最適合的電路去完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1宋強(qiáng),實(shí)驗(yàn)師,主要從事應(yīng)用電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)工作.555集成電路基于振蕩的典型電路分析和改進(jìn).丹東紡專(zhuān)學(xué)報(bào)（2002）04.2熊俊俏, 夏敏.900MHz壓控振蕩器設(shè)計(jì).武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院,武漢430073.3EEE雜志社，電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)手冊(cè)，國(guó)防出版社，154.4伍翠萍,何波,于