A4 模擬對(duì)講機(jī)單元電路模塊化-鎖相環(huán)路部分(draft)

1、模擬對(duì)講機(jī)單元電路模塊化鎖相環(huán)路部分前言鎖相環(huán)路部分是整個(gè)模擬對(duì)講機(jī)的心臟部分，它主要包括三個(gè)子電路單元，即，壓控振蕩器(VCO)、環(huán)路濾波器(LF)和頻率合成器(FS)。鎖相環(huán)路的性能指標(biāo)主要有相位噪聲、鎖定時(shí)間等，鎖相環(huán)路的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)都有較大影響，所以設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮可能存在的影響鎖相環(huán)路性能指標(biāo)的各項(xiàng)因素。以下就各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用做一簡(jiǎn)要說明。1、 壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator)壓控振蕩器是產(chǎn)生射頻信號(hào)的電路單元，它是利用正反饋原理產(chǎn)生振蕩的，當(dāng)控制電壓改變時(shí)其振蕩頻率也隨之改變。壓控振蕩器對(duì)發(fā)射機(jī)而言是提供射頻

2、信號(hào)源，對(duì)接收機(jī)而言是提供用于混頻的本振信號(hào)。壓控振蕩器分別工作在UHF頻段和VHF頻段時(shí)有不同的電路形式，以下分別加以說明。1.1 UHF頻段壓控振蕩器UHF頻段的壓控振蕩器的振蕩管可以采用共射（或共源）配置，也可以采用共基（或共柵）配置，不同的形式可以應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，以下分別對(duì)兩種形式的電路加以說明。1.1.1 共射配置的壓控振蕩器 電路形式如圖1-1所示：圖1-1 共射配置的壓控振蕩器的電路形式 ADS仿真條件設(shè)置和仿真結(jié)果：a. ADS仿真條件設(shè)置b. 相位噪聲、諧波和振蕩范圍的仿真結(jié)果圖1-2 共射配置的壓控振蕩器ADS仿真條件設(shè)置和仿真結(jié)果 設(shè)計(jì)說明根據(jù)模擬電子線路教材的分析，共

3、射配置的放大器具有較大的功率放大倍數(shù)，因而該形式的振蕩器也具有較高的輸出電平，可以應(yīng)用在需要較大輸出功率的場(chǎng)合，比如發(fā)射機(jī)的振蕩器；圖1-1中，由Q8及其外圍電路組成的正反饋放大電路是振蕩電路，由Q9組成的放大電路是緩沖放大電路，它既提供一定的功率放大倍數(shù)，又在振蕩電路與后級(jí)負(fù)載之間起緩沖、隔離的作用；UHF頻段的VCO為了獲得較寬的振蕩范圍，其振蕩回路采用帶阻加低通的形式，其中，L40與C114、C117、C120、D14和D15的等效電容形成具有帶阻特性的串聯(lián)諧振回路，C113、C115和C116的等效電容形成具有低通特性的到地電容；L43為D15提供到地的直流零電位，C106采用低值的電

4、容是為了提高與后級(jí)的隔離度，C119的加入是為了提高對(duì)諧波的抑制能力；另外，由于振蕩管本身的噪聲會(huì)影響振蕩器的相噪指標(biāo)，所以振蕩管應(yīng)選用低噪聲系數(shù)的管子。 定性調(diào)試說明1. 反饋系數(shù)的調(diào)整C115與C116的比值即是反饋系數(shù)，由于過高的增益和反饋系數(shù)會(huì)導(dǎo)致VCO的間歇振蕩，而共射電路有較高的功率增益，所以反饋系數(shù)不能太大，一般可以選在1/2左右2. 壓控靈敏度的調(diào)整C114的大小決定了變?nèi)莨艿慕尤胂禂?shù)，從而也能改變壓控靈敏度，另外，變?nèi)莨鼙旧淼奶匦郧€也會(huì)影響壓控靈敏度；過高的壓控靈敏度會(huì)引入較高的相位噪聲，所以壓控靈敏度也不宜過高，一般在10 20MHz / V之間3. 諧波抑制比的調(diào)整放大

5、器非線性失真越大其諧波的能量就越大，所以振蕩管的工作點(diǎn)不能設(shè)置得太高，一般應(yīng)比器件手冊(cè)推薦的工作點(diǎn)略低；另外，C119到地的連接也形成低通特性，增大C119的容值也能使諧波衰減變大 電性能指標(biāo)范圍說明1. 振蕩幅度 -15 -5dBm2. 相位噪聲 -105dBc/Hz 10kHz3. 壓控靈敏度 20MHz/V4. 諧波抑制 -15dBc1.1.2 共基配置的壓控振蕩器 電路形式如圖1-3所示：圖1-3 共基配置的壓控振蕩器的電路形式 ADS仿真條件設(shè)置和仿真結(jié)果：a. ADS仿真條件設(shè)置b. 相位噪聲、諧波和振蕩范圍仿真結(jié)果圖1-4 共基配置的壓控振蕩器ADS仿真條件設(shè)置和仿真結(jié)果 設(shè)計(jì)說

6、明根據(jù)模擬電子線路教材的分析，共基配置的放大器雖然功率增益較小，但其高頻性能和穩(wěn)定性都優(yōu)于共射放大器；共基配置的壓控振蕩器除振蕩管的連接與共射電路不同外，其余部分大致相同，詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明請(qǐng)參見上一節(jié)。 定性調(diào)試說明1. 反饋系數(shù)的調(diào)整C115與C116的比值即是反饋系數(shù)，由于共基放大電路的功率增益較低，所以反饋系數(shù)應(yīng)該比共射電路大，一般可以選在1/2 1之間2. 壓控靈敏度和諧波抑制比的調(diào)整與共射振蕩器相同，此處不再贅述 電性能指標(biāo)范圍說明1. 振蕩幅度 -20 -5dBm2. 相位噪聲 -105dBc/Hz 10kHz3. 壓控靈敏度 20MHz/V4. 諧波抑制 -15dBc1.2 VHF

7、頻段壓控振蕩器采用電容反饋的共基振蕩器工作在VHF頻段時(shí)，很難在一個(gè)較寬的頻帶內(nèi)同時(shí)滿足相位平衡條件，而采用電感反饋時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的相位噪聲，所以VHF頻段的振蕩器通常都采用電容反饋的共射（或共源）振蕩器；另外，由于VHF頻段頻率較低，采用帶阻加低通的振蕩回路需要較大的電感，而大電感的寄生參數(shù)對(duì)振蕩器性能指標(biāo)的影響會(huì)比較大，所以VHF頻段的振蕩回路通常采用并聯(lián)諧振回路。 電路形式如圖1-5所示：圖1-5 VHF頻段壓控振蕩器的電路形式 ADS仿真條件設(shè)置和仿真結(jié)果：a. ADS仿真條件設(shè)置b. 相位噪聲、諧波和振蕩范圍仿真結(jié)果圖1-6 VHF頻段壓控振蕩器ADS仿真條件設(shè)置和仿真結(jié)果 設(shè)計(jì)說明V

8、HF頻段壓控振蕩器除了諧振回路采用并聯(lián)諧振外，其余與UHF頻段共射振蕩器設(shè)計(jì)思路相同，詳細(xì)說明請(qǐng)參見上一節(jié)，這里不再贅述。 定性調(diào)試說明定性調(diào)試說明與UHF頻段共射振蕩器相同，請(qǐng)參見上一節(jié)。 電性能指標(biāo)范圍說明1. 振蕩幅度 -15 -5dBm2. 相位噪聲 -110dBc/Hz 10kHz3. 壓控靈敏度 20MHz/V4. 諧波抑制 -10dBc2、 環(huán)路濾波器(Loop Filter)環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)路的一個(gè)重要組成部分，主要用來濾除分頻器和鑒相器輸出的交流噪聲，環(huán)路濾波器的性能指標(biāo)極大地影響著整個(gè)環(huán)路的性能，所以設(shè)計(jì)時(shí)要考慮全面。環(huán)路濾波器的性能指標(biāo)主要有環(huán)路帶寬、頻率響應(yīng)和時(shí)間常數(shù)

9、等。環(huán)路濾波器有無源和有源兩種形式，由于無源濾波器形式簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，所以應(yīng)用較為廣泛。以下就無源濾波器的設(shè)計(jì)方法做一簡(jiǎn)要介紹。 電路形式如圖2-1所示：圖2-1 三階無源環(huán)路濾波器的電路形式 ADS仿真條件設(shè)置和仿真結(jié)果：a、ADS仿真條件設(shè)置b、環(huán)路帶寬和頻率響應(yīng)的仿真結(jié)果c、恒流源輸出的時(shí)間常數(shù)的仿真結(jié)果d、恒壓源輸出的時(shí)間常數(shù)的仿真結(jié)果圖2-2 三階無源環(huán)路濾波器ADS仿真條件設(shè)置和仿真結(jié)果 設(shè)計(jì)說明：由于模擬對(duì)講機(jī)是窄帶調(diào)頻終端設(shè)備，所以相鄰信道的頻率間隔較小，這就決定了鎖相環(huán)路的鑒相頻率較低，相應(yīng)的環(huán)路濾波器的帶寬也較窄。模擬對(duì)講機(jī)常用的鑒相頻率有5kHz、6.25kHz和12.5

10、kHz幾種；對(duì)于更高的鑒相頻率，環(huán)路濾波器的帶寬應(yīng)該要小于鑒相頻率，但是，環(huán)路帶寬太窄，時(shí)間常數(shù)勢(shì)必變大，鎖定時(shí)間也會(huì)隨之變長(zhǎng)，而且濾波器過渡帶的相位變化過快會(huì)導(dǎo)致環(huán)路工作不穩(wěn)定；所以，我們通常把環(huán)路帶寬設(shè)置在7 - 10kHz之間，這樣，環(huán)路帶寬就略大于鑒相頻率，這時(shí)應(yīng)該把濾波器的插損設(shè)置的大一點(diǎn)，以增加對(duì)鑒相頻率的衰減。圖2-1所示電路是一個(gè)三階無源濾波器，其中，C123與R55并聯(lián)是為了改善相頻特性，增大相位容限，從而提高環(huán)路的穩(wěn)定性。 定性調(diào)試說明1、環(huán)路帶寬的調(diào)整圖2-1所示電路中，C123和C125對(duì)環(huán)路帶寬的影響最大，電容增大，帶寬變窄，電容減小，帶寬變寬。2、帶內(nèi)插損的調(diào)整圖2

11、-1所示電路中，R54對(duì)帶內(nèi)插損影響最大，電阻值增大，插損變大，電阻值減小，插損減小。3、帶內(nèi)波動(dòng)的調(diào)整圖2-1所示電路中，R55和C124對(duì)帶內(nèi)波動(dòng)的影響較大，增大電阻，帶內(nèi)波動(dòng)減小，但是電阻和電容同時(shí)也會(huì)影響環(huán)路帶寬和插損，所以要結(jié)合起來調(diào)整。 電性能指標(biāo)范圍說明：1、 環(huán)路帶寬 7 12.5kHz2、 相位容限 30 60 (180+ phase(S(2,1) 62.5kHz3、 帶內(nèi)插損 -18 -25dB4、 帶內(nèi)波動(dòng) 0.5dB5、 帶外抑制 20dB 10 * 3dB bandwidth frequency3、頻率合成器(Frequency Synthesizer)頻率合成器主要

12、用來將VCO輸出的射頻信號(hào)與參考信號(hào)之間的相位差轉(zhuǎn)換為一個(gè)誤差電壓，這個(gè)誤差電壓又反過來作用于VCO，從而使環(huán)路鎖定的時(shí)候無頻差；頻率合成器主要包括分頻器、相位比較器和充電泵三部分功能單元，現(xiàn)在常用的頻率合成器都是集成在一個(gè)IC上的，所以下面僅對(duì)其應(yīng)用和選型的注意事項(xiàng)做一簡(jiǎn)要說明。 外圍電路連接如圖3-1所示：圖3-1 頻率合成器外圍電路連接示意圖 應(yīng)用注意事項(xiàng)：1、充電泵供電電壓和輸出電流的選擇充電泵供電電壓越高，VCO的鎖定電壓范圍就越大，所以通常VpVdd；充電泵輸出電流越大，環(huán)路鎖定時(shí)間就越快，圖3-1所示電路中，R57的阻值大小就決定了充電泵最大輸出電流的大小，其中，電阻值越小輸出電流就越大。2、數(shù)字地和模擬地的分割頻率合成器是數(shù)?；旌想娐?，為避免相互之間的干擾，最好把數(shù)字地和模擬地隔離開來，然后再通過電感或磁珠單點(diǎn)匯接。3、數(shù)字信號(hào)線的高頻濾波C129、C130和C131是用來濾除高頻干擾的電容4、電源引腳的退耦電容在靠近電源引腳的地方應(yīng)放置退耦電容，以便濾除電源上的紋波，退耦電容一般采用0.01uF的電容5、鎖定檢測(cè)腳的處理鎖定檢測(cè)腳有頻率較低的鑒相頻率的泄漏，所以應(yīng)采用容值較大的電容進(jìn)行濾除；另外，為了保證高低電平的可靠，應(yīng)該增加外部上拉電阻