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1、实验九：压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator）*一、实验目的：1.了解变容二极管的基本原理与压控振荡器的设计方法。2.利用实验模组的实际测量使学生了解压控振荡器的特性。3.学会使用微波软件对压控振荡器进行设计和仿真，并分析结果。二、预习内容：1熟悉 VCO 的原理的理论知识。2熟悉 VCO 的设计的有关的理论知识。三、实验设备：项次 设备名称 数量 备注1 MOTECH RF2000 测量仪 1 套 亦可用网络分析仪2 压控振荡器模组 1 组 RF2KM9-1A3 50 BNC 及 1M BNC 连接线 4 条 CA-1、CA-2 、CA-3、CA-44 直流
2、电源连接线 1 条 DC-15 MICROWAVE 软件 1 套 微波软件四理论分析：变容二极管理论分析：一个射频压控振荡器电路大致上与振荡器相同，唯有谐振电路稍有不同。设计上是利用变容二极管（Varator）的电特性来完成利用电压控制振荡器输出频率的设计要求。振荡器的基本理论与设计方法已于实验八陈述，故本实验仅就变容二极管的电特性与振荡器谐振电路的不同之处加以说明。（一）变容二极管（Varator）的电特性常见的变容二极管可分成三类：线性缓变结（Graded Junction） 、突变结（Abrupt Junction） 、超突变结（Hyper Abrupt Junction） 。其间的主要
3、差异在于个别的 N 型（N-type）中杂质（Donor ）浓度分布曲线不同而造成其电容指数值（Characteristic Exponent，r）的不同，导致其容值-电压对数曲线图（C-V Curve）的差异。其中线性缓变结的变容二极管以其电容变率较小而最不常被采用；而突变结具有相当高的 Q 值，得使 VCO 具有较低的相位噪声（Phase Noise）特性，且其调整电压（Tuning Voltage）的范围也比较宽，大约在060V 之间。至于超突变结以其较线性的电压电容特性，可以提供比突变结更佳的调整电压线性度，故此类型的变容二极管是宽频段 VCO 的最佳选择。一般应用上，可以使 VCO
4、的输出频率在变化一倍频的情况下，其调整电压变化范围可以控制在 20V 以下。然而，因为此类型变容二极管的 Q 值较突变结为低，所以使得应用此类型变容二极管设计的 VCO 的相位噪声特性较突变结的高些。一般对相同输出频率的振荡器而言，在与振荡频率相差一固定频率（Offset Frequecy）下的相位噪声越低者则其频谱纯度（Oscillation Purity）亦越佳。由图 9-1 即可以清楚了解这三类变容二极管的特性差异。而图 9-2 则是变容二极管的符号与等效电路。一般而言，其 Q 值皆甚大（千级以上） 。图 9-2 变容二极管的电路符号图 9-2 变容二极管的等效电路Abrupt Junc
5、tion ( r =1/2 )Graded Junction ( r =1/3 )ln Cln VRHyper Abrupt Junction ( r = 15)图 9-1 容值-反逆电压对数曲线图+ VR -图 9-2 变容二极管的简化等效电路变容二极管电容值与偏压的关系式，如（式 9-1）所示。式（92）及（9-3）分别是电容值变率（Capacitance Ratio）与简化等效电路的Q 值公式。（1） 电容值与偏压的关系式：（式 9-rROVC11）其中 CV 在逆向偏压 VR 下，变容二极管的电容值。CO 外加 0VDC 偏压下，变容二极管的电容值。VR 外加变容二极管上的逆向偏压。
6、势垒电压。在硅晶体二极管（Silicon）上是 =0.50.7V，而在砷化镓（GaAs ）二极管上则 =1.2V 。r特性指数（Characteristic Exponent） ，视二极管结构不同而不同，一般 在 0.35 之间。（2）电容值变率（Capacitance Ratio）：（式 9-rVCTR2121)(2）其中C（V1 ）在逆向偏压 V1 下，变容二极管的电容值。C（V2）在逆向偏压 V2 下，变容二极管的电容值。一般 V2 设为 1VDC或是 2VDC，且 V1V2。(3) 简 化 等 效 电 路 的 Q 值公 式：（式 9-SPVPS RCfRfQ2)()(3）其中Rp 逆向
7、偏压漏电电阻。一般很大，约几百 M 以上。Rs 变容二极管的主体电阻。一般很小，约 1 以下。Cv 变容二极管在偏压 V 下的电容值。在低频时，可近似成 ；而在高频时，则可近似成 PPRCfQ2。SVSRCfQ21（二）变容二极管（Varator）的实例以西门子公司所生产的 BB535 变容二极管为例，其电特性如下列。 （摘录自 SIEMENS Semiconductor Group Data Sheet ,Jan-1997）由上列资料中可知，此变容二极管的电容值变率 TR 有两种，视设计需求不同。（1）偏压 2VDC 对 25VDC 的电容值变率：TR=7.5max（2）偏压 1VDC 对
8、28VDC 的电容值变率：TR=9.8max而其操作在 VR=3V，f=470MHz 情况下的等效电 Q 值为： （经查表得 CV=11pF，Rs = 0.65,max，Ls = 2nH） 27.381)470(2VsSCRLMHzQ压控振荡器中的谐振电路设计方法：由主题八可知振荡器的谐振电路大多由电容构成，故可以将变容二极管取代部分电容，再加上稳压电路，即可将振荡器修改成压控振荡器。其修改后的谐振电路如图 9-3 所示。其设计步骤如下：图 9-3VCO 谐振电路假设 fmax =VCO 最大输出频率fmin =VCO 最小输出频率步骤一：选用电路结构首先计算 FR = fmax / fmin
9、（1）若 FR1.4，则选用变容二极管与一个固定值电容串联的电路结构。（2）若 FR1.4，则选用宽频电路结构，即是使用两个变容二极管的并联的电路结构。步骤二：判断 VCO 电路是单独应用还是应用于锁相回路中？（1）若单独应用，则需要使用可变电容（Trimmer）来调整 Fmax，及固定值电容来增加温度补偿（Temperature Compensation） 。（2）若与锁相回路并用，则可以不用可变电容与固定电容，除非有其他回路效应的参量。步骤三：估算等效谐振电容 Cr。Cr = 固定电容可调电容有源元件等效电容离散电容可以利用下表估算。VCO 输出频率 有源元件与离散等效电容的估算值常用可调
10、电容0.1-0.5 MHz 15 pF 10 pF0.5-30 MHz 10 pF 5 pF30-100 MHz 5 Pf 5 pF100-200 MHz 4 pF 3 pFAC GND200-1000 MHz 1-3 pF 1-2 pF步骤四：计算最大调整电容 CT,max。min22max, )1(FRFRCrT 其中 FR 与 Cr 的值可由步骤一与步骤三获得，而 Cmin 可由厂商提供的可容二极管的元件资料中取得，且其对应的最大电容值 Cmax 必须比最大调整电容 CT,max稍大些。步骤五：计算谐振电感 L。)(41min2maxCfr可以参考下列的设计经验表来选定适当的谐振电感值，
11、以避免选用的变容二极管的 Cmin 值过小不实际。VCO 输出频率（MHz ）揩振电感值0.2-1.0 10-1500 uH0.5-2.0 10-1000 uH2-15 0.1-1000 uH10-100 0.08-25 uH50-200 40-400 uH200-1000 8-40 uH步骤六：决定 R 与 Cs 值。电阻 R 与旁路电容（Bypass Capacitor）Cs 的主要作用是阻隔调谐电路与射频电路的耦合干扰。R 值太小则不能有适当的解耦（Decoupling）效果，而太大则会因变容二极管的漏电流的交流成分而造成噪声调制（Noise Modulation） 。在特殊情况下，可以
12、用射频抑阻器（RF Choke ， RFC）来取代。一般实际应用上，R 值约是 30K 左右，而 Cs 值则视振荡频段而不同，约在 101000 之间。五、硬件测量：1对 MOD-9,压控振荡器的频率测量以了解压控振荡电路的特性。2准备电脑、测量软件、RF-2000,相关模组，若干小器件等。3测量步骤:MOD-9 之 P1 端子的频率测量： 设定 RF-2000 测量模式：COUNTER MODE. 用 DC-1 连接线将 RF-2000 后面 12VDC 输出端子与待测模组之 12VDC输入端子连接起来。 针对模组 P1 端子做频率测量。 调整模组之旋钮，并记录所量测频率值： 最大_ MHZ
13、。最小_ MHZ。4实验记录：填写各项数据即可。5硬件测量的结果建议如下为合格：RF2KM9-1A MOD-9 fo 600-900MHZPout5dBm6待测模组方框图:六、软件仿真：1、进入微波软件 MICROWAVE。2、在原理图上设计好相应的电路，设置好端口，完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。3、最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。4、电路图(推荐为下面实例分析中的 VCO 电路)：七、实例分析：设计一个调整电压 Vtune 为 0-20VDC，且输出频率范围为 200-400MHz 的VCO。设计说明：由于 VCO 输出频率范围有一倍频宽，即 FR
14、=2，所以需要较低的杂散电容。选用 Q 值较高的变容二极管 KV2101。从元件规格中可查得其电容值变化为Cmax=c（0V）=21.03 pF，应可符合倍频输出的要求。Cs 设为 39pF，这个电容值应微调以获得最佳值。由上述公式可计算出 Cr = 1.66PpF 及 L = 41nH。其完成电路如下图所示。测试数据如下列。由数据可知 VCO 的重要参数调整率 平均约为15MHz/V。OutputFreg.(MHz)200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400Vtune(Vdc)0.321.72 3.28 4.81 6.10 7.24 8.41 9.64 11.3013.9919.85Kvco(MHz/V)14.2912.8213.0715.5017.5417.0916.2612.057.43 1. 4200 - 400MHz VCO2002503003504000 5 10 15 20Tuning Voltage , Vtune ( Vdc )Output Frequency( MHz )
