張振宇，索瑞隆，楊愛(ài)軍，趙 凡

(寶雞烽火諾信科技有限公司，陜西 寶雞 721006)

一種低相噪壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張振宇，索瑞隆，楊愛(ài)軍，趙 凡

(寶雞烽火諾信科技有限公司，陜西 寶雞 721006)

基于短波通信系統(tǒng)低噪聲、小型化需求，提出了一種低相噪壓控振蕩器 (VCO)，其頻率范圍46～76 MHz，調(diào)諧電壓2.5～9.5 V，采用表面貼的封裝結(jié)構(gòu)，體積12.7 mm×12.7 mm×4.3 mm。設(shè)計(jì)采用改進(jìn)型電容三點(diǎn)式克拉潑振蕩器電路，與LC調(diào)諧帶寬電路共同產(chǎn)生正弦波頻率信號(hào)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)線路設(shè)計(jì)、高Q元器件的應(yīng)用及精細(xì)的工藝加工，逐步提高性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了低噪聲壓控振蕩器 (VCO)制造的目的。測(cè)試結(jié)果表明，振蕩器單邊帶相位噪聲 10 kHz、100 kHz處分別達(dá)到了－125 dBc/Hz、－145 dBc/Hz，較同類壓控振蕩器產(chǎn)品降低了－15 dBc/Hz左右。

壓控振蕩器 (VCO);相位噪聲;LC諧振電路;電阻衰減網(wǎng)絡(luò);輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

0 引言

在現(xiàn)代電子技術(shù)中，頻率合成技術(shù)［1］是一門(mén)使用廣泛的技術(shù)，通過(guò)頻率合成，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號(hào)?，F(xiàn)代頻率合成主要采用數(shù)字鎖相合成技術(shù)［2］，由高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確度的參考頻率源通過(guò)數(shù)字鎖相合成獲得高品質(zhì)的離散頻率。壓控振蕩器作為鎖相合成器的關(guān)鍵電路及重要組成部分，受到越來(lái)越多的關(guān)注。低相位噪聲［3］、寬調(diào)諧范圍及小安裝體積是壓控振蕩器設(shè)計(jì)追求的主要指標(biāo)。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多集成的壓控振蕩器［4］，集成壓控振蕩器體積小、便于調(diào)試，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于鎖相環(huán)電路中。但目前大多集成壓控振蕩器，“相位噪聲”指標(biāo)不足，如美國(guó)Mini-Circuits公司生產(chǎn)的POS－75，“相位噪聲”在10 kHz、100 kHz處僅有－110 dBc/Hz、－130 dBc/Hz，為了適應(yīng)高性能通信系統(tǒng)及設(shè)備的需求，本文提供了一種低相噪壓控振蕩器［5］，可替代POS－75，除采用小體積的表面貼封裝結(jié)構(gòu)外，“相位噪聲”指標(biāo)提高了很多，達(dá)到了－125 dBc/Hz (10 kHz)、－145 dBc/Hz(100 kHz)。

1 低相噪壓控振蕩器總體設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)所要求的46～76 MHz較寬的調(diào)諧帶寬，采用LC諧振電路來(lái)進(jìn)行壓控振蕩器的設(shè)計(jì)。LC壓控振蕩器是最普遍也是最適用的振蕩器類型，其諧振回路由LC元件組成，電壓頻率特性由變?nèi)荻O管調(diào)諧來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在振蕩器中，將壓控可變電抗元件變?nèi)荻O管插入振蕩回路就可形成LC壓控振蕩器。由此可見(jiàn)，振蕩器與包含有變?nèi)莨艿腖C調(diào)諧帶寬電路是壓控振蕩器必不可少的2部分。本文低相噪壓控振蕩器電路結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 低相噪壓控振蕩器電路結(jié)構(gòu)

由圖1可知，壓控振蕩器由直流電源提供能量，通過(guò)直流控制電源來(lái)改變變?nèi)莨艿娜萘?，變?nèi)荻O管組1接入LC調(diào)諧帶寬電路并成為其一部分，調(diào)諧帶寬電路與電容反饋振蕩器中的LC元件串聯(lián)形成振蕩諧振回路，完成振蕩器的頻率信號(hào)輸出，控制電壓的變化改變了變?nèi)莨艿娜萘?，從而改變了振蕩器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)了“壓控”的目的。圖中的濾波電路是對(duì)直流電源進(jìn)行濾波，用以消除電源紋波對(duì)電路的影響，降低外部電源引起的噪聲。圖1中，壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)了電阻衰減器［6］，再經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)［7］的處理形成最終的輸出。電阻衰減器對(duì)信號(hào)有衰減作用，可以調(diào)整信號(hào)傳輸通路上的信號(hào)電平，改善電路的阻抗匹配，穩(wěn)定阻抗。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)負(fù)載進(jìn)行阻抗匹配，調(diào)節(jié)信號(hào)輸出功率，同時(shí)起到低通濾波器的作用，進(jìn)行頻率選擇，有效抑制了壓控振蕩器的諧波。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是LC網(wǎng)絡(luò)，其中的“C”可改變以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，滿足不同頻率信號(hào)輸出時(shí)的最佳阻抗匹配。本文設(shè)計(jì)即屬于此，LC匹配網(wǎng)絡(luò)中“C”即為變?nèi)荻O管組2，通過(guò)控制電源來(lái)實(shí)行調(diào)諧，其低通截止頻率與壓控振蕩器輸出頻率在某個(gè)量級(jí)成線性關(guān)系，保證振蕩器在46～76 MHz有用頻率信號(hào)輸出時(shí)，調(diào)節(jié)及抑制始終起作用。

2 電路設(shè)計(jì)

2．1 振蕩器及變?nèi)莨苷{(diào)諧帶寬電路

采用改進(jìn)型電容三點(diǎn)式克拉潑振蕩器電路［8］進(jìn)行壓控振蕩器的設(shè)計(jì)，如圖2所示。圖2(a)為實(shí)際電路，圖2(b)為交流等效電路。圖2(a)中振蕩器部分由L與C1、C2、C3組成LC諧振回路，其中C3與電感L串聯(lián)，可以把L與C3的串聯(lián)電路等效為一電感(在振蕩頻率上)，即滿足電容三點(diǎn)式克拉潑振蕩器的組成原則，振蕩器頻率由電感L與電容 C1、C2、C3決定，RB1、RB2和 Re為偏置電阻，Lc為集電極提供直流通路。圖2(a)中變?nèi)莨苷{(diào)諧帶寬電路由VD、L1、L2和C4通過(guò)串并聯(lián)組成，VT提供調(diào)諧電壓，C L、LD為高頻濾波電容與扼流電感。調(diào)諧帶寬電路通過(guò)變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻部分接入的方式串聯(lián)接入振蕩器LC諧振回路中，與振蕩器調(diào)諧元件組成新的諧振回路，可以把變?nèi)莨苷{(diào)諧帶寬電路與L、C3的串聯(lián)電路等效為一電感(在振蕩頻率上)，當(dāng)然同樣滿足電容三點(diǎn)式克拉潑振蕩器的組成原則。下面通過(guò)圖2電路來(lái)推導(dǎo)壓控振蕩器振蕩頻率的計(jì)算公式。

圖2 低相噪壓控振蕩器電路

未接變?nèi)莨苷{(diào)諧帶寬電路時(shí)，振蕩器諧振回路的總電容與振蕩頻率分別為:

變?nèi)莨苷{(diào)諧帶寬電路的等效電感與電容分別為:

變?nèi)莨苷{(diào)諧帶寬電路接入振蕩電路時(shí)，壓控振蕩器諧振回路的總電容與振蕩頻率分別為:

由公式可知:壓控振蕩器的振蕩頻率與組成其諧振回路的所有LC元件均有關(guān)系，本文設(shè)計(jì)中，電感元件由L、L1和L2組成，其中L1和L2出現(xiàn)在變?nèi)莨苷{(diào)諧帶寬電路中，作可調(diào)電感使用。電容元件由C1、C2、C3、C4和Cj組成，其中C1、C2為克拉潑振蕩器的2個(gè)容性元件，C3作微調(diào)使用，C4用以調(diào)節(jié)變?nèi)莨蹸j(VD)的靈敏度，而變?nèi)莨蹸j容量的改變實(shí)現(xiàn)了振蕩頻率的變化。

2．2 電阻衰減器電路

為了使壓控振蕩器輸出穩(wěn)定有用的信號(hào)，在其輸出端加入了電阻衰減器。電阻衰減器對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行調(diào)節(jié)，改善電路的阻抗匹配，提高穩(wěn)定性［9］，電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有Τ型和Π型2種。本文采用Τ型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 電阻衰減器電路

Τ型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)中，R1與 R3對(duì)稱且相等，各阻值可通過(guò)以下公式計(jì)算得到:

α=20logk［dB］，α為衰減倍數(shù)。

R1=R3=R(k－1)/(k+1)，R為輸入輸出阻抗，本文設(shè)計(jì)為50 Ω，R2=2R·k/(k2－1)。

從以上公式知，只要確定了衰減量和阻抗，電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值會(huì)通過(guò)查表和計(jì)算得到;另外，有一款由Fingu公司編寫(xiě)的衰減網(wǎng)絡(luò)計(jì)算軟件，對(duì)Τ型、Π型衰減網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)的計(jì)算很到位，使用靈活方便。但不管采用哪種方法，實(shí)際應(yīng)用中，由于沒(méi)有適合規(guī)格的電阻，電路設(shè)計(jì)中總會(huì)存在誤差，如本文設(shè)計(jì)中，輸入輸出阻抗為50 Ω，衰減3 dB，軟件計(jì)算出的R1為8．5 Ω，R2為141．9 Ω，而實(shí)際應(yīng)用中，R1為0402規(guī)格的10 Ω，R2為150 Ω，衰減了3．4 dB。

2．3 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)電路

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是由2種不同性質(zhì)的電抗元件LC組成的雙端口網(wǎng)絡(luò)，一般有 L型、T型和 Π型3種形式。本文采用Π型輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)電路

Π型網(wǎng)絡(luò)是由2節(jié)L型匹配網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)組成，其回路的Q值比L型增加了1倍，為了在不同頻率輸出時(shí)有很好的阻抗匹配以及保證回路的高Q值，C作為可變電容調(diào)諧使用。實(shí)際電路中，此處的電容由變?nèi)荻O管代替。Π型輸出匹配網(wǎng)絡(luò)也可看作一個(gè)低通濾波器，在輸出端濾除不需要的直流與諧波分量，保證負(fù)載上只輸出高頻基波功率。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中L與C的值與電路的輸入輸出阻抗，輸出截止頻率及回路的Q值有關(guān)，可根據(jù)Π型匹配網(wǎng)絡(luò)及低通濾波器的相關(guān)公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。

3 壓控振蕩器低相位噪聲的分析與實(shí)現(xiàn)

3．1 壓控振蕩器相位噪聲模型

采用李森模型，由文獻(xiàn)［10－11］知，LC壓控振蕩器正常工作條件下，輸出信號(hào)相位噪聲功率譜密度L(f)的表達(dá)式為:

式中，fm為頻偏;KVCO為壓控振蕩器控制靈敏度;f0為振蕩頻率;Q為品質(zhì)因數(shù);F為晶體管的噪聲系數(shù); K為波爾茲曼常數(shù);T為工作溫度;Ps為振蕩信號(hào)功率;fc為閃爍噪聲拐角頻率;Vm為低頻噪聲源的總幅度。從公式可以看出，選擇噪聲系數(shù)小的放大管、增加諧振回路有載Q值、減小壓控振蕩器控制靈敏度和提高輸出信號(hào)功率都可以降低相位噪聲。

3．2 元器件的選擇及應(yīng)用

通過(guò)元器件的選擇應(yīng)用，提高諧振回路的Q值，降低壓控振蕩器的相位噪聲。由上述設(shè)計(jì)電路可知，壓控振蕩器用到的元器件包括電阻、電容和電感等無(wú)源器件和晶體三極管、變?nèi)荻O管等有源器件。對(duì)于阻容件的選擇，充分考慮其高頻特性，溫度特性;電感則要求高的Q值;而高增益和低噪聲是三極管選擇的主要指標(biāo)。變?nèi)荻O管是壓控振蕩器的重要組成部分，對(duì)其選擇尤為重要，除體積大小、結(jié)電容、變?nèi)荼冗@些常規(guī)要求外，Q值是必須要考慮的指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)中，所有元器件均采用表面貼裝結(jié)構(gòu)。阻容件選用 0402體積，0溫度系數(shù)的電阻電容;電感為CoilCraft的0603高頻線繞電感;晶體三極管采用NEC的高頻小功率管2SC5006，其特征頻率FT達(dá)到4．5 GHz，增益9 dB，噪聲系數(shù)僅1．2 dB，而它微型化的封裝也是必選的條件之一。變?nèi)荻O管選用了Infineon的BB640、BB639及TOSHIBA的1SV290三種管子，在調(diào)諧帶寬電路中，BB640與1SV290并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了46～76 MHz范圍的頻率全覆蓋，并通過(guò)調(diào)整電容盡量降低靈敏度;在Π型匹配網(wǎng)絡(luò)中，BB640與BB639并聯(lián)，作為可調(diào)電容調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，提高輸出信號(hào)功率。

3．3 壓控振蕩器結(jié)構(gòu)及印制板設(shè)計(jì)

壓控振蕩器采用表面貼封裝結(jié)構(gòu)，如圖5所示，由帶元件的印制板1與屏蔽盒2組成。印制板采用雙面板，一面為表貼面，提供外部接口;另一面為元件面，實(shí)現(xiàn)振蕩器功能。屏蔽盒罩在元件面的印制板上，進(jìn)行電場(chǎng)屏蔽，防止信號(hào)干擾。屏蔽盒材料為0．3 mm厚的黃銅帶，印制板采用0．8 mm厚的陶瓷材料。

圖5 壓控振蕩器結(jié)構(gòu)

印制板設(shè)計(jì)中，充分考慮了布局布線引起的內(nèi)部干擾，元件均取標(biāo)準(zhǔn)貼裝焊盤(pán)，走線遵循短、少平行、不交叉的原則。通過(guò)金屬化過(guò)孔多點(diǎn)接地，表貼面全覆地，元件面四周邊緣環(huán)繞接地等方法，有效地減小了接地線引起的分布電感電阻。另外，印制板采取拼板方式，元器件上機(jī)貼裝工藝，提高裝配質(zhì)量，降低了板上元器件間的分布參數(shù)。

3．4 調(diào)試

利用ADS軟件仿真與實(shí)際調(diào)試相結(jié)合，對(duì)低相噪壓控振蕩器的設(shè)計(jì)電路按振蕩器單元—加調(diào)諧電路—加衰減器—加輸出網(wǎng)絡(luò)—加濾波電路逐級(jí)進(jìn)行調(diào)試，逐步提高性能指標(biāo)，以至達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。調(diào)試過(guò)程中，在追求低相位噪聲指標(biāo)情況下必須兼顧其他要求，特別是頻率調(diào)諧范圍，范圍窄，相噪指標(biāo)會(huì)好些，但高溫環(huán)境下易引起頻率合成器失鎖。

4 低相噪壓控振蕩器實(shí)測(cè)結(jié)果

用Agilent公司的E5052B信號(hào)源分析儀對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6和圖7所示，其中圖6為調(diào)諧電壓2～10 V時(shí)振蕩器頻率調(diào)諧范圍、調(diào)諧靈敏度、輸出幅度及功耗電流指標(biāo)圖。圖7為單邊帶相位噪聲測(cè)試圖。

由實(shí)測(cè)圖可以看出，壓控振蕩器的“相位噪聲”指標(biāo)達(dá)到了－125 dBc/Hz(10 kHz)、－145 dBc/Hz(100 kHz)低相噪設(shè)計(jì)的目的，其他指標(biāo)如頻率調(diào)諧范圍、調(diào)諧靈敏度、輸出幅度及功耗電流也符合要求。以上測(cè)試數(shù)據(jù)基于壓控振蕩器的電源電壓為5 V DC。

圖6 頻率范圍、靈敏度、電流和幅度測(cè)試結(jié)果

圖7 相位噪聲測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于克拉潑振蕩器的基本原理，利用變?nèi)荻O管的壓控特性，通過(guò)阻抗匹配、低通濾波等電路，制成了一種低相位噪聲、寬頻率范圍的壓控振蕩器，并對(duì)振蕩器進(jìn)行了實(shí)測(cè)與應(yīng)用驗(yàn)證。經(jīng)測(cè)試表明，該振蕩器達(dá)到了寬頻率范圍同步調(diào)諧的要求，實(shí)現(xiàn)了低相位噪聲設(shè)計(jì)的目的。經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，降低了短波通信系統(tǒng)頻合單元的噪聲，提高了整機(jī)性能。

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Design and Implementation of a Novel Voltage Controlled Oscillator with Low Phase Noise

ZHANG Zhen-yu，SUO Rui-long，YANG Ai-jun，ZHAO Fan

(Baoji Fenghuo Nuoxin Technology Co．，Ltd，Baoji Shaanxi 721006，China)

Based on the requirement of HF communication system for low noise and miniaturization，a novel voltage controlled oscillator with low phase noise has been presented，whose frequency covers a range from 46 to 76 MHz and tuning voltage from 2．5 to 9．5 V．The surface-mount encapsulation method is employed to form a certain scale with the size of 12．7 mm×12．7 mm×4．3 mm．Modified three-point carat oscillator circuit is used to meet the LC circuit tuning bandwidth，from which the sine wave frequency signal is generated．By the employment of advanced circuit design，high Q components and precision machining，the voltage controlled oscillator with fine performance is manufactured successfully．Testing results show that SSB phase noise of the oscillator at 10 kHz and 100 kHz has reached－125 dBc/Hz and－145 dBc/Hz respectively．The phase noise of the new VCO decreases about－15 dBc/Hz compared with that of VCO of the same type．

voltage controlled oscillator(VCO);phase noise;LC resonance circuits;resistance attenuation network;output matching network

TN753.9

A

1003－3106(2017)02－0074－04

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．18

張振宇，索瑞隆，楊愛(ài)軍，等．一種低相噪壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．無(wú)線電工程，2017，47(2):74－77，82．

2016-11-30

張振宇男，(1972—)，工程師。主要研究方向:振蕩器、濾波器等器件的研發(fā)與制造。

索瑞隆男，(1988—)，助理工程師。主要研究方向:振蕩器、濾波器等器件的研發(fā)與制造。