压控振荡器的设计与仿真

目 录

1 引言 .................................................................... 2 2 振荡器的原理 ............................................................ 5 2.1 振荡器的功能、分类与参数 .............................................. 5 2.2 起振条件 .............................................................. 9 2.3 压控振荡器的数学模型 ................................................. 10 3 利用ADS仿真与分析 ..................................................... 11 3.1 偏置电路的的设计 ..................................................... 12 3.2 可变电容VC特性曲线测试 .............................................. 13 3.3 压控振荡器的设计 ..................................................... 15 3.4 压控振荡器相位噪声分析 ............................................... 18 3.5 VCO振荡频率线性度分析 ................................................ 23 4 结论 .................................................................... 24 致谢 ....................................................................... 25 参考文献 ................................................................... 25

压控振荡器的设计与仿真

Advanced Design System客户端软件设计

电子信息工程（非师范类） 专业 指 导 教 师

摘 要：ADS可以进行时域电路仿真，频域电路仿真以及数字信号处理仿真设计，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率。本论文运用ADS仿真软件对压控振荡器进行仿真设计，设计出满足设计目标的系统，具有良好的输出功率，相位噪声性能及震荡频谱线性度。本论文从器件选型开始，通过ADS软件仿真完成了有源器件选型，带通滤波器选型，振荡器拓扑结构确定，可变电容VC特性曲线，瞬态仿真及谐波平衡仿真。实现了准确可行的射频压控振荡器的计算机辅助设计。 关 键 字： 压控振荡器，谐波平衡仿真，ADS

1 引言

振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。

人们对振荡器的研究未曾停止过。从早期的真空管时代当后期的晶体管时代，无论是理论上还是电路结构和性能上，无论是体积上还是制作成本上无疑都取得了飞跃性的

进展，但在很长的一段时期内都是处在用分离元件组装而成的阶段，其性能较差，成本相对较高，体积较大和难以大批量生产。随着通信领域的不断向前推进，终端产品越来越要求轻、薄、短、小，越来越要求低成本、高性能、大批量生产，这对于先前的分离元件组合模式将不再胜任，并提出新的要求和挑战。集成电路各项技术的发展迎合了这些要求，特别是主流CMOS工艺提供以上要求的解决方案，单片集成振荡器的研制取得了极大的进步。

然而，由于工艺条件的限制，RF电路的设计多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工艺实现，难以和现在主流的标准CMOS工艺集成。因此，优性能的标准的CMOS VCO设计成为近年来RF电路设计的热门课题。

射频电路需要在特定的载波频率点上建立稳定的谐波振荡，以便为调制和混频创造必要的条件，压控振荡器（VCO）作为收发系统常见的器件,它的性能指标主要包括:频率调谐范围，输出功率，(长期及短期)频率稳定度，相位噪声，频谱纯度，电调速度，推频系数，频率牵引等。

频率调谐范围是VCO的主要指标之一，与谐振器及电路的拓扑结构有关。通常，调谐范围越大，谐振器的Q值越小，谐振器的Q值与振荡器的相位噪声有关，Q值越小，相位噪声性能越差。

振荡器的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度，它们各自又分别包括幅度稳定度和相位稳定度。长期相位稳定度和短期幅度稳定度在振荡器中通常不考虑;长期幅度稳定度主要受环境温度影响，短期相位稳定度主要指相位噪声。在各种高性能、宽动态范围的频率变换中，相位噪声是一个主要限制因素。在数字通信系统中，载波信号的相位噪声还要影响载波跟踪精度。

其它的指标中，振荡器的频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力；推频系数表示了由于电源电压变化而引起的振荡频率的变化；频率牵引则表示了负载的变化对振荡频率的影响；电调速度表示了振荡频率随调谐电压变化快慢的能力。

在压控振荡器的各项指标中，频率调谐范围和输出功率是衡量振荡器的初级指标，其余各项指标依据具体应用背景不向而有所侧重。例如，在作为频率合成器的一部分时，对VCO的要求，可概括为一下几方面:应满足较高的相位噪声要求；要有极快的调谐速度，频温特性和频漂性能要好；功率平坦度好；电磁兼容性好。

现在，国内外许多厂家都已生产出针对不同应用的VCO。表1是具有代表性的国内十三所和Agilent公司生产的部分压控振荡器产品的部分指标：

表1 VCO性能指标

频率范围型号 （GHz） HE487 HE488 VTO-8200 VTO-8240 VTO-8360 3.0~3.7 3.7~4.2 2.0~3.0 2.4~3.7 3.6~4.3 0~15 0~15 2~24 2~30 8~24 调频电压（V） (V/mA) 12/30 12/30 15/50 15/50 15/50 +12 +10 +10 +10 +10 1.5-90@10KHz 1.5-87@10KHz 1.5-95@50KHz 1.5-95@50KHz 1.5-100@50KHz 工作电压/电流输出功率（dBm） 相噪（dBc/Hz） 上述产品中，封装形式均为TO-8封装。对于封装内的电路中一般使用的是晶体管管芯和变容二极管管芯，这样可减少管脚分布电感、电容的影响，减少对分布参数的考虑。但是，制作此类封装需专门设备，制作工艺复杂，进入门槛高，产品价格较高。频率较高时，这些参数对电路性能的影响非常显著。需要在设计时仔细考虑，选择合适的电路形式，尽量降低电路对器件参数的敏感度。

另外，自前还用一种称为YIG(钇铁右榴石)的铁氧体器件作为谐振器的压控振荡器，谐振频率用外磁场调谐，调谐带宽可以很宽，因为YIG谐振器可以有很高的Q值，YIG振荡器的相位噪声性能很好。但由于成本较高，且较难设计，所需电流大，调谐速度较变容二极管调谐的VCO慢。

近年来，随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。但多年来我国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视，仅限于在引进和改进状态，还没有达到质的跨越，没有自主的知识产权(IP)，也是我国电子通信类滞后发达国家的一个重要原因。而且我国多数仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积上、重量上、成本上都较大，各种参数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流CMOS工艺集成等等都是我国相关领域发展的瓶颈。

因此,我国在电子通信领域市场潜力非常大，自主研究高性能、高质量、低成本的压控振荡器市场前景广阔、意义巨大。

本论文使用ADS软件从器件选型到电路进行仿真，详细阐述了压控振荡器的设计步骤,对S波段1.8GHz下频率综合器对电感电容压控振荡器的要求，实现AT41411单片集成压控振荡器的设计与仿真,设计的具体指标是频率范围为1700～1900MHz,控制电压0～5V，供电电压12V。

2 振荡器的原理

2.1 振荡器的功能、分类与参数

振荡器是一种不需要外加输入信号就能够自激输出交变信号的电子装置,振荡器实际上是起一个能量转换的作用，它将直流能量转换成具有一定频率，一定幅度和一定波形的交流能量[1]。凡是可以完成这一目的的装置都可以是振荡器.但是用电子管、晶体管等器件与L、C、R等元件组成的振荡器则完全取代了以往所有能产生震荡的方法，因为它有如下优点：

（1）它将直流电能转变为交流电能，而本身静止不动，不需要做机械转动活移动。如果用高频交流发电机，则其旋转速度必须很高，最高频率也只能到达50KHz。

（2）它产生的是“等幅振荡”，而火花发射机等产生的是“阻尼振荡”。 （3）使用方便，灵活性很大，它的功率可以自毫瓦级至几百千瓦，工作频率可以自极低频率至微波波段。

按照振荡器按工作原理，可以分为反馈振荡器和负阻振荡器。 按元器件主要分为RC振荡器，LC振荡器和晶体振荡器

1．RC振荡器采用RC网络作为选频移相网络的振荡器统称为RC正弦振荡器,属音频振荡器。

2．LC振荡器采用LC振荡回路作为移相和选频网络的正反馈振荡器称为LC振荡器。 3晶体振荡器中石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（SPXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）微机补偿晶体振荡器（MCXO）等等。