用负阻原理设计高稳定度VCO

路相角φZ来对φY和φF，进行平衡。也就是说，由于电路中有源器件、寄生参量以及阻隔元件等的影响，使得振荡器的实际工作频率严格来讲并不等于回路的固有谐振频率，因此，谐振回路等效阻抗Zp并不会呈现纯阻抗。所以，一般振荡器的振荡回路总是处于微小失谐状态。我们知道，并联谐振回路具有负斜率的相频特性，即 <0，当振荡器工作在回路谐振频率上时，它对频率的稳定性能最佳。而当它工作在失谐状态时，会使得振荡器的频率稳定度与效率都降低。在此，采用相角补偿法来提高压控振荡器的频率稳定度和效率。

由参考文献[

3]可知，在集电极串入一个电感为Lc=-L/F的补偿元件，就可以实现相角补偿(φZ =0)。其中，L为谐振回路电感值，F为反馈系数，即F=C7/6。和输出回路的C8、C9、L2可以构成等效电感LC，从而进行相角补偿，使得振荡器工作在LC回路的谐振频率上。当输出回路等效为电容时， 通过实际测量，在频率214．64859MHz上的稳定度为9．3631e-4；而等效为电感时，在214．26046MHz上的稳定度为4．2278e-4。可见用等效电感进行相角补偿后，稳定度大约提高了一倍。C8、C9和L2同时构成了输出网络，对高次谐波有很好的抑制作用，并使基波输出功率平坦化。

图4

    从图5可以看出，压控振荡器的输出频率范围为175MHz~217MHz，基波(频率为214MHz时)输出功率为7．911dBm，二 次 谐 波 为 -16．368dBm，可见有效地抑制了谐波分量。在实际应用中，对谐波滤除的要求比较高，可以在输出端接入宽带滤波器，其电路原理图和仿真结果见图6。这样，可以更有效地滤除高次谐波，同时有利于输出匹配，减小负载对输出功率的影响。

2．3 相噪分析

参考文献[5]给出·了LC压控振荡器的相位噪声表达式：

式中，fm为频偏，KVCO为VCO控制灵敏度，f0为振荡频率，Q为品质因数，F为晶体管的噪声系数，K为波尔兹曼常数，T为工作温度，Ps为振荡信号功率，fc为闪烁噪声拐角频率，Vm为低频噪声源的总幅度。从式(5)可以看出，选择噪声系数小的放大管、增加谐振回路有载Q值、减小VCO控制灵敏度、提高输出信号功率都可以降低相位噪声。通过减小变容管在谐振回路中的接入系数，可以有效减小VCO控制灵敏度，但是也会导致频率覆盖范围的减小，所以要适当选择接入系数。该VCO输出频率为200MHz时，变容管接入系数为0．63。通过适当调整输出回路的电感和分压电容，可以提高负载阻抗，从而有效地提高输出功率，以达到降低相位噪声的目的。通过软件仿真，在频偏10kHz处的输出相位噪声为-101．3dBc／Hz，在100kHz处的相位噪声为-122．5dBc／Hz。

图5

3 调试与测量

在软件仿真的基础上，将元件参数做些细微调整，就可以获得满意的结果。通过测量，可以得到如下性能参数：

(1)频率范围：175MHz~213MH

(2)调谐灵敏度：7MHz／V

(3)电源电压：5V

(4)工作电流：10mA

    (5)控制电压：0~5V

(6)输出功率：6~8dBm

(7)相位噪声：-95dBc／Hz@10kHz，-115dBc／Hz@100kHz

从图(7)的测量结果可以看出，频率范围、输出功率和相位噪声等指标与软件仿真结果一致。

《用负阻原理设计高稳定度VCO(第2页)》