用负阻原理设计高稳定度VCO

    关键词：负阻 VCO 克拉泼电路 相位噪声

压控振荡器(VC0)是锁相环路的重要组成部分。随着电子技术的发展，(凹丫丫范文网fanwen.oyaya.net收集整理)出现了许多集成的VCO芯片。考虑到高频率稳定度、低相噪的要求，这里采用Agilent公司生产的低噪声晶体管HBFP0450来设计VCO。常用的VCO一般有三种：晶体压控振荡器、LC压控振荡器和RC压控振荡器。对于超高频段的VCO，采用LC振荡器形式；为了提高频率稳定性，采用了克拉泼电路，并进行了相角补偿。

1 负阻振荡原理

这里采用负阻方法来设计压控振荡器，负阻振荡原理图如图1所示。

图中，ZIN是晶体管电路的输入阻抗，RIN和XIN分别是输入电阻和电抗；ZL是负载阻抗，RL和XL分别是负载电阻和电抗。 根据振荡原理，起振条件是：

RIN+RL<0   （1）

振荡的平衡条件是

RIN+RL =0   （2）

XIN+XL=0   （3）

2 设计与仿真

2．1 起振与振荡的仿真

这里用ADS来仿真电路，采用改进型克拉泼电路形式，具体电路如图2所示。选用高增益、低噪声的HBFP0450作为三端器件，它在200MHz工作频率上有20dB的增益，从而保证了较大的振荡幅度。供电电压为5V，通过R1、R2和R3来确定静态工作点，工作电流选定为10mA，Vce为2．5V。

交流等效电路如图3所示。L1、C4和C5串联可以等效成一个电感，从而满足，电容三端振荡器的相位条件。L1、C4、C5、C6、C7构成了谐振回路，振荡频率主要由这五个元件所决定。频率计算公式如下：

式中，L1为线圈绕制电感，Q值为39。C为C4、C5、C6和C7串联后的等效电容， 由于C4<<C5、C4<<C6、C4<<C7，所以C≈C4。其中，C4为变容管，通过改变其负偏压就可以改变振荡频率。

从图4(a)的仿真结果可以看出，在200MHz附近，及RIN+RL <0，所以满足起振条件，由于RIN的负阻比较大，所以提供交流能量的能力比较强，故振荡的幅度会比较大，这一点在后面的仿真和测试中可以得到证实。从图4(b)可以看出，当f为200MHz左右时，XIN+XL=0，从而满足相位平衡条件，它决定了振荡的频率。

2．2 相角补偿

三极管振荡器要满足相位平衡条件：φY+φZ +φF=2nπ(n二0，1，2，3，…)，由于φY+φF通常不等于0，所以就要求回路工作于失谐状态，以产生一个谐振回