一種低相噪壓控振蕩器的設計與實現(xiàn)

張振宇，索瑞隆，楊愛軍，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計與實現(xiàn)

張振宇，索瑞隆，楊愛軍，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構，體積12.7 mm×12.7 mm×4.3 mm。設計采用改進型電容三點式克拉潑振蕩器電路，與LC調(diào)諧帶寬電路共同產(chǎn)生正弦波頻率信號的設計方法，通過線路設計、高Q元器件的應用及精細的工藝加工，逐步提高性能指標，實現(xiàn)了低噪聲壓控振蕩器 (VCO)制造的目的。測試結果表明，振蕩器單邊帶相位噪聲 10 kHz、100 kHz處分別達到了－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;輸出匹配網(wǎng)絡

0 引言

在現(xiàn)代電子技術中，頻率合成技術［1］是一門使用廣泛的技術，通過頻率合成，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號。現(xiàn)代頻率合成主要采用數(shù)字鎖相合成技術［2］，由高穩(wěn)定度、高準確度的參考頻率源通過數(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鍵電路及重要組成部分，受到越來越多的關注。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計追求的主要指標。

隨著半導體技術和集成技術的發(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，近年來廣泛應用于鎖相環(huán)電路中。但目前大多集成壓控振蕩器，“相位噪聲”指標不足，如美國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，為了適應高性能通信系統(tǒng)及設備的需求，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構外，“相位噪聲”指標提高了很多，達到了－125 dBc/Hz (10 kHz)、－145 dBc/Hz(100 kHz)。

1 低相噪壓控振蕩器總體設計

根據(jù)本設計所要求的46～76 MHz較寬的調(diào)諧帶寬，采用LC諧振電路來進行壓控振蕩器的設計。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)諧來實現(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，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構組成如圖1所示。

圖1 低相噪壓控振蕩器電路結構

由圖1可知，壓控振蕩器由直流電源提供能量，通過直流控制電源來改變變?nèi)莨艿娜萘浚內(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輸出，控制電壓的變化改變了變?nèi)莨艿娜萘浚瑥亩淖兞苏袷幤鞯妮敵鲱l率，實現(xiàn)了“壓控”的目的。圖中的濾波電路是對直流電源進行濾波，用以消除電源紋波對電路的影響，降低外部電源引起的噪聲。圖1中，壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)過了電阻衰減器［6］，再經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡［7］的處理形成最終的輸出。電阻衰減器對信號有衰減作用，可以調(diào)整信號傳輸通路上的信號電平，改善電路的阻抗匹配，穩(wěn)定阻抗。輸出匹配網(wǎng)絡對負載進行阻抗匹配，調(diào)節(jié)信號輸出功率，同時起到低通濾波器的作用，進行頻率選擇，有效抑制了壓控振蕩器的諧波。輸出匹配網(wǎng)絡一般是LC網(wǎng)絡，其中的“C”可改變以實現(xiàn)調(diào)諧，滿足不同頻率信號輸出時的最佳阻抗匹配。本文設計即屬于此，LC匹配網(wǎng)絡中“C”即為變?nèi)荻O管組2，通過控制電源來實行調(diào)諧，其低通截止頻率與壓控振蕩器輸出頻率在某個量級成線性關系，保證振蕩器在46～76 MHz有用頻率信號輸出時，調(diào)節(jié)及抑制始終起作用。

2 電路設計

2．1 振蕩器及變?nèi)莨苷{(diào)諧帶寬電路

采用改進型電容三點式克拉潑振蕩器電路［8］進行壓控振蕩器的設計，如圖2所示。圖2(a)為實際電路，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)，當然同樣滿足電容三點式克拉潑振蕩器的組成原則。下面通過圖2電路來推導壓控振蕩器振蕩頻率的計算公式。

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，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，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元件均有關系，本文設計中，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，在其輸出端加入了電阻衰減器。電阻衰減器對信號電平進行調(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)絡的結構形式很多，常用的有Τ型和Π型2種。本文采用Τ型電阻衰減網(wǎng)絡結構，如圖3所示。

圖3 電阻衰減器電路

Τ型電阻衰減網(wǎng)絡中，R1與 R3對稱且相等，各阻值可通過以下公式計算得到:

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，本文設計為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)絡中阻值會通過查表和計算得到;另外，有一款由Fingu公司編寫的衰減網(wǎng)絡計算軟件，對Τ型、Π型衰減網(wǎng)絡各參數(shù)的計算很到位，使用靈活方便。但不管采用哪種方法，實際應用中，由于沒有適合規(guī)格的電阻，電路設計中總會存在誤差，如本文設計中，輸入輸出阻抗為50 Ω，衰減3 dB，軟件計算出的R1為8．5 Ω，R2為141．9 Ω，而實際應用中，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)絡電路

輸出匹配網(wǎng)絡是由2種不同性質(zhì)的電抗元件LC組成的雙端口網(wǎng)絡，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，如圖4所示。

圖4 輸出匹配網(wǎng)絡電路

Π型網(wǎng)絡是由2節(jié)L型匹配網(wǎng)絡級聯(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)絡也可看作一個低通濾波器，在輸出端濾除不需要的直流與諧波分量，保證負載上只輸出高頻基波功率。輸出匹配網(wǎng)絡中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，可根據(jù)Π型匹配網(wǎng)絡及低通濾波器的相關公式進行推導計算。

3 壓控振蕩器低相位噪聲的分析與實現(xiàn)

3．1 壓控振蕩器相位噪聲模型

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

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功率都可以降低相位噪聲。

3．2 元器件的選擇及應用

通過元器件的選擇應用，提高諧振回路的Q值，降低壓控振蕩器的相位噪聲。由上述設計電路可知，壓控振蕩器用到的元器件包括電阻、電容和電感等無源器件和晶體三極管、變?nèi)荻O管等有源器件。對于阻容件的選擇，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。變?nèi)荻O管是壓控振蕩器的重要組成部分，對其選擇尤為重要，除體積大小、結電容、變?nèi)荼冗@些常規(guī)要求外，Q值是必須要考慮的指標。本文設計中，所有元器件均采用表面貼裝結構。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)，實現(xiàn)了46～76 MHz范圍的頻率全覆蓋，并通過調(diào)整電容盡量降低靈敏度;在Π型匹配網(wǎng)絡中，BB640與BB639并聯(lián)，作為可調(diào)電容調(diào)諧，實現(xiàn)阻抗匹配，提高輸出信號功率。

3．3 壓控振蕩器結構及印制板設計

壓控振蕩器采用表面貼封裝結構，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，實現(xiàn)振蕩器功能。屏蔽盒罩在元件面的印制板上，進行電場屏蔽，防止信號干擾。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 壓控振蕩器結構

印制板設計中，充分考慮了布局布線引起的內(nèi)部干擾，元件均取標準貼裝焊盤，走線遵循短、少平行、不交叉的原則。通過金屬化過孔多點接地，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軟件仿真與實際調(diào)試相結合，對低相噪壓控振蕩器的設計電路按振蕩器單元—加調(diào)諧電路—加衰減器—加輸出網(wǎng)絡—加濾波電路逐級進行調(diào)試，逐步提高性能指標，以至達到設計的目的。調(diào)試過程中，在追求低相位噪聲指標情況下必須兼顧其他要求，特別是頻率調(diào)諧范圍，范圍窄，相噪指標會好些，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測結果

用Agilent公司的E5052B信號源分析儀對壓控振蕩器進行測試，結果如圖6和圖7所示，其中圖6為調(diào)諧電壓2～10 V時振蕩器頻率調(diào)諧范圍、調(diào)諧靈敏度、輸出幅度及功耗電流指標圖。圖7為單邊帶相位噪聲測試圖。

由實測圖可以看出，壓控振蕩器的“相位噪聲”指標達到了－125 dBc/Hz(10 kHz)、－145 dBc/Hz(100 kHz)低相噪設計的目的，其他指標如頻率調(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、電流和幅度測試結果

圖7 相位噪聲測試結果

5 結束語

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，并對振蕩器進行了實測與應用驗證。經(jīng)測試表明，該振蕩器達到了寬頻率范圍同步調(diào)諧的要求，實現(xiàn)了低相位噪聲設計的目的。經(jīng)應用驗證，降低了短波通信系統(tǒng)頻合單元的噪聲，提高了整機性能。

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［3］ 張金貴，許星辰．相位噪聲對8PSK衛(wèi)星通信鏈路的影響［J］．無線電通信技術，2014，40(4):15－17．

［4］ 郭文勝，申永進，要志宏．集成寬帶壓控振蕩器的設計［J］．無線電工程，2005，35(5):59－61．

［5］ 張振宇，龍拉懷，趙 艷，等．低相噪壓控振蕩器［P］．中國．ZL 2013 2 0548702．4，2014－04－23．

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［11］HAJIMIRI A，LEE T H．A General Theory of Phase Noise inElecrical Oscillartors［J］．IEEE Joumal of Solide-state Circuits，1998，33(2):179－194．

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，楊愛軍，等．一種低相噪壓控振蕩器的設計與實現(xiàn)［J］．無線電工程，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。