压控振荡器的电路设计2

压控振荡器的电路设计 1 绪论1.1 压控振荡器原理及发展现状调节可变电阻或可变电容可以改变波形发生电路的振荡频率，要求波形发生电路的振荡频率与控制电压成正比。这种电路称为压控振荡器，又称为VCO或u-f转换电路。怎样用集成运放构成压控振荡器呢？我们知道积分电路输出电压变化的速率与输入电压的大小成正比，如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后，设法使它迅速放电，然后输入电压再给它充电，如此周而复始，产生振荡，其振荡频率与输入电压成正比，即压控振荡器。其特性用输出角频率与输入控制电压之间的关系曲线(图1.1)来表示。图中为零时的角频率，（，0）称为自由振荡角频率；曲线在（，0）处的斜率称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。 图1.1 压控振荡器的控制特性压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。压控振荡器（VCO）是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器，是频率产生源的关键部件。频率产生源是大多数电子系统必不可少的组成部分，更是无线通信系统的核心。在许多现代通信系统中，VCO是可调信号源，用以实现锁相环（PLL）和其他频率合成源电路的快速频率调谐。VCO已广泛用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机和其他电子系统。VCO 对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响。相位噪声是VCO的一项关键参数。低相位噪声的VCO将提高通信系统的频带利用率，增加数据传输系统的数据传输速率，这是VCO对电子系统产生重要影响的一个例证。电子装置和电子系统的发展不断推动着VCO技术的更新与进步。从现代和将来的无线系统，特别是无线移动通信系统，不仅具有很高的工作频率，而且对小型化，轻量化，高性能化，多功能化，低功耗化和低成本化方面的要求不断提高且日益迫切。为适应这一需求，人们利用先进的微电子技术。表面安装技术(SMT).表面安装元器件(SMC和SMD)技术和现代电路设计等，建立了全新的VCO技术，开发了许多工作频率高，性能优异，体积微校价格合理的VCO产品投放市场，形成了新一代微波VCO系列1。20世纪80年代末、90年代初，移动电话迅速发展，对带封装的振荡器组件的需求也日益增长。这为VCO组件的发展提供了难得的市场机遇。随着新型无线应用领域的不断发展，各VCO组件厂商开发了适合不同应用领域所需频率的产品。由于表面安装元件的不断小型化，新开发的VCO组件的尺寸也越来越小，成本也越来越低。VCO组件在15年中其尺寸急剧减小，满足了蜂窝电话等新型无线移动装置对小型化的要求。20世纪90年代末期，出现了一种尺寸更小、成本更低的VCO技术，这就是单片集成VCO技术。单片集成VCO是一种半导体集成电路器件，其全部电路元件均集成在同一芯片上。这种器件像VCO组件一样，是一个完整的VCO，具有封装和外引线。首批单片集成VCO采用2英寸GaAs IC工艺和单片微波集成电路（MMIC）技术制造，是为卫星接收机和雷达系统研制的。其工作频率高达数GHz，但成本高昂。大多数早期单片GaAs VCO的研究工作都是针对军事应用展开的，很少涉及民用领域。在20世纪80年代，Si-IC技术还是一种低频技术，不能为单片集成VCO提供上千兆赫兹的工作频率和所需的带宽2。 经过研究与开发，1990年Si-IC技术在高频化和无源元件集成方面获得重大进展，开发成功工作频率很高的晶体管、变容二极管和单片集成的高Q值电感器与高频电容器。这为高频硅单片集成VCO的研究与开发奠定了技术基础。无线移动通信系统的发展，要求大批量提供成本低、体积小、工作在8002500MHz频段的VCO。人们为此开展了大量的研究与开发工作。硅单片VCO IC由高频双极晶体管IC技术和SiCMOS-IC技术研制而成。在硅单片VCO IC的研制过程中，学术研究机构通常采用获得广泛应用的SiCMOS-IC技术，而工业界则采用RFIC专用的BiCMOS技术。硅单片集成VCO体积更小、成本更低并适合大批量生产的产品，而且可以采用RF收发前端的工艺技术进行制造。这表明，VCO可以与混频器、低噪声放大器、锁相环等其他RF收发前端的功能电路模块实现集成。正是由于硅单片 VCOIC具备这些潜在的优势，尽管早期产品性能欠佳，但人们对它的研究工作一直没有停顿。通过不断改进，其产品已广泛应用于无绳电话、蓝牙装置、WLAN、GPS、DBS等无线装置与系统之中。单片集成低相位噪声SiGeVCO技术近年来，SiGeBiCMOS技术的发展令人瞩目，现已成为单片集成VCO最有前途的制造技术。用SiGeBiCMOS技术制造的单片集成VCO具有相位噪声低等众多优异性能，可完全满足GSM.CDMA.WCDMA和无线LAN等现代无线电通信系统的要求。SiGeBiCMOS技术具有一系列优于SiBiCMOS技术和GaAsIC技术的性能，现已在无线通信系统IC芯片制造中获得广泛应用。SiGeBiCMOS技术采用SiGeHBT作有源器件，这是它与常规SiBiCMOS技术的主要区别。SiGeHBT是基区为SiGe应变层。发射区和集电区为硅的异质结双极晶体管，具有工作频率高。基极电阻低。击穿电压高等优异特性，其微波特性尤为突出。SiGeHBT的特征频率已达到210GHz的高水平。在微波频段，SiGeHBT已成为GaAs器件的竞争对手。此外，SiGe的制造工艺可以同常规SiIC工艺相兼容。这种工艺兼容性使SiGe器件可以沿用硅大圆片IC的生产设施来进行制造。其生产成本比GaAsIC技术低得多。利用SiGeBiCMOS技术容易在同一芯片上实现无线通信系统的RF前端。基带信号处理电路和数字信号处理电路的集成。采用SiGeBiCMOS技术制造单片集成VCO有许多优点，尤其在VCO相位噪声的降低方面作用突出。SiGeBiCMOSHBT改进了相位噪声本底电平和小频偏相位噪声。VCO的相位噪声本底电平由有源器件的散粒噪声。振荡电路中有源器件与无源器件的热噪声和偏置电路的注入噪声共同决定。SiGeHBT不仅特征频率很高，而且噪声系数很小，对设计低相位噪声VCO特别有利。有源器件的最小噪声系数是决定VCO噪声本底电平高低的主要因素。小频偏相位噪声主要同VCO振荡电路的加载Q值。VCO有源器件的闪烁噪声与角频率有关。SiGeHBT的闪烁噪声小，角频率也很低。这对降低小频偏相位噪声十分有利。SiGeBiCMOS技术除了能制造性能优良的HBT之外，还能制造优质无源元件。这些片上集成的电感器，电容器等优质无源元件也为设计制造单片集成低相位噪声VCO创造了有利条件。SiGeBiCMOS技术发展至今，已经形成0.5mm.0.25mm和0.18mm三代不同水平的SiGe技术。运用SiGeBiCMOS技术研究，开发单片集成VCO，已经取得了许多成果。有三种全集成VCO业已开发成功，其芯片均采用0.5mmSiGeBiCMOS生产工艺制造。今后，VCO技术的研究与开发工作将继续围绕 VCO组件和单片集成VCO展开。但是，全集成单片VCO技术是研究工作的重点，也是未来VCO技术的发展方向。 为了适应现代无线系统发展的要求，VCO组件不断向小型、高频、宽带、高输出化和特性多样化方向发展。将采用新的超小型元件和更先进的薄膜技术与表面安装技术，继续推进VCO组件封装的微型化和表面安装化。通过晶体管的改进及振荡电路的开发，解决好小型化带来的谐振器Q值降低的问题和低功耗引起的特性劣化问题。第四代移动电话以及其他工作在微波频段高端的无线系统需要VCO组件进一步提高工作频率，实现VCO组件的高频化。开发工作频率更高的微波VCO组件是未来十分重要的研究课题。 SiGe BiCMOS等RF IC基础工艺技术正在不断发展与进步。半导体工艺制造有源器件与无源器件将具有更好的性能。现在，即使用Si工艺技术，也可制得超过50GHz的晶体管和高Q值、大电容变比、低串联电阻的优质变容二极管。这类工艺技术还具有衬底损耗低、金属化层厚、器件寄生元件少等特点。利用这类工艺技术可以制造相位噪声低、工作频率高、工作电流小的单片集成VCO。现代无线系统，尤其是现代无线移动通信系统，不仅要求VCO自身小型化和低成本化，而且希望VCO能同频率合成器与收发机的其他单元电路进行单片集成，以达到减小整机体积和成本的目的。此外，单片集成VCO的设计理论也在深化，设计技术也越来越先进。差分放大器、幅度控制、二次谐波抑止器、IC耦合变压器、复合振荡器、高频结构设计等技术正不断被纳入单片集成VCO的设计之中。利用单片集成VCO技术把优质VCO同收发机电路集成在一起的新产品不断问世3。VCO发展至今已有80多年的历史，从早期的电子管VCO，经过分立晶体管VCO，VCO组件，最终实现VCO的单片集成。VCO是频率源的关键器件，已广泛应用于各种电子系统之中。VCO的性能对电子系统有决定性的影响。现代无线移动通信系统的发展促进VCO高频化，形成了新一代微波VCO。VCO组件和单片集成VCO是微波VCO的主要结构形式，是目前无线系统采用的主流产品。虽然，在总体性能水平方面，单片集成VCO目前还不如VCO组件好，但它具有集成优势，仍然是VCO未来发展的方向。在RF IC工艺技术中，SiGe BiCMOS技术是单片集成VCO最有前途的制造技术。1.2 集成运算放大器原理及组成 运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，虽然各中不同的运放结构不同，但对于外部电路而言，其特性都是一样的。运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力），这里只是简单的介绍一下，具体的实现比较复杂4。运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。（开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。最大输出电压是指它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰峰值。差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小，要求它愈大愈好。输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路，CMRR越大越好。）但是我们涉及到的只是要求输入端等效电阻无穷大，开环增益无穷大5。 图1.2 运算放大器特性曲线 图1.3 运算放大器输入输出端图 图1.2是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分，如图1.3所示。对应的端子为“-”，当输入单独加于该端子时，输出电压与输入电压反相，故称它为反相输入端。对应的端子为“”，当输入单独由该端加入时，输出电压与同相，故称它为同相输入端。输出：=A(-) ；A称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。 在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到：，。由得到=，于是两个输入端可以近似看作短路（称为“虚短”），如果同向输入端接地，反向输入端与地几乎同电位（称为“虚地”）。由可知，输入端电路近似等于0，故可把输入端看作是断路（称之为“虚断”）6。 集成运算放大器由输入级，中间级，输出级和偏置电路组成，如图1.4。图1.4 运算放大器组成(1)输入级：高性能差放电路，输入电阻大，共模抑制比大，静态电流小。(2)中间级：复合管共射电压放大电路，提供电压放大。(3)输出级：互补对称输出电路，带载能力强，失真小。(4)偏置电路：电流源电路，提供合适的静态工作点。1.3论文的研究内容 本课题的主要研究内容是采用集成运算放大器设计压控振荡器的电路，并使用EWB仿真工具对其进行仿真。包括压控锯齿波发生器电路、压控矩形波发生器电路、压控三角波发生器电路、压控方波发生器电路。所设计的电路应具有相应的功能及较好的性能。设计中要掌握电子电路设计的基本方法包括设计步骤、设计公式、参数计算及电子元器件的选择，掌握EWB在电子电路设计中的应用。2 EWB2.1 EWB概述及其使用经验Electronics Workbench(简称EWB)即虚拟电子实验台。它是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的以Windows为系统平台的电路分析和设计软件，适用于板级模拟数字电路的设计工作。用电子模拟仿真软件EWB分析、设计电路，具有工作界面优化、直观的特点，比较符合电路设计的一般步骤，而且实验数据曲线比较完整，具有较强的电路仿真分析能力，电路设计者在设计电路过程中，可以不断地修改电路和参数，即时观察输出结果并进行仿真调试，用电子模拟仿真软件EWB进行电子电路设计的最大优点是可以节约大量的时间和资金，尤其是在电路设计完成后进行电路仿真分析时，不用担心元器件和电子仪器的损坏。EWB主要是利用电子计算机的计算功能来完成对模拟电路、数字电路、混合电路的性能仿真和分析。当其在电子工作实验平台上创建一个电路图后，系统便可启动电子工作实验平台上的电源开关，并选择适当的仿真分析方法，来从示波器等虚拟仪器上看到仿真分析结果。EWB提供了4种模拟虚拟仪器(数字万用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪)和3种数字虚拟仪器(字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪)因而能提供多种仿真分析方法，并可根据仿真电路、仿真目的和要求进行选择。这些仿真分析方法主要有直流工作点分析、瞬态分析、失真分析、参数扫描分析、交直流灵敏度分析、传函分析等7。EWB是介于电子线路理论设计及实际运作之间的有效虚拟工作平台，它不但具备电路设计的功能，还能对整个电路信号及系统进行仿真分析。用它设计的电路原理图可直接输出给目前流行的电路辅助设计软件，如Protel、Orcad等，以用来设计印制电路板。但在实际操作中，也发现了EWB一些不尽如人意的地方，具体如下：(1)EWB缺少undo功能，这使得实际操作过程中出现了一些不便。(2)EWB会自动调整布线并无法禁止此功能，这样就无法完全按照设计者的要求走线。(3)创建子电路图是一个不可逆过程，在搭建一个比较复杂的系统时，通常我们采用创建子电路的方法来使电路得到简化，但是，EWB的子电路创建过程是一个不可逆的过程，一旦创建就无法取消。用EWB进行仿真模拟实验，其实验过程非常接近实际操作效果，且各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象在实际操作那样多次换下元件而损坏器件。故而电路调试快捷方便 EWB软件不但提供了各种丰富的分赢元件和集成电路等元器件，还提供了各种丰富的调试测量工具，因而是一个全开放的仿真实验平台。2.2 EWB对电路的仿真分析EWB对电路进行仿真分析的具体步骤如下：(1)建立原始电路图，选择仿真分析仪器；(2)选择仿真分析方法；(3)进行仿真参数设置；(4)启动仿真，并将仿真结果用示波器以波形或分析显示图形式以数据表格、波形形式、曲线形式输出。 3 压控振荡器设计要点压控振荡器一般分为晶体压控振荡器和LC压控振荡器对于各种用途的晶体压控振荡和LC压控振荡，设计时应考虑的指标大体上可以分为以下几个方面：(1)压控曲线的线性度，灵敏度及压控范围。(2)振荡频率的精度及其稳定度。(3)振荡输出的幅频及其频谱纯度。(4)振荡器功率及其负载能力。以上是对一般压控振荡器的总体要求，但对晶体压控振荡器和压控振荡器，甚至对不同用途的晶体压控振荡器及LC压控振荡器，其设计要求也不一样，而且指标之间有些是相互矛盾的。因此设计时只能根据需要，选定对系统影响最大的参数作为设计要点， 其它的则可相互折衷考虑8。3.1 选择电路的类型振荡电路型式主要是根据所给定的工作频率和频率稳定度的要求来选择的。由于不同型式的各种振荡器所适用的工作频率范围和频率稳定度都差不多，所以电路选择比较灵活，往往是不同形式的电路都可以满足某种技术指标的要求。LC压控振荡器常用于几百千赫到几十兆赫以至上百兆的频率范围，频率稳定度一般低于10-4，当频率稳定度要求很高时。例如，要优于10-5，则必须采用晶体压控振荡器。但对要求频偏大、线性好及灵敏度高的电路，则必须选用LC压控振荡器至于频谱纯度要求，则可通过对压控振荡器及线路环中各参数的精密调试来达到。3.2 振荡管的选择目前，虽然也有用场效应管作为振荡管的，但还是以用晶体管作振荡管最多。在选择晶体管的型号时，主要是从振荡频率、频率稳定度、振荡功率以及能否满足起振条件来考虑。另外，在很多应用场合，还应考虑管子的基噪等问题。3.3 变容管的选择由于压控振荡器频率的改变是借助变容管电容的改变来完成的。因此，压控振荡器的许多重要指标，如频偏、线性度、灵敏度甚至基噪等，都与它有关。因此，无论对晶体压控振荡器，还是LC压控振荡器，变容二极管都是一个相当关链的另件。在选择变容二极管时，应综合考虑频偏。压控灵敏度、非线性失真、中心频率及最高反向工作电压诸因素。3.3.1 适当的反向偏压由曲线(图3.1)可知，一般的变容二极管在反向偏压较高时，电容变化很小，即斜率较小，有可能达不到对灵敏度的要求。面在反向偏压较低时，电容变化虽然较大， 但其受温度影响也较大，而且在这两个区域，压控曲线线性度差，所以一般变容二极管的工作偏压选在C-V特性曲线线性较好，而斜率又不太小的区段。由于变容二极管参数有一定的离散性，因此，有条件的话，可测试选用的变容二极管的压控曲线，以便选定最佳位置。图3.1 曲线3.3.2 变容二极管的品质因数所选变容管的品质因数越高越好。需要说明的是，在频谱纯度要求较高的情提下，应根据相位噪声需要来选择工作偏压，一般说来，变容二极管要在尽可能高的电压上工作，这样变容二极管可得到高的品质因数和良好的温度特性。在选不到合适电容值的变容二极管时，或所选合适的电容值与最佳偏压范围相矛盾时，可考虑将变容管串联或并联的方法。但变容二极管串联使用时，一般不超过2个。并联使用时，一般不超过36个。品质因数相同的变容二极管串联或并联以后，总的等效变容管的品质因数仍保持不变。3.4 LC谐振回路的选择对LC压控振荡器来说，LC振荡回路形式及参数的选择直接影响振荡器的稳定度、压控线性度、基噪及频率相对覆盖等指标。压控非线性系数定义为：=低/高=（/）低/（/）高 （3-1）当=1时，压控曲线为一条直线。偏离1越大，压控曲线的非线性越严重。如果根据线路需要，确定了振荡回路形式后，接下来就必须确定回路的具体参数了。选取的原则为：(1)符合振荡频率的要求。(2)振荡器的有载值应尽可能接近振荡回路的空载值。(3)具体的回路电容应大于总的不稳定电容并满足尽可能小。一般取值范围为。(4)选定回路电容后，回路的电感求值公式为： （3-2）3.5 晶体的选择晶体电特性等效电路为：串联振荡频率： （3-3）并联振荡器频率： （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）晶体损耗电阻一般为10200Q，电容的范围为48pF。晶体压控振荡器的频率稳定度及相位噪声主要取决于晶体的参数，园此，在选择晶体时要非常慎重。3.6 阻容元件的选择电阻和电容种类很多，正确选择电阻电容很重要。不同的电路对电阻和电容性能要求也不同。有些电路对电容的漏电要求很严，还有些电路对电阻，电容的性能和容量要求很高。设计时需要根据电路的要求，选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗，容量，频率和耐压范围是否满需要求9。3.7 分立元件的选择分立元件包括二极管，晶体三极管，场效应晶体管，光敏二极管，晶闸管等。根据其用途分别进行选择。选择的器件种类不同，注意事项也不同。例如选择晶体三极管的时候，首先注意是NPN型还是PNP型管，是高频管还是低频管，是大功率管还是小功率管，并注意管子的参数是否满足电路设计指标的要求，在EWB元器件库中选择的元器件，可通过其属性对话框确定元器件的参数和工作条件。3.8 集成电路选择由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以选择集成电路设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅是系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及运行，在EWB元器件库中选择集成电路，可通过其性能表或功能真值表了解集成电路的参数和工作条件。集成电路有模拟集成电路和数字集成电路。3.9 压控灵敏度，压控线性及压控频偏由于晶体周有的性质，使得晶体压控振荡器的压控灵敏度、压控线性及压控频偏均不如LC压控振荡器。在实际应用时，我们可通过采取各种措施来满足不同电路的需要。压控灵敏度是指在规定的控制电压范围内，每伏控制电压变化所引起的振荡器频率变化的大小。晶体压控振荡器频率改变主要是借助负载电容的改变，而负载电容的改变又主要靠变容二极管结电容的改变。因此，要提高灵敏度，必须选电容小且变容率大的变容二极管。在压控晶体振荡器的应用中，希望频率随控制电压的变化呈线性关系。但由于变容二极管本身的C-V特性是非线性的，要得判线性好的压控振荡器，电路设计中就要采取定的措施。(1)用一变容二极管与一小电容串联，可改善振荡器的压控线性。(2)一般变容二极管在控制电压较低时，电容随电压的变化率较大，相应引起的频率变化也比较大。反之，频率随控制电压的变化率比较小。所以，当控制电压从某中心向正负方向对称变化时，引起的频率变化并不对称。曲线如图3.2所示。如果选另一变容二极管，控制电压较高时，变容二极管电容很小，频率随电容变化灵敏度高；控制电压较低时，频率随电容变化的灵敏度低，这就出现了图3.3的曲线。如果把上述两种非线性曲线组合起来，并尽可能在所要求的电压控制范围内相互抵消，这样就可在一定范围内得到较好的线性度。如图3.4所示。这种方法的关键是找到合适参数的变容二极管。 图3.2 曲线1 图3.3 曲线2图3.4 组合曲线4 压控振荡器设计流程及元器件介绍4.1 设计流程首先根据发生器的原理图设计各环节实际电路图，其次查看电路中所需要的元器件是否存在，然后确定电路中各元器件的选择和参数，最后使用EWB建立仿真模型。根据各个发生器的组成结构以及EWB的特点，选择采用模块化设计方法。用EWB模拟连接实际电路，用虚拟示波器测试各环节波形，分析测试，调整电路。最后根据仿真得到的结果和理论值相比较。工作流程如图4.110。图4.1 压控振荡器设计流程图4.2 元器件介绍 图4.2 EWB中电阻元器件电阻，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“”表示。有这样的定义：导体上加上一伏特电压时，产生一安培电流所对应的阻值。电阻的主要职能就是阻碍电流流过。它的作用有限流，分流，分压。 图4.3 EWB中电位器元器件电位器是一种可调的电子元件。电位器的作用是调节电压（含直流电压与信号电压）和电流的大小。 图4.4 EWB中稳压二极管元器件稳压二极管的作用，稳压二极管也称齐纳二极管或反向击穿二极管，在电路中起稳定电压作用。它是利用二极管被反向击穿后，在一定反向电流范围内反向电压不随反向电流变化这一特点进行稳压的。图4.5 EWB中二极管元器件二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。图4.6 EWB中NPN晶体管元器件 晶体管（是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。 图4.7 EWB中电容元器件所谓电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电， 当然还有整流、振荡以及其它的作用。另外电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。图4.8 EWB中三端集成运算放大器元器件运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中11。 5 压控振荡器电路设计压控振荡器，调节可变电阻或可变电容可以改变波形发生电路的振荡频率，其输出信号的频率受输入电压线性控制12。5.1 压控锯齿波发生器5.1.1 电路元器件的选择表5-1 压控锯齿波电路元器件选择电阻器6个二极管1个三端运算放大器2个电容1个稳压二极管2个示波器1个5.1.2 压控锯齿波发生器电路设计仿真图5.1 压控锯齿波发生器由可组成比较器。其高阈值为，低阈值为。输出矩形波峰值为。由可构成反相积分器，正程输入电压为，回程输入电压为。输出锯齿波。上峰值为，下峰值为。锯齿波的频率受控制。大，频率高。小，频率低。基本关系是： （5-1） （5-2）， （5-3）， （5-4）应用集成运放设计压控锯齿波发生器，电路图如图5.1所示。控制电压为010，输出锯齿波频率为01，输出峰值为313。(1)选择， 。，选择理想型集成运放。其，短路电流：流出为40，流入为18mA。电源电压为15时，饱和输出电压为13。，选择理想型稳压二极管，=5.1，=5。选择理想型高速开关二极管。 （5-5） 取系列值1.6。(2)选择，。因为选择理想输入式集成运放，所以短接，。 （5-6），则 （5-7）(3)选择,C。 （5-8）取C=0.1,当=10时，则 （5-9）图5.2 压控锯齿波传输特性采用EWB软件对图5.1的电路进行仿真，仿真结果如图5.3所示。结果表明设计电路正确。图5.3 锯齿仿真波形5.2 压控矩形波发生器5.2.1 电路元器件的选择表5-2 压控矩形波电路元器件选择电阻器5个NPN晶体管1个二极管3个三端运算放大器2个电容2个电位器1个示波器1个5.2.2 压控矩形波发生器电路设计仿真图5.4 压控矩形波发生器由可组成反相积分器，由可构成单稳态多谐振荡器。由和可组成恒流源。当=0时，=，为的饱和输出电压。充电，（正向压降）；截止，。输入（正电压）后，反相积分，积分电流，随时间下降，经时间后，(为正向压降)，被处触发，=，VT导通，积分电流变为。设计时，使。暂稳态时间。经时间后，变为高电平，重复上述过程。为锯齿波，为矩形波。基本关系是： （5-10） （5-11） （5-12） （5-13）式中为锯齿波的峰峰值。应用集成运放设计压控矩形波发生器，电路图如图5.4所示。输入电压为010，振荡频率为为01，矩形波峰值10，单态触发器的暂稳态时间（）为100。锯齿波输出电压的峰峰值为5。(1)选择， 。，选择理想型集成运放。电源电压取15，饱和输出电压=13。选择理想型晶体管。，选择理想型高速开关二极管。(2)选择，。 （5-14）令，则 取 （5-15） （5-16）令=8200则 （5-17）选择约数17.6。(3)选择，。取=0.01，当=10时， （5-18） （5-19） （5-20）当=10时，（5-21） （5-22）符合要求。 （5-23）取=18，=10，由和组成。采用EWB软件对图5.4的电路进行仿真，仿真结果如图5.5所示。结果表明设计电路正确。图5.5 矩形波仿真波形5.3 压控三角波方波发生器I5.3.1 电路元器件的选择表5-3 压控三角波方波电路元器件选择电阻器13个二极管6个稳压二极管1个三端运算放大器4个电容1个示波器1个5.3.2 压控三角波方波发生器I电路设计仿真图5.6 压控三角波方波发生器I，两个反相器的组成完全相同，。由可组成反相型积分器。由可构成迟滞比较器。设计时应保证的饱和输出电压。当输出为时，截止，导通，积分器对积分。当为时，导通，截止。积分器对积分。由于和的大小相等，符号相反，所以输出对称的三角波（）。又由于比较器的上下阈值电压大小相等，符号相反，所以比较器输出对称的方波（）。及可构成限幅电路，使方波输出为。为的稳压值。为二极管正向压降（0.7）。基本关系是： （5-24） （5-25） （5-26） （5-27）应用集成运放设计压控振荡器设计三角波-方波发生器。输入电压为010，振荡频率为01，方波峰值为7，三角波峰值为3.5。(1)选择，。选择理想型运算放大器，电源开关为15，饱和输出电压=13.5，=13。选择理想型开关二极管。选择理想型稳压二极管。其=5.6，=5。(2)选择，。因，均组成反相器，所以,。取=10，短接，。(3)选择，。 （5-28）为耦合电阻，取=10。因为三角波的峰值为3.5，则： （5-29） （5-30） （5-31） 取=20，则：=0.520=10 （5-32）(3)选择， 。取=0.01，10，=1，因为： （5-33） （5-34）取约数71.5。采用EWB软件对图5.6的电路进行仿真，仿真结果如图5.7所示。结果表明设计电路正确。 图5.7 三角波方波仿真波形5.4 压控三角波方波发生器II5.4.1 电路元器件的选择表5-4 压控三角波方波电路元器件选择电阻器8个二极管1个稳压二极管2个三端运算放大器2个电容1个示波器1个 续表5-4电位器2个NPN晶体管1个5.4.2 压控三角波方波发生器II电路设计仿真图5.8 三角波方波发生器II由组成比较器。其阈值电压，即=。其输出为方波，峰值为(饱和输出电压)。由组成积分器，输出为三角波，峰值为。当=-时，截止，=。0时，反相积分。当下降到稍低于时，变为。=，导通。导通，导致正向积分。当上升稍大于时。变为-。以此类推，产生振荡。用于调节频率。基本关系是： ,，, （5-35），。应用集成运放设计压控振荡器设计三角波-方波发生器。输入电压为01，振荡频率为01，方波峰值为12，三角波峰值为2.5。 (1)选择，。，选择理想型运算放大器，因输出方波值为12。电源开关为15，饱和输出电压=12，因三角波峰为2.5。故，选用理想型稳压二极管。其=5.1，=5。选择理想型高速开关二极管。选用理想型NPN三极管。 (2)选择，。 （5-36）因的峰值等于2.5，即的峰值等于。取=10。，去=8.2， =4.7。(3)选择，。 （5-37）令=470，=1,=1，则 （5-38）和为输入分压电阻，取=68。取导通时=0.2，发射节点电压=0.7，则， （5-39）令，取=47，=10，由和组成。采用EWB软件对图5.8的电路进行仿真，仿真结果如图5.9所示。结果表明设计电路正确。图5.9 三角波方波仿真波形6 电路仿真调试中遇到的问题 6.1 不起振和容易停振所遇到问题：(1)反馈电压极性接反。(2)直流工作点过低。(3)负反馈过大。(4)变容管反向偏压不合适。 解决方法：(1)改变反馈极性。(2)改变偏置电路参数。(3)适当减小负反馈。(4)调整偏压。6.2 静态分析失败所遇到问题：仿真过程遇到“模拟失败”和“程序不收敛”，出现“Gmin stepping failed”“Source stepping failed”。解决方法14：(1)在“分析任选项”的静态工作点分析，对话框中，增加迭代极限至200到300。(2)减少在“分析任选项”的“（Global）分析栏”中的“RSHUNT”值至100倍。(3)增加“分析任选项” 的“（Global）分析栏”中的“Gmin”值至10倍。(4) 增加“分析任选项”的“的初始条件为零”。6.3 结论本文从压控振荡器电路的原理出发，给出了锯齿波发生器，矩形波发生器，三角波方波发生器的仿真模型的设计，并使用EWB对其进行仿真。这种设计仿真模型的优点是非常接近实际电路设计的工作过程。首先本文简单介绍了压控振荡器的原理和发展现状以及集成运算放大器的原理和组成。在第三章详细总结了压控振荡器的设计要点。然后在第四章中介绍了设计中所需要的各个元器件。第五章中进行了锯齿波发生器，矩形波发生器，三角波方波发生器的电路图设计，并用EWB对其进行仿真。仿真结果及分析表明，电路实现了其功能，并具有较好的性能。仿真结果验证了压控振荡器的输出信号的频率受输入电压线性控制。 参考文献 1 云振新微波压控振荡器的发展与选用J电子元器件应用，2002，(7)：29322 云振新压控振荡器技术回望与展望电子元器件应用2004-08（6-8）3 George Clayton Steve Winder Operational Amplifiers (fifth edition) Newnes- Butterworth20034 George Clayton Steve Winder Operational Amplifiers (fifth edition) Newnes- Butterworth20035 蔡锦福运算放大器原理及应用科学出版社20056 凤杰，何文垒，黄维伟，李渊飞，李扬凯，谭大礼，周舒扬运算放大器原理和应用. 基本电路理论课程论文. 2006-20077 徐帆电子电路的EWB仿真分析与设计电子元器件应用2006-098 王爱华，汪春霆压控振荡器设计与调试要点压电晶体技术1989，（01）9 李忠波，袁宏电子设计与仿真技术机械工业出版社2005-0610 徐淑英基于EWB的阶梯波发生器的电路设计武汉船舶职业技术学院学报2006，（05）11 兰吉昌运算放大器集成电路手册化学工业出版社200612（日）马声清太郞运算放大器应用电路设计科学出版社200713 王昊集成运放应用电路设计360例/电路应用系列电子工业出版社200714 周长森电子电路计算机仿真技术山东科学技术出版社2001-09致谢 经过了一个学期的毕业设计，我终于完成了压控振荡器的电路设计的论文。从开始接到论文题目到系统模型的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战。在整个设计中我遇到很多困难和问题，幸好本次设计由龙敏老师的悉心指导和各位同学的热心帮助，并通过自己查阅的相关资料，顺利解决了这些问题，这次实践让我明白，学好专业知识是很重要的。在毕业设计期间，无论是毕业设计相关的内容还是其他学习方法都得到了导师的悉心指导。本论文是在导师的精心指导下完成的，论文从选题、论证撰写直至定稿都凝集着导师的心血，这种对学术的严谨作风令我感动和钦佩，这一切将继续指导我在今后的学习、工作和生活中取得更大的进步。在此，我向龙敏老师表示最崇高的敬意和由衷的感谢。这次做论文的经历也会使我终身受益，希望这次的经历能在以后的学习中激励我继续进步。在此对给予我帮助的的老师和同学表示衷心的感谢。第 35 页 共 35 页