CN106899269B

CN106899269B - 一种粗细调谐相结合的高频lc压控振荡器及调谐方法

Info

Publication number: CN106899269B
Application number: CN201710081602.8A
Authority: CN
Inventors: 王晓志; 刘豫; 同军军
Original assignee: TIANSHUI 749 ELECTRONIC CO LTD
Current assignee: TIANSHUI 749 ELECTRONIC CO LTD
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: CN106899269A

Abstract

本发明公开了一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器及调谐方法,其由LC谐振网络电路和共射级放大电路组成；电路的LC谐振网络采用了一种基于一只变容二极管在LC谐振网络中充当电抗的容性阻抗形式通过压控端粗调，另一只变容二极管在LC谐振网络中充当电抗的感抗支路形式通过压控端细调，具备粗调和细调两个压控调谐端；通过调节变容二极管反偏电压的大小，通过粗、细调相结合改变变容二极管的结电容，从而改变谐振网络的谐振频率，最终改变输出信号频率。本发明元器件少，电路简单，应用较广，是产生高频振荡器的经济有效方法，可广泛应用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、数字无线通信等电子系统中。

Description

一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器及调谐方法

技术领域

本发明属于电子电器领域，涉及压控振荡器，具体涉及一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器及调谐方法。

背景技术

实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调频便属于此类。变容二极管直接调频电路是目前应用最广泛的直接调频电路，传统的变容二极管直接调频LC压控振荡器中心频率稳定度较低、波段频率的非线性度大、输出信号近端相噪较大。压控振荡器（VCO, voltage-controlled oscillator）是输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路。

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。压控振荡器广泛用于频率调制器，锁相环路，以及无线发射机和接收机中。尤其在通信系统中，压控振荡器是其中的关键部件，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。现有调频电路普遍有三种形式；采用互感耦合振荡器形式、采用电感三点式振荡器、采用电容三点式振荡器。采用互感耦合振荡器形式；由于分布电容存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器，而且灵活性较差。采用电感三点式振荡；由于反馈信号取自电感两端压降，而电感对高次谐波呈现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反馈，因此振荡器输出信号中的高次谐波成分较大，信号波形较差。

采用电容三点式振荡器。电容三点式振荡电路的基极和发射极之间接有电容，反馈信号取自电容两端，它对谐波的阻抗很小，谐波电压小，因而使集电极电路电流中的谐波分量和回路的谐波电压都较小。反馈信号取自电容两端，由于电容对高次谐波呈现较小的容抗，因而反馈信号中高次谐波分量小，故振荡输出波形好，但电容三点式振荡器的输出波段频率非线性度大，中心频率稳定度低。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器，达到有效控制中心频率稳定度、及波段频率的非线性度。

本发明采用如下技术方案：一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器，由LC谐振网络电路和共射级放大电路组成；所述LC谐振网络电路包括第一变容二极管D1、第六电容C6、第七电容C7、第九电容C9、第十二电容C12、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第二变容二极管D2、第一三极管T1、第二电感L2、第十一电阻R11；第一变容二极管D1的一端接第四电阻R4的一端、第六电容C6的一端，第一变容二极管D1的另一端接地，第四电阻R4的另一端接外部输入直流电压信号Vt1，第六电容C6的另一端接第七电容C7的一端，第七电容C7的另一端接第二电阻R2的一端、第六电阻R6的一端、第九电容C9的一端、第一三极管的T1的基级，第二电阻R2的另一端接第一电阻R1的一端、第一稳压二极管Vz1的一端、第三电容C3的一端、第一三极管T1的集电极、第二电容C2的一端，第五电容C5的一端，第一稳压二极管Vz1的另一端、第三电容C3的另一端、第二电容C2的另一端均接地，第一电阻R1的另一端接VCC直流电压、第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接地，第九电容C9的另一端接第十二电容C12的一端，第十二电容C12的另一端接第一三极管T1的发射极、第十四电容C14的一端、第二电感L2的一端，第一三极管T1的发射极接第十一电容C11的一端，第十一电容C11的另一端接第七电阻R7的一端、第五电阻R5的一端，第七电阻R7的另一端接地，第十四电容C14的另一端接第十五电容C15的一端，第十五电容C15的另一端接第十六电容C16的一端、第二变容二极管D2的一端，第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端接外部输入直流电压信号Vt2，第二变容二极管D2的另一端、第十六电容C16的另一端均接地，第二电感L2的另一端接第十一电阻R11的一端，第十一电阻R11的另一端接地；

所述共射级放大电路包括第七电阻R7、第五电阻R5、第十电容C10、第三电阻R3、第八电阻R8、第二三极管T2、第一电感L1、第四电容C4、第九电阻R9、第十三电容C13、第八电容C8；第七电阻的一端接第十一电容C11的一端、第五电阻R5的一端，第七电阻R7的另一端接地，第五电阻R5的另一端接第十电容C10的一端，第十电容C10的另一端接第三电阻R3的一端、第二三极管T2的基级、第八电阻R8的一端，第三电阻R3的另一端接第五电容C5的一端、第一电感L1的一端、第四电容C4的一端，第八电阻R8的另一端接地，第一电感L1的另一端接第二三极管T2的集电极、第八电容C8的一端，第四电容C4的另一端、第五电容C5的另一端均接地，第二三极管T2的发射级接第九电阻R9的一端、第十三电容C13的一端，第九电阻R9的另一端、第十三电容C13的另一端接地，第八电容R8的另一端接输出。

LC谐振网络分为感性阻抗和容性阻抗，感性阻抗有两支分路组成，一支为三极管T1基级 —发射极支路：C9串联C12；另一条支路为三极管TI集电极—发射极：C16并联D2，再串联C15、C14然后与L2并联；容性阻抗是三极管T1基级—集电极支路：由D1串联C6再串联C7组成。

本发明的另一目的在于提供一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器的调谐方法。

一种上述粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器的调谐方法，令D1串联C6串联C7为，C9串联C12为，D2并联C16串联C15、C14再并联L2为，则，调谐端用来调节容性阻抗、感性阻抗支路；

由于输出频率，所以通过改变D1的反偏电压对输出频率进行粗调，改变D2的反偏电压对输出频率细调，通过设定D1、D2反偏电压的大小使输出频率稳定，控制波段频率的非线性度。

优选的，三极管T1、T2，型号为BFR360F。稳压二极管Vz1，型号为LM4040A82。电感L1、L2，L1型号为XECJ0402CW220，电感量为22nH, L2型号为XECJ0402CW150，电感量为22nH。

优选的，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16均为贴片电容，C1、C2、C4的容值为10nF，C3、C5的容值均为1nF，C6、C7的容值为15pF，C8、C10、C11的容值为100pF，C9、C12的容值为1pF，C13的容值为10pF，C14、C15、C16的容值为3.3pF，所有电容选用七专级，精度≤5%。

优选的，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11均为印刷电阻，电阻R1的阻值为36Ω, R2、R3的阻值为12kΩ，R4、R10的阻值为100 kΩ，R5的阻值为51Ω, R6、R8的阻值为10k，R7的阻值为1 kΩ，R9的阻值为300Ω，R11的阻值为100Ω，所有电阻选用七专级，精度≤5%。

本发明的有益效果是：

1. 本发明电路的LC谐振网络部分，采用了一种基于一只变容二极管在LC谐振网络中充当电抗的容性阻抗形式通过压控端粗调，另一只变容二极管在LC谐振网络中充当电抗的感抗支路形式通过压控端细调，具备粗调和细调两个压控调谐端；通过调节变容二极管反偏电压的大小，通过粗调和细调相结合的方法改变变容二极管的结电容，从而改变谐振网络的谐振频率，最终改变输出信号频率。本发明元器件少，电路简单，应用较广，是产生高频振荡器的经济有效方法，可广泛应用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信等电子系统中。

2. 在VCO的LC谐振网络中使用两只变容二级管，即在LC振荡回路中加入可变电抗，用低频调制信号去控制可变电抗的参数，即可产生振荡频率随调制信号变化的调频波。本发明的粗调和细调两个压控调谐端有效控制中心频率稳定度、及波段频率的非线性度，细调端压控灵敏度1.45MHz/V；调谐电压0V～5V；粗调端压控灵敏度15MHz/V；调谐电压2～9V；通过粗细调谐相结合的方式，极大地提高了波段频率的非线性度、中心频率稳定度；减小了输出信号近端相噪。本发明电路输出频率为2.2GHz～2.3GHz，输出中心频率稳定度较高，波段频率的最大非线性度小于2%，输出近端相噪小于100dBc/Hz@100Hz。

3. 本发明后级为三极管的共射级放大电路，T2及周围电路为该LC压控振荡器的放大输出级，R7、R5、R8构成Ⅱ型衰减器，它使压控振荡器和放大输出级隔离，有利于提高压控振荡器的中心频率稳定度。L1为高频扼流圈，它的作用是为晶体三极管各极提供合适的直流电压。本发明供电电压为12伏，压控振荡信号从C8输出，其电平约为0dbm。为了在线测量，压控振荡信号经衰减器送至压控振荡器输出测量接头，电平约为-10dbm。

4. 本发明压控振荡器的输出频率约为2.2-2.3GHz，由于振荡频率高，晶体管的极间电容、引线电感等参数对振荡频率及工作状态都有很大影响，因此对元件、布线、工艺、焊接等的要求非常高，本发明在布线方面做了特殊处理；本发明电路采用厚膜丝网印刷工艺，所有电阻精度为±1%，电容精度都小于±5%，选用七专级（精度高，温漂小），用工作温度范围宽的芯片元件，保证了电路精度高、工作温度范围宽，由于信号频率较高，在布线方面也采用高频布线方式，抗干扰能力强。与传统的压控振荡器电路相比，该发明电路结构简单，工作频率高，具备粗调和细调2个压控调谐端，中心频率稳定度高，输出波段频率的非线性度小，输出信号近端相噪小，电路性能好，固有损耗小，可靠性高，易于大批量生产，价格低廉。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，本实施例是LC谐振网络电路、共射级放大电路组成。所述LC谐振网络电路包括第一变容二极管D1、第六电容C6、第七电容C7、第九电容C9、第十二电容C12、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第二变容二极管D2、第一三极管T1、第二电感L2、第十一电阻R11；第一变容二极管D1的一端接第四电阻R4的一端、第六电容C6的一端，第一变容二极管D1的另一端接地，第四电阻R4的另一端接外部输入直流电压信号Vt1，第六电容C6的另一端接第七电容C7的一端，第七电容C7的另一端接第二电阻R2的一端、第六电阻R6的一端、第九电容C9的一端、第一三极管的T1的基级，第二电阻R2的另一端接第一电阻R1的一端、第一稳压二极管Vz1的一端、第三电容C3的一端、第一三极管T1的集电极、第二电容C2的一端，第五电容C5的一端，第一稳压二极管Vz1的另一端、第三电容C3的另一端、第二电容C2的另一端均接地，第一电阻R1的另一端接VCC直流电压、第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接地，第九电容C9的另一端接第十二电容C12的一端，第十二电容C12的另一端接第一三极管T1的发射极、第十四电容C14的一端、第二电感L2的一端，第一三极管T1的发射极接第十一电容C11的一端，第十一电容C11的另一端接第七电阻R7的一端、第五电阻R5的一端，第七电阻R7的另一端接地，第十四电容C14的另一端接第十五电容C15的一端，第十五电容C15的另一端接第十六电容C16的一端、第二变容二极管D2的一端，第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端接外部输入直流电压信号Vt2，第二变容二极管D2的另一端、第十六电容C16的另一端均接地，第二电感L2的另一端接第十一电阻R11的一端，第十一电阻R11的另一端接地。

工作原理：LC谐振网络中利用变容二级管结电容随反向偏置电压VT变化而变化的特点：VT=0V时，是最大值，一般变容二级管VT落在2-8V间，呈线性变化，VT在8-10V则一般为非线性变化，VT在10-20V时，非线性十分明显，它的结电容与反向电压存在如下关系：

，结合低噪声振荡电路制作成为基于两只变容二极管的压控振荡器，当改变变容二级管的反偏电压，振荡器振荡频率随之改变。

本发明中D1、C6、C7、C9、C12、C14、C15、C16、D2、T1、L2构成LC谐振网络。整个LC谐振网络分为感性阻抗和容性阻抗，感性阻抗有两支分路组成，一支为三极管T1基级—发射极支路：C9串联C12；另一条支路为三极管TI集电极—发射极：C16并联D2再串联C15、C14然后与L2并联（R11可忽略）；容性阻抗是三极管T1基级—集电极支路：由D1串联C6再串联C7组成。

令D1串联C6串联C7为C₁，C9串联C12为C₂，D2并联C16串联C15、C14再并联L2为C₃，则LC谐振网络中的容抗

，调谐端用来调节容性阻抗C₁、感性阻抗支路C₃。由于LC谐振网络输出频率

，所以通过改变D1的反偏电压能对输出频率进行粗调，改变D2的反偏电压能对输出频率细调，通过设定D1、D2反偏电压的大小不仅可使输出频率稳定，而且能有效的控制波段频率的非线性度。后级为三极管T2的共射级放大电路。T2及周围电路为该LC压控振荡器的放大输出级，R7、R5、R8构成Ⅱ型衰减器，它使压控振荡器和放大输出级隔离，有利于提高压控振荡器的中心频率稳定度。L1为高频扼流圈，它的作用是为晶体三极管各极提供合适的直流电压。本发明供电电压为12伏，压控振荡信号从C8输出，其电平约为0dbm。为了在线测量，压控振荡信号经衰减器送至压控振荡器输出测量接头，电平约为-10dbm。

图1中三极管T1、T2，型号为BFR360F,变容二极管D1、D2，型号为BBY55-02V，稳压二极管Vz1，型号为LM4040A82，电感L1、L2，L1型号为XECJ0402CW220，电感量为22nH，L2型号为XECJ0402CW150，电感量为22nH,电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16均为贴片电容，C1、C2、C4的容值为10nF，C3、C5的容值均为1nF，C6、C7的容值为15pF，C8、C10、C11的容值为100pF，C9、C12的容值为1pF，C13的容值为10pF，C14、C15、C16的容值为3.3pF，所有电容选用七专级，精度≤5%；电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11均为印刷电阻，电阻R1的阻值为36Ω, R2、R3的阻值为12kΩ, R4、R10的阻值为100 kΩ，R5的阻值为51Ω，R6、R8的阻值为10k，R7的阻值为1 kΩ，R9的阻值为300Ω，R11的阻值为100Ω，所有电阻选用七专级，精度≤5%。

本发明在布线结构设计上进行变化，在高频信号线间加入一根地线，能起到更好的屏蔽作用；电源线和地线尽可能靠近，两电源线之间、两地线之间尽可能宽，能减少更多的电磁兼容问题，元件走线尽可能短，线越短电阻越小，干扰越小；在同一平面减少平行走线的长度，当长度大于150mm时，绝缘电阻明显下降，高频时易串绕等。

实施例

进行产品验证，首先进行OUT粗调端测试：OUT粗调端Vt1测试时，Vt2细调端设置为0V；OUT输出接“DC隔直器”，再接频谱分析仪；Vt1粗调端的电压从2V～8V变化，每隔1V，测试一次。OUT细调端测试：OUT 细调端测试时，粗调端Vt1电压设置为5V；OUT输出接“DC隔直器”，再接频谱分析仪；Vt1细调端的电压从2V～8V变化，每隔1V，测试一次。如果频谱分析仪在其他界面，先按“MARK”，再按“F3”，再按“PEAK”。Vt1粗调端的电压每变一次，重新按F3”，再按“PEAK”。在整个过程中，根据输出频率的不同，不断的需要设置频宽，频宽越窄，测试精度越高。其次对1#～4#产品中LC谐振网路中的电容进行调试，调试结果如表1所示，由表1可以看出不变的电容值为C₇=10p，C₁₂=0.5p，C₁₄=1p，C₁₅=0.5p，C₁₆=1p；可调的电容值为C₆=8.2p～10p，C₉=0.5p～1.5p，C₆、C₇串联

C_6、7越低，输出频率线性度越高，C_6、7主调线性，但影响频率；C₉、C₁₂串联

，C_9、12越低，输出频率越高，C_5、6主调频率，C₁₄、C₁₅、C₁₆一般不做调整。分别对1#～4#产品进行测试，测试结果表2所示。通过实际产品调试验证，在粗调端Vt1和细调端Vt2调节受控电压，这种粗细调谐相结合的方式，极大地提高了波段频率的非线性度、中心频率稳定度。

表1

表2

。

Claims

1.一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器，其特征在于：由LC谐振网络电路和共射极放大电路组成；

所述LC谐振网络电路是包括第一变容二极管D1、第六电容C6、第七电容C7、第九电容C9、第十二电容C12、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第二变容二极管D2、第一三极管T1、第二电感L2、第十一电阻R11；第一变容二极管D1的一端接第四电阻R4的一端、第六电容C6的一端，第一变容二极管D1的另一端接地，第四电阻R4的另一端接外部输入直流电压信号Vt1，第六电容C6的另一端接第七电容C7的一端，第七电容C7的另一端接第二电阻R2的一端、第六电阻R6的一端、第九电容C9的一端、第一三极管的T1的基极，第二电阻R2的另一端接第一电阻R1的一端、第一稳压二极管Vz1的一端、第三电容C3的一端、第一三极管T1的集电极、第二电容C2的一端，第五电容C5的一端，第一稳压二极管Vz1的另一端、第三电容C3的另一端、第二电容C2的另一端均接地，第一电阻R1的另一端接VCC直流电压、第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接地，第九电容C9的另一端接第十二电容C12的一端，第十二电容C12的另一端接第一三极管T1的发射极、第十四电容C14的一端、第二电感L2的一端，第一三极管T1的发射极接第十一电容C11的一端，第十一电容C11的另一端接第七电阻R7的一端、第五电阻R5的一端，第七电阻R7的另一端接地，第十四电容C14的另一端接第十五电容C15的一端，第十五电容C15的另一端接第十六电容C16的一端、第二变容二极管D2的一端，第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端接外部输入直流电压信号Vt2，第二变容二极管D2的另一端、第十六电容C16的另一端均接地，第二电感L2的另一端接第十一电阻R11的一端，第十一电阻R11的另一端接地；

所述共射极放大电路包括第七电阻R7、第五电阻R5、第十电容C10、第三电阻R3、第八电阻R8、第二三极管T2、第一电感L1、第四电容C4、第九电阻R9、第十三电容C13、第八电容C8；第七电阻R7的一端接第十一电容C11的一端、第五电阻R5的一端，第七电阻R7的另一端接地，第五电阻R5的另一端接第十电容C10的一端，第十电容C10的另一端接第三电阻R3的一端、第二三极管T2的基极、第八电阻R8的一端，第三电阻R3的另一端接第一电感L1的一端、第四电容C4的一端、及所述的第五电容C5的一端，第八电阻R8的另一端、第四电容C4的另一端均接地，第一电感L1的另一端接第二三极管T2的集电极、第八电容C8的一端，第二三极管T2的发射极接第九电阻R9的一端、第十三电容C13的一端，第九电阻R9的另一端、第十三电容C13的另一端接地，第八电容C8的另一端接输出OUT。

2.如权利要求1所述的一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器，其特征在于：三极管T1、T2是型号为BFR360F三极管。

3.如权利要求1所述的一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器，其特征在于：稳压二极管Vz1是型号为LM4040A82稳压二极管。

4.如权利要求1所述的一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器，其特征在于：电感L1、L2，L1型号为XECJ0402CW220，电感量为22nH，L2型号为XECJ0402CW150，电感量为15nH。

5.如权利要求1所述的一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器，其特征在于：电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16均为贴片电容，C1、C2、C4的容值为10nF，C3、C5的容值均为1nF，C6、C7的容值为15pF，C8、C10、C11的容值为100pF，C9、C12的容值为1pF，C13的容值为10pF，C14、C15、C16的容值为3.3pF，所有电容选用七专级，精度≤5％。

6.如权利要求1所述的一种粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器，其特征在于：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11均为印刷电阻，电阻R1的阻值为36Ω,R2、R3的阻值为12kΩ，R4、R10的阻值为100kΩ，R5的阻值为51Ω,R6、R8的阻值为10k，R7的阻值为1kΩ，R9的阻值为300Ω，R11的阻值为100Ω，所有电阻选用七专级，精度≤5％。

7.一种采用如权利要求2所述粗细调谐相结合的高频LC压控振荡器的调谐方法，其特征在于：LC谐振网络分为感性阻抗和容性阻抗，感性阻抗有两支分路组成，一支为第一三极管T1基极-发射极支路：第九电容C9串联第十二电容C12；另一条支路为第一三极管T1集电极—发射极：第十六电容C16并联第二变容二极管D2，第十六电容C16再串联第十五电容C15、第十四电容C14后与第二电感L2并联；容性阻抗是第一三极管T1基极—集电极支路：由第一变容二极管D1串联第六电容C6，再串联第七电容C7组成；

令第一变容二极管D1串联第六电容C6再串联第七电容C7为C₁；第九电容C9串联第十二电容C12为C₂；第二变容二极管D2并联第十六电容C16，第十六电容C16串联第十五电容C15、第十四电容C14，再并联第二电感L2为C₃，则LC谐振网络中的容抗

调谐端用来调节容性阻抗C₁、感性阻抗支路C₃；

由于LC谐振网络输出频率

所以通过改变第一变容二极管D1的反偏电压对输出频率进行粗调，改变第二变容二极管D2的反偏电压对输出频率细调，通过设定第一变容二极管D1、第二变容二极管D2反偏电压的大小使输出频率稳定，控制波段频率的非线性度。