CN106899269B - 一种粗细调谐相结合的高频lc压控振荡器及调谐方法 - Google Patents
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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
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。
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。
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 C6、7越低,输出频率线性度越高,C6、7主调线性,但影响频率;C9、C12串联,C9、12越低,输出频率越高,C5、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 (7)
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;
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