压控振荡电路的设计

压控振荡电路的设计方案设计能实现VCO功能的电路很多，常用的有分立器件构成的振荡器和集成压控振荡器。如串联谐振电容三点式电路、压控晶体振荡器，积分-施密特电路、射级耦合多谐振荡器、变容二极管调谐LC振荡器和数字门电路等几种。它们之间各有优缺点，下面做简要分析，并选择最合适的方案。方案一：分立器件组成的压控振荡器串联谐振电容三点式电路（又称克拉泼电路）具有输出波形、稳定性较好，频率调节较为方便。压控晶体振荡器由于晶体的Q值高、老化效应小和温度系数较小等特点，而具有较高的短期和长期频率稳定度。压控晶体振荡器调谐的范围在10数量级，调谐范围很窄。为扩大压控晶体振荡器的调谐范围，常采用串联压控晶体振荡器和在晶体上并接电感等方法，但都以牺牲振荡器频率稳定度为代价。4−这两种方法电路结构比较简单，成本不高，但是调试不太方便，稳定性不是很好。方案二：积分-施密特触发器型压控振荡器该类电路属于低频宽带通用形压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容和电阻实现，电源电压范围较宽，优点是线形度好，可控范围宽，缺点是频率稳定度底，易受温度和电源电压变化的影响，最高工作频率只有1MHz左右。方案三：射级耦合多谐振荡型压控振荡器该类集成电路采用二极管作负载，Ud较小，采用对称结构的三极管工作在共基接法，直接耦合正反馈较强，振荡频率较高，压-频特性较好，且调整方便，输出最高频率可达155MHz。方案四：LC负阻型压控振荡给出一个适宜于单片器下图集成的变容二极管调谐的LC压控振荡器原理图。电容由变容二级管C、D振荡回路SLC振荡频率为：)(21sDCCLf+=π式中，C为外接回路电容，Cd为变容二极管电容。sC为变容二极管所呈现的电容，它的值为jCj=nDcVC⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+µ10式中C为0Cµ=0时的基本电容.V为接触电位，对硅变容二极管V0.5～0.7V,对砷化镓变容二极管VDD≈D≈1.1～1.2V.n为变容指数，与PN结阻挡层形状有关，缓变结n0.3，突变结n≈≈0.5,超突变结n1.≥Cµ为控制电压，具体数值视各种管子而定。可见，之间的关系不是线形的。udf↔压控振荡器的控制灵敏度K0在工程上可以由下式近似求得：)/()(2minmaxminmax0VsraduuffKDD•−−=π这种振荡器有众多的集成电路存在，由于采用ECL工艺，所以最高工作频率可以达到几百MHz，且电路简单，稳定性好，调试方便。比较以上四种方案，从电路结构、稳定性、频率上限、调试难易程度、构建系统的费用等方面比较，方案四明显优于另三套方案。实现方案四的集成电路很多，在此，作者采用Motorala公司生产的LC负阻型压控振荡器MC1648，该芯片的使用较为广泛，购买比较方便。其外部电路结构简单、稳定性好，故本系统采用采用这种结构。电路设计MC1648是单片集成的射极耦合振荡器，输出MECL电平。电路工作时，外接电感L和电容C的并联谐振回路即可形成固定频率的振荡器。若外接变容二极管，控制变容管的直流偏置即可构成LC压控振荡器。MC1648的工作电源为5v或负5.2V。最高工作频率可达225MHz.几种常见的变容管连接方式和相应的压控特性见下图，其中（a）（b）为单管连接，控制电压加到变容管，其作用是限流。（c）采用双管背对背连接，其工作频率高，压控特性也好，本系统采用此种结构。电路的5端为AGC。改变AGC的电位，则振荡幅度改变，经放大输出的波形也不一样。通过AGC调节，电路可以输出正弦波，也可以输出方波。DoAGC0.1u5u0.1uLMC16481KVisfv(a)DoAGC0.1u5uC0.1uLMC16481KVisfv(b)D?DoAGC0.1u5u0.1uLMC16481KVisfv(c)104foutvAGC5NC6Vee7NC4ECL3NC2Vcc1Vee8Vcc14NC13PIAN212NC11PIAN110NC9U?MC1648L1L2K?Q?D?D?C?R52005k+12+5C?L?C?控制振荡频率由式SLCfπ21=来决定，Cs为变容管电容。由此式可知，要想改变整个系统的输出频率，可以有两种方法，可以改变电容的大小，也可以改变电感的大小，改变电容的大小就如图中所示，通过变容二极管来实现，很适合电路自动完成，常作为压控振荡的受控元件；改变电感可以用波段开关来实现，从而达到扩充频段的目的。由于条件所限，可供选择的变容二极管只有2CC1，其最高工作频率为50MHz，并且变容比比较小，虽然作者采用比较好的电路结构来改善频率输出，最大频率能达到68MHz，但前提条件是要改变电感的大小。因此，为了得到较大的带宽，可采用波段开关来选择两个不同的电感，电感由继电器来选择，继电器由单片机来控制，因此，只要设置一个按键来选择波段，就可达到扩宽频带的目的。振荡器是系统产生频率的关键，决定着输出波形是否失真，以及输出幅度的大小。因为是高频电路，所以对电源的要求比较高，常需要对电源进行处理才能，比如加电感电容来滤波，既可以防止工频变压器对振荡器的干扰，也可以防止振荡器通过电源对其他电路的干扰。在进行这些处理后，一般还要加金属屏蔽外罩，才有更好的效果。根据选用的变容二极管2CC12B，其最大工作频率为50MHz，由于采用较合适的结构设计，本系统实际工作频率为8~68MHz，输出频率范围达60MHz，但是要通过改变电感来实现。高频功率放大器的设计利用宽带变压器作耦合回路的功率放大器称为宽带功率放大器，它不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大。但效率η较低，一般只有20%左右。它通常作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。利用选频网络作为负载的功率放大器称为谐振功率放大器。根据放大器电流导通角θ的范围，可以分为甲类、乙类、丙类和丁类等功率放大器。电流导通角θ越小，放大器的效率越高。如丙类功放的θ＜900，但效率可达80%。丙类功率放大器常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的效率。高频功率放大器常工作于乙类、丙类、丁类，由于乙类功放效率低故不予采纳；丁类功放虽然谐波输出小、效率高，但由于在开关转换瞬间的器件功耗随开关频率的上升而加大，因此频率上限受到限制[2].频率升高后，丁类放大器的效率下降，失去了相对于丙类放大的优点，基于上述理由，本系统采用丙类放大.（如图所示）加大发射功率的方法A．最直接的方法是适当提升电源电压，题中已限制在+12V，已达极限.B．可使用高效的功放管，比普通功放管效率.为获得较高的效率η及最大输出功率P，将功放的工作状态选为临界状态，取0θ=70.得集电极的等效负载电阻0Rq=()()=−=−0222PVVPVVCESCCCCESCC3.3kΩ集电极基波电流振幅IClm=qCRP2=12mA集电极电流脉冲的最大值I及其直流分量I，即Cm0CICm=I/Clm(0701)α=12mA/0.44=28mAICO=ICm()0070α⋅=7mA电源供给的直流功率P=VDCOCCI⋅=84mW集电极耗散功率P=P-P=64mWC,DC集电极效率为η=PC/P=76.2%D由谐振回路输出的信号-经射极输出器至甲类放大器，再经由丙类放大，级间由LC回路耦合，起选频和阻抗匹配作用。末级输出回路由带通及低通滤波构成，以净化输出波形，并与负载进行匹配，以达到输出功率与效率的较好结合。