求一種壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真方案

在射頻通信電路中，作為頻率信號諧波振蕩的“最終來源”，振蕩器是必不可少的電路模塊。穩(wěn)定的振蕩器輸出直接決定了射頻系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

今天的總結(jié)從基本原理、壓控振蕩器的設(shè)計(jì)和仿真實(shí)例目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行展開。其中壓控振蕩器的實(shí)現(xiàn)步驟主要包括偏置電路設(shè)計(jì)、可變電容器VC特性仿真和振蕩電路設(shè)計(jì)三個部分。

基本知識

壓控振蕩器的基本原理是利用外部電壓實(shí)現(xiàn)對壓控振蕩頻率的可調(diào)節(jié)，性能參數(shù)主要包括振蕩中心頻率、調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)線性度、輸出振幅、功耗、電源與共模抑制和輸出線性純度等。

壓控振蕩器原理與性能參數(shù)：在應(yīng)用于射頻接收機(jī)系統(tǒng)的振蕩器中，大多數(shù)要求振蕩器頻率是“可調(diào)的”，也就是其在輸出頻率是一個控制輸入的函數(shù)，這個控制輸入通常是電壓（雖然電流控制源也是可行的，但由于電流控制下高Q值存儲元件的可變性，使得電流控制振蕩器沒用廣泛應(yīng)用于射頻接收系統(tǒng)中）。一個理想的壓控振蕩器其輸出頻率是其輸入電壓的線性函數(shù)。壓控振蕩器性能參數(shù)如下所述：（1）中心頻率；（2）調(diào)節(jié)范圍；（3）調(diào)節(jié)線性度；（4）輸出振幅：能達(dá)到大的輸出振蕩幅度是再好不過的，這樣使輸出波形對噪聲不敏感；幅度的增加可以通過犧牲功耗、電源電壓甚至是調(diào)節(jié)范圍得到的；（5）功耗：與其他模擬電路一樣，振蕩器受速度、功耗和噪聲的限制。振蕩器典型的功率消耗在1~10mV之間；（6）電源與共模抑制；（7）輸出信號的純度：即使有恒定的控制電壓，壓控振蕩器的輸出波形也不具完美的周期性。振蕩器中元器件的電子噪聲和電源噪聲使輸出相位與頻率含有噪聲。這些影響被量化成“信號抖動”和“相位噪聲”；

相位噪聲：相位噪聲作為壓控振蕩器最關(guān)鍵的參數(shù)之一，在設(shè)計(jì)時應(yīng)慎重研究及優(yōu)化，使得其相位噪聲達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)。隨著射頻電路的發(fā)展，已經(jīng)有很多相位噪聲模型產(chǎn)生，但是相位噪聲的優(yōu)化仍然是艱巨的任務(wù)。例如：改善振蕩器的Q值。盡管以上定性分析的是理想振蕩器的噪聲情況，但是這些結(jié)果同樣適合實(shí)際的振蕩器：在功耗一定的情況下，較高Q值的振蕩器有利于改善其噪聲性能；在給定噪聲性能的情況下，較高Q值的振蕩器能夠降低其功耗。

壓控振蕩器仿真實(shí)例

壓控振蕩器設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

壓控振蕩器振蕩頻率1.5GHz

振蕩器電流10mA

調(diào)幅噪聲在頻偏100kHz時，小于-160dBc

相位噪聲在頻偏100kHz時，小于-100dBc

在確定了設(shè)計(jì)指標(biāo)后，下面分別討論三部分電路的設(shè)計(jì)流程。

實(shí)驗(yàn)步驟

一、偏置電路仿真

1、新建工程“vco_lab”和原理圖“bias”，還是利用之前的三極管包進(jìn)行仿真。

在e洛盟的網(wǎng)站找合適的三極管，與書本給的例程筆記接近的雙極性射頻晶體管，通過旁邊的表格，可以看出頻率，功率。電流之類的。

所以我用BFU520來進(jìn)行接下來的實(shí)驗(yàn)。

2、在原理圖窗口選擇“Probe Components”元件面板，從面板中選擇兩個電流觀察器I_Probe插入原理圖。

3、在原理圖窗口中選擇“Sourc-Time Domain”元件面板，從面板中選擇兩個直流電壓源V_DC插入原理圖中，分別設(shè)置為-5V和12V，這里大家自己設(shè)置一下。

4、在“Lumped-Components”元件面板中選擇R，設(shè)置為400Ω；

并設(shè)置范圍為100~5k，設(shè)置方式如下圖所示。

用同樣的方法設(shè)置R2，初始值600，范圍為100~3k。

5、完成如下的電路圖。

添加直流仿真控制器“Simulation-DC”、優(yōu)化控制器“Optim/stat/Yield/DOE”和兩個目標(biāo)控件“goal”，并進(jìn)行設(shè)置。

優(yōu)化控制器的設(shè)置如下：

GOAL1的設(shè)置如下：

GOAL2的設(shè)置如下：

6、進(jìn)行仿真和優(yōu)化，仿真完成之后，單擊工具欄的[Simulate]按鈕開始仿真，在菜單欄中選擇[Simulate]->[Annotate DC Solution]命令，為原理圖注釋直流工作點(diǎn)電流和電壓，基本上可以滿足。

在這一篇中比較有用的是

RF VCO的變?nèi)?a target="_blank">二極管模型 - jz.docin.com豆丁建筑（這個是鏈接，可以找找）

這一篇文章，因?yàn)闆]下到變?nèi)荻O管的模型，只能自己建，不過這個是用在SPICE這個軟件上的，但是好在參數(shù)可以借鑒。

在各個廠家的官網(wǎng)也可以下到一些仿真文件：Skyworks | Search Results (skyworksinc.com) （這個是鏈接，可以找找）

二、可變電容器特性仿真

可變電容器是壓控振蕩器中重要的元件之一，在進(jìn)行壓控振蕩器電路設(shè)計(jì)之前，需要對可變電容器的電壓——電容（VC）特性進(jìn)行仿真。

1、新建一個“barator”原理。參考

RF VCO的變?nèi)荻O管模型 - jz.docin.com豆丁建筑（這個是鏈接，可以找找）中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

得出來的曲線如下所示：

可以看的，在1-10V范圍內(nèi)，可變電容器變化的范圍為4.5~6.5pF，根據(jù)：

調(diào)整電感的值，改變電容，使諧振頻率在1.5GHz附近。

三、壓控振蕩器仿真

完成偏置電路和可變電容與電壓特性曲線仿真后，就可以進(jìn)行壓控振蕩器的仿真設(shè)計(jì)了。壓控振蕩器的仿真主要包括功能仿真和噪聲仿真兩個方面。

壓控振蕩器功能仿真

1、新建“vco”的原理圖，把“bias”和“varator”復(fù)制到“vco”原理圖中，并進(jìn)行修改，得到的電路圖如下所示：

2、在原理圖窗口選擇“Simulation-Transient”元件面板，選擇一個準(zhǔn)瞬態(tài)仿真控制器插入到原理圖中，對其進(jìn)行設(shè)置。

最后的電路圖如下：

3、完成設(shè)置后，進(jìn)行仿真，顯示vout在時域上的波形，并標(biāo)記m1和m2。

這時在時域上的波形看不到頻譜信息，所以要添加公式

計(jì)算出頻譜信息，并顯示。

可以看到諧振頻率在1.527GHz，可以將振蕩器的頻率設(shè)置為1.5GHz輸出。

對壓控振蕩器相位噪聲仿真

1、新建一個“vco_phasenoise”原理圖，把“vco”里的原理圖拷貝到“vco_phasenoise”中，對其進(jìn)行修改。

2、在原理圖中選擇“Simulation-HB”元件面板，從元件面板中選擇標(biāo)準(zhǔn)諧波平衡仿真控制器插入原理圖中，雙擊該控制器進(jìn)行設(shè)置，這里設(shè)置有點(diǎn)復(fù)雜。

設(shè)置的步驟如下：

設(shè)置“OverSample”

設(shè)置噪聲

設(shè)置“Osc”，并把OscPort加進(jìn)去：

3、從“Simulation-HB”元件面板中選擇一個振蕩器端口插入偏置電路和可變電容電路之間，作為仿真相位噪聲的振蕩器端口。

4、最后從“Filter-Bandpass”元件面板中選擇一個Chebyshev帶通濾波器插入原理圖，對輸出頻譜進(jìn)行選頻，設(shè)置如下：

最后的原理圖如下：

5、完成后，進(jìn)行仿真?？梢钥吹捷敵鲂盘柕墓β蕿?.967dBm，二次諧波抑制大約80db，信號純度良好。

顯示調(diào)幅噪聲：

從圖可以看出，在頻率偏移基波頻率100kHz時達(dá)到-173.614dBc，滿足要求。

最后插入相位噪聲pnmx的仿真結(jié)果：

可以看到在頻率偏移100kHz處，相位噪聲為-105.2dBc，滿足-100dB的設(shè)計(jì)要求。

到這里就完成了壓控振蕩器的全部設(shè)計(jì)目標(biāo)。

到這里，這一節(jié)還是比較順利的，主要因?yàn)檎业搅艘粋€模型，直接往里面填數(shù)據(jù)，后面仿真除了沒用達(dá)到書上的2G，其他的都很順利。在壓控振蕩器設(shè)計(jì)中，可變電容的選取最為重要。在可調(diào)電壓范圍內(nèi)，可變電容器所能體現(xiàn)的電容值決定了振蕩器能否工作在需要的頻率上，因此在壓控振蕩器設(shè)計(jì)中可變電容器電壓-電容曲線的仿真很重要，也是第一步需要完成的工作。此外，對三極管偏置的設(shè)計(jì)也決定了振蕩器起振的基本條件。在設(shè)計(jì)時，相位噪聲決定了壓控振蕩器的噪聲性能和應(yīng)用場景，在設(shè)計(jì)時應(yīng)多次仿真，確定影響相位噪聲的因素，進(jìn)行優(yōu)化，以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。