用負阻原理設計高穩定度VCO

摘要：介紹了利用負阻原理、采用改進型克拉潑電路設計的高穩定度LC壓控振蕩器（VCO），其頻率范圍為180MHz~210MHz。用ADS進行了仿真，最后給出了測量結果，實際表明它們是一致的。該電路采用相角補償，提高了頻率穩定度，降低了相位噪聲。該方法設計簡單、調試方便、成本低。

    關鍵詞：負阻 VCO 克拉潑電路 相位噪聲

壓控振蕩器(VC0)是鎖相環路的重要組成部分。隨著電子技術的發展，出現了許多集成的VCO芯片。考慮到高頻率穩定度、低相噪的要求，這里采用Agilent公司生產的低噪聲晶體管HBFP0450來設計VCO。常用的VCO一般有三種：晶體壓控振蕩器、LC壓控振蕩器和RC壓控振蕩器。對于超高頻段的VCO，采用LC振蕩器形式；為了提高頻率穩定性，采用了克拉潑電路，并進行了相角補償。

1 負阻振蕩原理

這里采用負阻方法來設計壓控振蕩器，負阻振蕩原理圖如圖1所示。

圖中，ZIN是晶體管電路的輸入阻抗，RIN和XIN分別是輸入電阻和電抗；ZL是負載阻抗，RL和XL分別是負載電阻和電抗。 根據振蕩原理，起振條件是：

RIN+RL<0   （1）

振蕩的平衡條件是

RIN+RL =0   （2）

XIN+XL=0   （3）

2 設計與仿真

2．1 起振與振蕩的仿真

這里用ADS來仿真電路，采用改進型克拉潑電路形式，具體電路如圖2所示。選用高增益、低噪聲的HBFP0450作為三端器件，它在200MHz工作頻率上有20dB的增益，從而保證了較大的振蕩幅度。供電電壓為5V，通過R1、R2和R3來確定靜態工作點，工作電流選定為10mA，Vce為2．5V。

交流等效電路如圖3所示。L1、C4和C5串聯可以等效成一個電感，從而滿足，電容三端振蕩器的相位條件。L1、C4、C5、C6、C7構成了諧振回路，振蕩頻率主要由這五個元件所決定。頻率計算公式如下：

式中，L1為線圈繞制電感，Q值為39。C為C4、C5、C6和C7串聯后的等效電容， 由于C4<<C5、C4<<C6、C4<<C7，所以C≈C4。其中，C4為變容管，通過改變其負偏壓就可以改變振蕩頻率。

從圖4(a)的仿真結果可以看出，在200MHz附近，及RIN+RL <0，所以滿足起振條件，由于RIN的負阻比較大，所以提供交流能量的能力比較強，故振蕩的幅度會比較大，這一點在后面的仿真和測試中可以得到證實。從圖4(b)可以看出，當f為200MHz左右時，XIN+XL=0，從而滿足相位平衡條件，它決定了振蕩的頻率。

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