求一种压控振荡器的设计与仿真方案

在射频通信电路中，作为频率信号谐波振荡的“最终来源”，振荡器是必不可少的电路模块。稳定的振荡器输出直接决定了射频系统的性能指标。

今天的总结从基本原理、压控振荡器的设计和仿真实例目标及实现步骤进行展开。其中压控振荡器的实现步骤主要包括偏置电路设计、可变电容器VC特性仿真和振荡电路设计三个部分。

基本知识

压控振荡器的基本原理是利用外部电压实现对压控振荡频率的可调节，性能参数主要包括振荡中心频率、调节范围、调节线性度、输出振幅、功耗、电源与共模抑制和输出线性纯度等。

压控振荡器原理与性能参数：在应用于射频接收机系统的振荡器中，大多数要求振荡器频率是“可调的”，也就是其在输出频率是一个控制输入的函数，这个控制输入通常是电压（虽然电流控制源也是可行的，但由于电流控制下高Q值存储元件的可变性，使得电流控制振荡器没用广泛应用于射频接收系统中）。一个理想的压控振荡器其输出频率是其输入电压的线性函数。压控振荡器性能参数如下所述：（1）中心频率；（2）调节范围；（3）调节线性度；（4）输出振幅：能达到大的输出振荡幅度是再好不过的，这样使输出波形对噪声不敏感；幅度的增加可以通过牺牲功耗、电源电压甚至是调节范围得到的；（5）功耗：与其他模拟电路一样，振荡器受速度、功耗和噪声的限制。振荡器典型的功率消耗在1~10mV之间；（6）电源与共模抑制；（7）输出信号的纯度：即使有恒定的控制电压，压控振荡器的输出波形也不具完美的周期性。振荡器中元器件的电子噪声和电源噪声使输出相位与频率含有噪声。这些影响被量化成“信号抖动”和“相位噪声”；

相位噪声：相位噪声作为压控振荡器最关键的参数之一，在设计时应慎重研究及优化，使得其相位噪声达到较高的标准。随着射频电路的发展，已经有很多相位噪声模型产生，但是相位噪声的优化仍然是艰巨的任务。例如：改善振荡器的Q值。尽管以上定性分析的是理想振荡器的噪声情况，但是这些结果同样适合实际的振荡器：在功耗一定的情况下，较高Q值的振荡器有利于改善其噪声性能；在给定噪声性能的情况下，较高Q值的振荡器能够降低其功耗。

压控振荡器仿真实例

压控振荡器设计指标为：

压控振荡器振荡频率1.5GHz

振荡器电流10mA

调幅噪声在频偏100kHz时，小于-160dBc

相位噪声在频偏100kHz时，小于-100dBc

在确定了设计指标后，下面分别讨论三部分电路的设计流程。

实验步骤

一、偏置电路仿真

1、新建工程“vco_lab”和原理图“bias”，还是利用之前的三极管包进行仿真。

在e洛盟的网站找合适的三极管，与书本给的例程笔记接近的双极性射频晶体管，通过旁边的表格，可以看出频率，功率。电流之类的。

所以我用BFU520来进行接下来的实验。

2、在原理图窗口选择“Probe Components”元件面板，从面板中选择两个电流观察器I_Probe插入原理图。

3、在原理图窗口中选择“Sourc-Time Domain”元件面板，从面板中选择两个直流电压源V_DC插入原理图中，分别设置为-5V和12V，这里大家自己设置一下。

4、在“Lumped-Components”元件面板中选择R，设置为400Ω；

并设置范围为100~5k，设置方式如下图所示。

用同样的方法设置R2，初始值600，范围为100~3k。

5、完成如下的电路图。

添加直流仿真控制器“Simulation-DC”、优化控制器“Optim/stat/Yield/DOE”和两个目标控件“goal”，并进行设置。

优化控制器的设置如下：

GOAL1的设置如下：

GOAL2的设置如下：

6、进行仿真和优化，仿真完成之后，单击工具栏的[Simulate]按钮开始仿真，在菜单栏中选择[Simulate]->[Annotate DC Solution]命令，为原理图注释直流工作点电流和电压，基本上可以满足。

在这一篇中比较有用的是

RF VCO的变容二极管模型 - jz.docin.com豆丁建筑（这个是链接，可以找找）

这一篇文章，因为没下到变容二极管的模型，只能自己建，不过这个是用在SPICE这个软件上的，但是好在参数可以借鉴。

在各个厂家的官网也可以下到一些仿真文件：Skyworks | Search Results (skyworksinc.com) （这个是链接，可以找找）

二、可变电容器特性仿真

可变电容器是压控振荡器中重要的元件之一，在进行压控振荡器电路设计之前，需要对可变电容器的电压——电容（VC）特性进行仿真。

1、新建一个“barator”原理。参考

RF VCO的变容二极管模型 - jz.docin.com豆丁建筑（这个是链接，可以找找）中的参数进行设置。

得出来的曲线如下所示：

可以看的，在1-10V范围内，可变电容器变化的范围为4.5~6.5pF，根据：

调整电感的值，改变电容，使谐振频率在1.5GHz附近。

三、压控振荡器仿真

完成偏置电路和可变电容与电压特性曲线仿真后，就可以进行压控振荡器的仿真设计了。压控振荡器的仿真主要包括功能仿真和噪声仿真两个方面。

压控振荡器功能仿真

1、新建“vco”的原理图，把“bias”和“varator”复制到“vco”原理图中，并进行修改，得到的电路图如下所示：

2、在原理图窗口选择“Simulation-Transient”元件面板，选择一个准瞬态仿真控制器插入到原理图中，对其进行设置。

最后的电路图如下：

3、完成设置后，进行仿真，显示vout在时域上的波形，并标记m1和m2。

这时在时域上的波形看不到频谱信息，所以要添加公式

计算出频谱信息，并显示。

可以看到谐振频率在1.527GHz，可以将振荡器的频率设置为1.5GHz输出。

对压控振荡器相位噪声仿真

1、新建一个“vco_phasenoise”原理图，把“vco”里的原理图拷贝到“vco_phasenoise”中，对其进行修改。

2、在原理图中选择“Simulation-HB”元件面板，从元件面板中选择标准谐波平衡仿真控制器插入原理图中，双击该控制器进行设置，这里设置有点复杂。

设置的步骤如下：

设置“OverSample”

设置噪声

设置“Osc”，并把OscPort加进去：

3、从“Simulation-HB”元件面板中选择一个振荡器端口插入偏置电路和可变电容电路之间，作为仿真相位噪声的振荡器端口。

4、最后从“Filter-Bandpass”元件面板中选择一个Chebyshev带通滤波器插入原理图，对输出频谱进行选频，设置如下：

最后的原理图如下：

5、完成后，进行仿真。可以看到输出信号的功率为7.967dBm，二次谐波抑制大约80db，信号纯度良好。

显示调幅噪声：

从图可以看出，在频率偏移基波频率100kHz时达到-173.614dBc，满足要求。

最后插入相位噪声pnmx的仿真结果：

可以看到在频率偏移100kHz处，相位噪声为-105.2dBc，满足-100dB的设计要求。

到这里就完成了压控振荡器的全部设计目标。

到这里，这一节还是比较顺利的，主要因为找到了一个模型，直接往里面填数据，后面仿真除了没用达到书上的2G，其他的都很顺利。在压控振荡器设计中，可变电容的选取最为重要。在可调电压范围内，可变电容器所能体现的电容值决定了振荡器能否工作在需要的频率上，因此在压控振荡器设计中可变电容器电压-电容曲线的仿真很重要，也是第一步需要完成的工作。此外，对三极管偏置的设计也决定了振荡器起振的基本条件。在设计时，相位噪声决定了压控振荡器的噪声性能和应用场景，在设计时应多次仿真，确定影响相位噪声的因素，进行优化，以满足设计目标。