基于PLL锁相环的压控振荡器论文

摘要

随着现代通讯技术的发展，电子设备对压控振荡器的要求越来越高，传统的压控振荡器功耗高、稳定性差、频率范围窄并且难以集成。为了满足社会发展的需要，设计一个高稳定性、宽频带范围的单片集成的压控振荡器，更好的应用于锁相环电路中，满足通讯设备的使用需要已成为必然。本振荡器采用恒流充放电多谐振荡的电路结构,整个电路由带隙基准源模块、电流源模块、控制电压输入模块和流控振荡器模块四个部分组成。锁相环是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步，因此锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。

本文介绍了锁相环的概念、基本组成、工作原理；及压控振荡器的概念、发展概况以及压控振荡器的种类、工作原理、工作方式和运用。

关键词：锁相环压控振荡器

目录

前言 (1)

一．PLL(Phase Locked Loop)锁相环 (2)

1.1锁相环的概念： (2)

1.2 锁相环的工作原理： (2)

1.3 锁相环的基本组成 (2)

1.4 锁相环的用途： (3)

二．压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator) (3)

2.1 压控振荡器的产生 (3)

2.2 压控振荡电器的分类 (3)

三．压控振荡器的原理 (5)

四．压控振荡器在射频通信电路中的应用 (6)

4.1.电路原理及设计仿真 (6)

五．压控振荡器的应用 (8)

5.1用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源 (8)

5.2 VCO关于彩色电视机的实际应用电路 (10)

结论 (12)

参考文献 (13)

前言

随着通讯工业的迅速发展特别是无线通讯技术的兴起，电子系统延续了小型化、高性能、低成本的发展趋势，这些发展需求推动了压控振荡器设计要不断突破今天在各方面所受的限制，设计出新的压控振荡器。各设计单位对压控振荡器的设计和研究一直以来都很活跃，在性能上，设计出高稳定振荡频率、宽频率范围、低温度漂移、低相位噪声的振荡器一直是设计者的目标。电路形式上，为满足小型化的要求，单片集成的压控振荡器成为主流，在很多设备中，压控振荡器已经和系统的其他部分集成在一起了。基于PLL锁相环技术的压控振荡器在各方面可以满足需求，因此基于PLL锁相环技术的压控振荡器作为研究对象，具有一定的先进行和实用性。

一．PLL(Phase Locked Loop)锁相环

1.1锁相环的概念：

我们所说的PLL,其实就是锁相环路，简称为锁相环。许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。PLL通过比较外部信号的相位和由压控晶振（VCXO）的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。通过锁相环同步多块板卡的采样时钟所需要的编程技术会根据您所使用的硬件板卡的不同而不同。在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。是指一种电路或者模块,它用于在通信的接收机中,其作用是对接收到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说,对于接收到的信号,仿制一个时钟信号,使得这两个信号从某种角度来看是同步的（或者说,相干的）。目前主要有模拟锁相环、数字锁相环以及有记忆能力（微机控制的）锁相环。

1.2 锁相环的工作原理：

锁相环是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复达到锁频的目的能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。PLL通过比较外部信号的相位和由压控晶振（VCXO）的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。1.3 锁相环的基本组成

简单的PLL由频率基准、相位检波器、电荷泵、环路滤波器和压控振荡器（VCO）组成锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。

锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL,Phase-Locked Loop）。锁相环的

特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因此锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分组成.

1.4 锁相环的用途：

锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用。如今锁相环在彩色电视机，移动电话等多方面都得到运用。

二．压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator) 2.1 压控振荡器的产生

一种用于高速窄带压控振荡器（ＶＣＯ）的偏置电压产生电路。本偏置电路通过用共源共栅结构作为放大器的负载，降低放大器输出偏置电压Ｖｂｉａｓ相对控制电压ＶＣ变化的斜率，增强了控制电压ＶＣ对压控振荡器（ＶＣＯ）的控制能力，使输出偏置电压Ｖｂｉａｓ在给定电压值附近小幅度的变化，从而降低了压控振荡器（ＶＣＯ）输出抖动。压控振荡器的发展和其他电子产品一样经历了电子管、晶体管、单片集成之路。为了控制频率变换它需要一个可以产生具有相应频率的稳定正弦时变电压 (或电流)的电子电路。Armstrong发现可以通过配置Audion (一种早期的真空管)来产生振荡，于是他发明了第一个电子振荡器，由于社会的发展Armstrong掀起的振荡器技术革命使火花发射机迅速被淘汰，从而加快了新的振荡器的研发。从20世纪10年代Armstrong的发明到今天，VCO技术的进步经历了真空管振荡器、石英晶体管振荡器、振荡器模块儿解决方案直到今天基于RFIC的振荡器几个阶段。

2.2 压控振荡电器的分类

压控振荡器的类型有石英晶体压控振荡器、LC压控振荡器和RC压控振荡器。对压控

振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。石英晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄，RC 压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。

2.2.1石英晶体压控振荡器

在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和石英晶体相串接，就可形成石英晶体压控振荡器。为了扩大调频范围，石英晶体可用AT切割和取用其基频率的石英晶体，在电路上还可采用展宽调频范围的变换网络。

在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。压控振荡器的应用范围很广。集成化是重要的发展方向。石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。

2.2.2 LC压控振荡器

在任何一种LC振荡器中，将压控可变电抗元件插入振荡回路就可形成LC压控振荡器。早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用变容二极管。图 2-1是克拉泼型

LC压控振荡器的原理电路。图2-1中，T为晶体管，L为回路电感，C

1、C

2

、C

v

为回路电

容,C

v 为变容二极管反向偏置时呈现出的容量;C

1

、C

2

通常比C

v

大得多。当输入控制电压u

c

改变时，C

v

随之变化，因而改变振荡频率。这种压控振荡器的输出频率与输入控制电压之间的关系为

图2-1

2.2.3 RC压控振荡器

在单片集成电路中常用RC压控多谐振荡器（见调频器）。

三．压控振荡器的原理

压控振荡器为频率可调的振荡器，它的设计是基于振荡器振荡电路的实现为基础的。振荡器产生连续、重复的周期性信号输出，和其它的电路输出是输入信号的放大或整形不同，振荡器电路在持续不断的输出时并不存在着输入。电压控制振荡器输出信号的频率随输入控制电压变化的振荡器。控制振荡频率的变化大致可以通过以下的几种方法来实现：（1）改变振荡器的电阻、电感、电容等无源元件参数。（2）改变振荡器的有源器件参数。（3）改变振荡器定时元件的充放电电压值或电流值等。

振荡器的组成形式有非常多样的变化，但从总体上来说，我们把振荡器暂且可以分成两大类：（1）调谐振荡器，产生接近正弦波的输出。它通常由某种反馈形式的频率选择电路或者调谐电路实现，它可以进一步分为RC 电路，开关电容电路，LC 电路和晶体振荡电路等形式。（2）多谐振荡器，产生方波或者三角波的输出。电路在两个暂稳态间来回的振荡，是一种非线性的振荡器，主要实现的电路形式有张驰振荡器和环行振荡器。无论那种振荡器，都可构成压控振荡器。设计压控振荡器首先要从分析振荡器的振荡原理开始，本章将对这两种振荡器的工作原理进行分，析并在它们的基础上分别构建压控振荡器，比较它们的性能差异。

变容二极管压控振荡器的基本工作原理

在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极管取代。

图 3-1

变容二极管的电容量cj取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的

cj变化，cj的变化会导致振荡频率的改变。

对于图中，若C

1、C

2

值较大，C

4

又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与L相并联

的总电容为：

变容管是利用半导体PN结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线如图所示。图中，反向偏压从3V增大到30V时，结电容C

j

从18pF减小到3pF，电容变化比约为6倍。

对于不同的C

j

，所对应的振荡频率为

(VR为最小)

(VR为最大)

四．压控振荡器在射频通信电路中的应用随着通信技术的发展，通信设备所应用的频率日益提高，射频(RF)和微波(MW)电路在通信系统中得到了广泛应用，高频电路设计也得到工业界的特别关注，新型半导体器件制造技术的不断发展更使得高速数字系统和高频模拟系统的应用领域不断扩展。压控振荡器VCO(Voltage Controlled Oscillator)作为锁相环、频率综合和时钟恢复等电路的关键模块，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、光学多工器、光发射机等电子系统中，对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响，是RF电路设计与集成的一个难点。VCO虽然可采用分立元件构成，但由于设计中考虑的参量太多，电路复杂，电路尺寸较大，设计周期长，难以满足当今便携式无线通讯设备低功耗、低成本、小型化、轻量化、高性能的要求，因此设计满足在射频领域要求的全集成压控振荡器对于推动便携式移动通讯设备的发展尤其重要，具有广阔的市场前景。

4.1.电路原理及设计仿真

压控振荡器按构成原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器2大类。这里采用负阻

型振荡器，其主要是由负阻器件和谐振回路组成的振荡器，利用负阻器件的负电阻效应与谐振回路中的损耗正电阻相抵消，维持谐振回路的稳定振荡。图4-1为压控振荡器电路。

图4-1 压控振荡器电路

图4-1中VQ 5，VQ 6管的负跨导可以补偿振荡中的电路损耗，为振荡提供能量。控制

电压V r 控制变容二极管电容的变化，以达到控制振荡频率的目的。VQ 5和VQ 6尺寸相同，

交叉耦合，忽略沟道调制效应和体效应等二阶效应，可得到其等效电路，如图所示：

Rin

B GmVbe6

GmVbe5

Rbe5 Rbe6 Vce6

Vce5

图4-2 压控振荡器电路的等效电路

由于V

ce5=V

be6

，V

ce6

=V

be5

，在振荡平衡时，A、B两点的电压幅度对称相等，得V

ce5

=V

ce6

，

则VQ

5

的集电极到发射极(即AM两端)的交流等效电导为：

式中，gmV

be5

前面加负号的原因为：此电流源增大时Vce5是减少的。化简上式可得：

这是一个负电导。正电阻吸收能量，负电阻提供能量，而此处VQ

5

的集电极到发射极

的负电导表示晶体管提供能量转换，将直流电源的能量转换为交流能量。同理，VQ

6

的集电极到发射极(即BM两端)的等效电导为-gm。则单端口网络AB的输入电阻是VQ5、VQ6两端发射极输出电阻的串联，即

当由单端口网络提供的负阻Rm等于并联谐振回路的电阻时，负阻提供的能量补充了并联谐振电路的损耗，则振荡维持。振荡器的谐振频率等于并联谐振频率，其输出频率为：

变化时，振荡器调谐范围为1．14～1．18GHz。

五．压控振荡器的应用

5.1用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源

1.作为调幅或脉冲调制的载频频率源时，对振荡频率稳定度和精度要求较高，多采用锁相合成源，由于频率调整方便，精度高，在1-3GHz或更高微波频段上广泛采用；锁相合成源原理方框如下图：

图5-1 锁相合成源原理方框图

2.在射频及微波波段直接作调频使用，这是VCO 独特优点，可以获得较宽的调频带宽和较好的特性，电路框图如下图。图中为单端压控情况，在通讯中专门设计双端压控产品，其中一控制端为锁定相位控制中心频率端VT1，另一端接音视频信号或脉冲信号的调制端VT2。

VCO (双端)

VT1

VT2RF(OUT)

图5-2射频及微波领域直接调频框图

3.频率跟踪系统：VCO 结合数字鉴相和分频技术，制成对微弱载频讯号频率的再生讯号，实现频率自动跟踪，下图：

图5-3 频自动 跟踪网络框图 4. 多倍频程控扫源：采用VCO 扫描振荡结合混频技术，可以方便地获得多倍频程程控扫描电路，例如：产生1MHz ～1GHz 程控扫源，实现原理如下图所示：

图5-4 程控扫源框图

5. 点频或捷变频合成源作接收机本振，制作方便，调整工艺也较简单，在L和S波段电视传播和通讯系统应用极广泛。

6. 作I/Q调制和解调用VCO，目前广泛采用扩频、跳频、抗干扰通讯，由于I/Q调制和解调的特殊性，在系统载波前端混频，或上变频，解调中频等不同频段都使用VCO，对相噪指标和工作带内杂散频谱的抑制有较严格的要求。对VCO射频输出端负载迁移现象有严格限制，因此这一类应作专门的设计，而一般都作窄带低相噪设计和制作，宽带电路设计难度大，成本高。下图为I/Q解调应用示例：

图5-5 I/Q解调应用示

5.2 VCO关于彩色电视机的实际应用电路

某彩色电视接收机VHF调谐器中第6-12频段的本振电路如图所示电路中，控制电压VC为0.5-30V，改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。由图5-6可见，这是一典型的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-220MHz ，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。

a

b

图 5-6

结论

压控振荡器VCO(Voltage Controlled Oscillator)作为锁相环、频率综合和时钟恢复等电路的关键模块，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、光学多工器、光发射机等电子系统中。随着通信技术的发展，通信设备所应用的频率日益提高，电子系统延续了小型化、高性能、低成本的发展趋势，这些发展需求推动了压控振荡器设计要不断突破今天在各方面所受的限制，设计出新的压控振荡器。因此基于PLL锁相环技术的压控振荡器的发展在现代通讯技术发展中具有一定的先进性与实用性。

参考文献

【1】ISBN 9787040072419康华光电子技术基础清华大学出版社 2011

【2】ISBN 7115109060 何丰通信电子电路人民邮电出版社 2005

【3】ISBN 9787504357557 骆新泉电子电路与系统中国广播电视出版社 2009 【4】ISBN 9787121082351 王卫东高频电子电路电子工业出版社 2009