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用负阻原理设计高稳定度VCO
摘要：介绍了利用负阻原理、采用改进型克拉泼电路设计的高稳定度LC压控振荡器（VCO），其频率范围为180MHz~210MHz。用ADS进行了仿真，最后给出了测量结果，实际表明它们是一致的。该电路采用相角补偿，提高了频率稳定度，降低了相位噪声。该方法设计简单、调试方便、成本低。关键词：负阻 VCO 克拉泼电路 相位噪声
压控振荡器(VC0)是锁相环路的重要组成部分。随着电子技术的发展，出现了许多集成的VCO芯片。考虑到高频率稳定度、低相噪的要求，这里采用Agilent公司生产的低噪声晶体管HBFP0450来设计VCO。常用的VCO一般有三种：晶体压控振荡器、LC压控振荡器和RC压控振荡器。对于超高频段的VCO，采用LC振荡器形式；为了提高频率稳定性，采用了克拉泼电路，并进行了相角补偿。
1 负阻振荡原理
这里采用负阻方法来设计压控振荡器，负阻振荡原理图如图1所示。
图中，ZIN是晶体管电路的输入阻抗，RIN和XIN分别是输入电阻和电抗；ZL是负载阻抗，RL和XL分别是负载电阻和电抗。 根据振荡原理，起振条件是：
RIN+RL<0 （1）
振荡的平衡条件是
RIN+RL =0 （2）
XIN+XL=0 （3）
2 设计与仿真
2．1 起振与振荡的仿真
这里用ADS来仿真电路，采用改进型克拉泼电路形式，具体电路如图2所示。选用高增益、低噪声的HBFP0450作为三端器件，它在200MHz工作频率上有20dB的增益，从而保证了较大的振荡幅度。供电电压为5V，通过R1、R2和R3来确定静态工作点，工作电流选定为10mA，Vce为2．5V。
交流等效电路如图3所示。L1、C4和C5串联可以等效成一个电感，从而满足，电容三端振荡器的相位条件。L1、C4、C5、C6、C7构成了谐振回路，振荡频率主要由这五个元件所决定。频率计算公式如下：
式中，L1为线圈绕制电感，Q值为39。C为C4、C5、C6和C7串联后的等效电容， 由于C4<<C5、C4<<C6、C4<<C7，所以C≈C4。其中，C4为变容管，通过改变其负偏压就可以改变振荡频率。
从图4(a)的仿真结果可以看出，在200MHz附近，及RIN+RL <0，所以满足起振条件，由于RIN的负阻比较大，所以提供交流能量的能力比较强，故振荡的幅度会比较大，这一点在后面的仿真和测试中可以得到证实。从图4(b)可以看出，当f为200MHz左右时，XIN+XL=0，从而满足相位平衡条件，它决定了振荡的频率。
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