振荡器仿真分析与设计(EDA软件PSPICE仿真)☆

摘 要
振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。随着移动通信的广泛应用，通信与测试设备都使用基于频率合成的频率控制技术，调制、发射、接收和解调中涉及到很多频率的组合与变换。而锁相环作为主流的无线电频率合成技术，压控振荡器是其核心部件。本论文熟练掌握了EDA软件PSPICE，并将其应用于压控振荡器的仿真设计。首先，根据电路的性能指标要求，对压控振荡器的电路参数进行工程估算；然后，基于估算的电路参数，利用仿真软件做进一步的精确模拟分析，在观测、分析压控振荡器的静态工作点、反馈系数、变容二极管接入系数对电路性能的影响的基础上，调整电路的参数，从而达到优化电路参数的目的，以使电路的各项性能指标满足预期的设计要求。

关键词：压控振荡器；变容二极管；电子设计自动化；优化设计
 
外 文 摘 要
Simulation Design of Radio Frequency Voltage-Controlled Oscillator        
Abstract
Along with the mobile communications getting more and more applicable, the frequency control technique of frequency compound is widely used in communication and test equipments, and frequency combination and transformation are involved in modulation, transmission, receipt and demodulation. Voltage-controlled oscillator is the core parts of Phase-lock loop, which is the mainstream of wireless frequency compound technique. In this dissertation，we have mastered the EDA software Orcad9.2, which is applied to the simulation design of Voltage-controlled oscillator circuit . Firstly, the circuit parameters are estimated for the Voltage-controlled oscillator according to the performance index. Then the accurate simulation analysis of the estimated circuit is obtained by using EDA software Orcad9.2. On the basis of analyzing and observing the Voltage-controlled oscillator’s static bias, feedback coefficient, access coefficient of varactor, the circuit performance which meets the demands of the design is proved by simulating the optimized and adjusted parameters of the circuit.

Key words:  Voltage-controlled oscillator，  varactor， EDA， optimum design

绪论
振荡器一般作为信号源在电子系统中应用，应用时常常要求振荡器的信号频率是可调的，即输出的振荡频率是输入的控制信号的线性函数，其中输入控制信号通常为电压信号，我们把这一重要类型的振荡器称为压控振荡器（VCO）。VCO作为信号产生源的关键部件应用十分广泛，在程控交换机、移动终端、卫星通信、导弹制导系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机和其他电子系统中，压控振荡器都占有重要地位。

课题的目的与意义
随着电子工业的发展，电路设计和分析变得越来越复杂，对电路设计的可靠性和设计周期的要求也越来越高，人工设计、分析电路的途径已无法适应一般要求，因此，借助计算机对电路进行模拟和分析，就变得十分重要；另一方面，随着计算机工业的飞速发展，其速度快、容量大、精度高且操作方便等特点，使得计算机成为进行电路模拟的一个优秀技术条件，从而促进了电路模拟技术的发展。在电子领域中采用电子设计自动化（EDA）技术主要有以下优点：
1、缩短了设计周期。采用EDA技术，用计算机模拟代替手工搭建试验电路，大大减轻了设计方案验证阶段的工作量，加速了设计进程，缩短了设计周期。
2、提高了设计质量。与传统的数学方法相比较，电路EDA中采用元件模型更为复杂、精确，同时还克服了传统设计方法中因仪器表接入而引起的各种误差。
3、降低了设计成本。利用EDA技术，可将传统设计过程中的设计、测试、调试等工作直接用计算机迅速而方便的进行，从而节约了大量的人力和物力资源。
4、共享设计资源。在EDA系统中，成熟的模块设计和模型参数均放在数据库文件中，用户可直接把这些设计资源共享到网络上供其他设计者使用。
本课题就是利用高级的EDA仿真软件PSPICE仿真设计射频压控振荡器。实际上所有现代通信与测试设备都使用基于频率合成的频率控制技术，无线通信系统的调制、发射、接收和解调中涉及到的很多频率的组合与变换都是从这种技术中得到的。其中，锁相环作为主流的无线电频率合成技术，压控振荡器是其核心部件。虽然单片集成的压控振荡器已经成为市场的主流，但是对分立压控振荡器的电路结构性能的研究仍然是单片压控振荡器的设计基础。掌握相关的优化技术，具有实际的工程应用价值。

 研究思想和工作方法
在射频频段的电子设计中，由于半导体参数的离散性，使得晶体管的内部参数将随频率而变化，再加上分布参数的影响，使得晶体管内部结电容的影响变得显著，因此，在功能电路的设计初期，对电路进行近似的工程估算。再用PSPICE仿真软件进行模拟分析，不断调整电路参数，最终实现优化设计，从而在保证设计精度的同时，避开不切实际的复杂计算和繁琐的工程实验。
工作方法是：首先根据给定的设计指标，确定电路形式，然后估算电路参数，再通过PSPICE仿真软件模拟分析，优化电路参数。

主要技术指标
压控振荡器电路的主要技术指标：
1、中心频率 中心频率是指频率调节范围的中心值。一般根据振荡器所应用的位置来设计它的中心频率，例如，在一个微处理器的时钟产生电路中，可能要求 VCO 工作在系统时钟频率下或者甚至两倍。技术进步和新的需求使得甚高频的压控振荡器不断出现，如今的CMOS压控振荡器可以高达10GHZ的中心频率。
2、调谐范围 调谐范围是指振荡频率的调节变化范围，我们一般用相对调谐范围来描述调谐范围，相对调谐范围定义为
式中  ——控制电压最低时的最低频率；
 ——控制电压最高时的最高频率；
 ——中心频率；
 ——绝对调谐范围， 。
3、输出振幅 对于振荡器的频率输出，需要它的波形有一定的幅度，能达到大的输出振幅是再好不过的，这样会使输出波形对噪声不敏感。振幅的增加可以通过牺牲功耗、电源电压甚至是调节的范围来得到，同时，要求输出振幅在整个频率范围内是恒定的。
4、压控灵敏度 压控灵敏度是指单位控制电压变化所能产生的频率偏移
5、最大频率偏移 最大频率偏移是指调角信号瞬时频率偏离载频的最大值，它与调制指数和带宽都有密切的关系。
本设计要达到的技术指标是：中心频率6.5MHz，输出电压大于200mV，最大频率偏移50KHz，调制频率500Hz-10KHz，调制灵敏度大于50KHz/V。













目  录
1  绪论 1
1.1  压控振荡器的发展状况 1
1.2  课题的目的与意义 1
1.3  研究思想和工作方法 2
1.4  主要技术指标 3
2  压控振荡器的原理和设计 3
2.1  压控振荡器的原理 3
2.2  压控振荡器电路的设计 7
2.2.1  电路结构设计 7
2.2.2  选择晶体管 8
2.2.3  确定静态偏置电路 10
2.2.4  变容二极管 10
2.2.5  估算调频电路元件值 14
2.2.6  估算调制信号的幅度 14
2.2.7  估算主振回路的元件值 15
3   压控振荡器的仿真设计 16
3.1  PSPICE软件概述 16
3.1.1  基本程序模块 16
3.1.2  电路仿真分析流程 17
3.2  压控振荡电路的仿真分析 19
3.2.1  主振电路的仿真分析 19
3.2.2  调频电路的仿真分析 26
3.3  静态工作点对电路的影响 28
3.4  反馈系数对电路的影响 31
3.5  变容二极管接入系数对电路的影响 31
3.6  调制频率对电路的影响 33
3.7  电路参数的调整 34
结  论 37
致  谢 38
参考文献 39
附录A  硬件电路测试方法 40