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。
1.4 主要技术指标
压控振荡器电路的主要技术指标[3][4]：
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
（1-1）
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，即：
(1-2)
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。
压控振荡器的原理和设计
2.1 压控振荡器的原理
振荡器是通过自激方式把直流电能变换为交流电能的一种电子线路，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。根据振荡器输出的振荡波形不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。所谓正弦波振荡器就是指振荡波形为正弦或接近理想正弦波形的振荡器，它又称为简谐振荡器。产生矩形波、锯齿波和三角波等波形的振荡器均属于非正弦波振荡器，又称为张驰振荡器。鉴于正弦波在各种场合的广泛应用和非正弦波的复杂性，本文讨论的是正弦波振荡器[5]。
正弦波振荡器就其工作原理的不同可分为两大类：一类是利用正反馈放大器的原理构成的，称为反馈振荡器。另一类是利用某种器件的负阻效应产生振荡，称为负阻振荡器。鉴于负阻振荡器也需要电感，而电感是较难集成的，故本设计采用反馈振荡器。
反馈振荡器的基本原理是利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡。反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路。其中主网络一般由放大器和选频网络组成，反馈网络一般由无源器件组成。反馈振荡器原理图如图2-1所示：
图2-1 反馈振荡器简图
一个反馈振荡器必须满足三个条件：起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡）、平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。
1、起振条件
按照反馈环的信号流程我们可以得出
(2-1)
(2-2)
因此反馈环的总的闭环增益为：
(2-3)
电路要起振，在幅度上，闭环增益必须大于1，这样电路可以保持振荡并且与输入信号的电压 的大小无关。即
(2-4)
在相位上环路还必须满足：
=0，1，2，…… (2-5)
在满足以上幅度条件和相位条件后，振荡器才能振荡。
2、平衡条件
振荡幅值的增长过程不可能无止境地延续下去，因为放大器的线性范围是有限的。随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区，工作于非线性的甲乙类状态，其增益逐渐下降，当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态以后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。所以，反馈振荡器的平衡条件为：
(2-6)
=0，1，2，…… (2-7)
3、稳定条件
要使振幅稳定，振荡器在其平衡点 必须具有阻止振幅变化的能力，这就要求在平衡点附近， 随 的变化率为负值，即
＜0 （2-8）
由于某些不稳定因素可能破坏相位平衡条件，为了保证相位的稳定，要求振荡器的相频特性 在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力，所以相位稳定条件为：
＜0 （2-9）
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。电压控制振荡器是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。
本设计采用第1种方法，可变电抗器件很多，其中应用最广的是变容二极管，作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。将变容二极管作为压控电容接入振荡器中，对振荡电路进行直接调频。
所谓调频，就是把要传送的信息作为调制信号去控制载波的瞬时频率，使其按调制信息的规律变化。调频的实现方法有两大类，即直接调频和间接调频。直接调频的基本原理是利用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。如果受控振荡器是产生正弦波的LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。间接调频是将调制信号积分后调相。
设调制信号 ，载波 ，根据调频的定义可知：调频时载波的振幅不变，而瞬时频率 将随 线性变化，即
(2-10)
根据瞬时相位 与瞬时频率 的关系有
(2-11)
故调频波的数学表达式为
(2-12)
上述式子中， 是调频波瞬时频率的最大偏移，简称频偏，它与调制信号振幅成正比。比例常数 亦称调频灵敏度，表示单位调制电压所产生的频偏。调频指数 是调频时相位的最大偏移，它的大小反映了调制深度。
加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压 之和，若设调制电压为单频余弦信号，即 则反向电压为：
(2-13)
在 的控制下，变容二极管结电容 随时间发生变化如图2-2（a）所示。 是振荡器的振荡回路的一部分，它随调制信号 变化，则回路总电容也随调制信号变化，故振荡频率 也将随调制信号 而变化，如图2-2（b）所示。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，如图2-2（c）所示，从而实现调频。
图2-2 结电容随调制电压变化关系
2.2 压控振荡器电路的设计
2.2.1 电路结构设计
振荡电路主要是根据所给定的工作频率（或工作频段）频率稳定度的要求来选择的。LC振荡电路一般适用于数百千赫兹到数百兆赫兹的频率范围，在短波段以上，一般多采用考毕兹电路。对于可变频率振荡器，其频率稳定度要求提高，所以选择采用克拉泼电路。克拉泼电路是改进型的电容三点式电路，它在回路中增加了一个与L串联的电容C3，C3的取值远远小于C1和C2，这样可使电路的振荡频率近似只与C3和L有关，从而减小了晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响，提高了电路的频率稳定度。
为了实现LC直接调频，把变容二极管作为压控电容并联到振荡电路上，通过改变变容二极管的反向偏置电压来改变二极管的结电容，从而改变振荡器的振荡频率，电路结构图如图2-3所示。
图2-3 压控振荡器电路
Rb1、Rb2、Rc、Re是偏置电阻，为晶体管提供合适的偏置。正弦交流电源V2作为调制电压来控制变容二极管D11的电容值。R1、R2为变容二极管提供适当的静态偏置。L2和C4抑制高频振荡信号对低频控制电压的影响，为调制信号V2提供通路。Cb、C5是高频旁路电容，它们的主要功能是产生一个交流分路，从而消去进入易感区的那些不需要的能量，旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的中心频率稳定度较差，这是因为中心频率f0决定于变容二极管结电容的稳定性。当温度变化或反向偏压VQ不稳时会引起结电容的变化，它又会引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳，提高中心频率稳定度，通常采用部分接人的办法来改善性能。Cc为变容二极管提供部分接入回路方式。
2.2.2 选择晶体管
选管时主要考虑的是在满足工作频率和起振条件前提下，应尽可能提高振荡器的频率稳定度，因此，振荡管应该满足以下几点：
1、特征频率 或 要足够高。
为了满足振荡器正常工作，必须使晶体管的 比振荡器的最高工作频率 高三倍以上。即：
（2-14）
或者满足：
（2-15）
2、晶体管的放大倍数 足够大。
选用 较高的管子，有利于提高振荡器的频率稳定度，改善振荡条件和波形质量。
3、输出功率较大的振荡器，选管时要按下式对集电极最大耗散功率进行校核。
（2-16）
式中 ——管子集电极最大允许耗散功率
——输出到负载上的功率
——振荡回路效率
——晶体管集电极效率
集电极效率与晶体管参量、工作频率和集电极电压利用系数有关。 一般取0.2， 一般在0.2~0.8之间选取，要求频率稳定度高时，取小一些，反之，取大一些。将 和 代入 可得：
（2-17）
即当振荡器输出功率较大时，应按集电极最大耗散功率大于输出功率5倍以上的条件来选管。
本设计的中心频率 是6.5MHz。选择的晶体管的特征频率 满足式子（2-14）即可。选用的晶体管是Q2N2222，在网上查得其参数见附录1，它的特征频率 为250MHz，远远大于电路所规定的输出频率，满足条件。发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压 为60V，基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压 为30V，最大偏置电流 为800mA，集电极最大允许耗散功率 为500mW。
按照3.2.1节中的方法在PSPICE软件中调出Q2N2222元件，选中元件，点击右键，选择“Edit PSpice Model”，则调出Q2N2222的模型参数，如图2-4所示，可以看出Q2N2222的放大倍数 为179。
图2-4 Q2N2222模型参数
2.2.3 确定静态偏置电路
小功率振荡器的静态工作电流ICQ一般为（0.5～2）mA。ICQ偏大，振荡幅度增加，但是波形失真加重，频率稳定性变差。所以考虑到振荡器的起振，工作频率的稳定性，波形质量的好坏，振荡器的静态工作点取ICQ=1mA，VCEQ=8V，晶体管的 =179，取电源电压VCC=12V。由式（2-18）
（2-18）
得
=4 （2-19）
RE适当增大，电路的稳定性有所提高，取RE=3 ，则RC=1 。VEQ=ICQRE=3V。若取流过RB2的电流IB2=10ICQ/ ≈0.056mA，则RB2=VBQ/IB2=（VEQ+0.7）/IB2=65 ，RB1=（RB2（VCC/VBQ-1）=135 。
（2-20）
其中VT为温度的电压当量，在室温（300K）时其值为26mV。
（2-21）
（2-22）
旁路电容 ，由式（2-20）、（2-21）、（2-22）得 。
2.2.4 变容二极管
1、变容二极管的特性[6]
变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会随调制信号电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。
