在射頻通信電路中，作為頻率信號諧波振蕩的“最終來源”，振蕩器是必不可少的電路模塊。穩定的振蕩器輸出直接決定了射頻系統的性能指標。

今天的總結從基本原理、壓控振蕩器的設計和仿真實例目標及實現步驟進行展開。其中壓控振蕩器的實現步驟主要包括偏置電路設計、可變電容器VC特性仿真和振蕩電路設計三個部分。

基本知識

壓控振蕩器的基本原理是利用外部電壓實現對壓控振蕩頻率的可調節，性能參數主要包括振蕩中心頻率、調節范圍、調節線性度、輸出振幅、功耗、電源與共模抑制和輸出線性純度等。

壓控振蕩器原理與性能參數：在應用于射頻接收機系統的振蕩器中，大多數要求振蕩器頻率是“可調的”，也就是其在輸出頻率是一個控制輸入的函數，這個控制輸入通常是電壓（雖然電流控制源也是可行的，但由于電流控制下高Q值存儲元件的可變性，使得電流控制振蕩器沒用廣泛應用于射頻接收系統中）。一個理想的壓控振蕩器其輸出頻率是其輸入電壓的線性函數。壓控振蕩器性能參數如下所述：（1）中心頻率；（2）調節范圍；（3）調節線性度；（4）輸出振幅：能達到大的輸出振蕩幅度是再好不過的，這樣使輸出波形對噪聲不敏感；幅度的增加可以通過犧牲功耗、電源電壓甚至是調節范圍得到的；（5）功耗：與其他模擬電路一樣，振蕩器受速度、功耗和噪聲的限制。振蕩器典型的功率消耗在1~10mV之間；（6）電源與共模抑制；（7）輸出信號的純度：即使有恒定的控制電壓，壓控振蕩器的輸出波形也不具完美的周期性。振蕩器中元器件的電子噪聲和電源噪聲使輸出相位與頻率含有噪聲。這些影響被量化成“信號抖動”和“相位噪聲”；

相位噪聲：相位噪聲作為壓控振蕩器最關鍵的參數之一，在設計時應慎重研究及優化，使得其相位噪聲達到較高的標準。隨著射頻電路的發展，已經有很多相位噪聲模型產生，但是相位噪聲的優化仍然是艱巨的任務。例如：改善振蕩器的Q值。盡管以上定性分析的是理想振蕩器的噪聲情況，但是這些結果同樣適合實際的振蕩器：在功耗一定的情況下，較高Q值的振蕩器有利于改善其噪聲性能；在給定噪聲性能的情況下，較高Q值的振蕩器能夠降低其功耗。

壓控振蕩器仿真實例

壓控振蕩器設計指標為：

壓控振蕩器振蕩頻率1.5GHz

振蕩器電流10mA

調幅噪聲在頻偏100kHz時，小于-160dBc

相位噪聲在頻偏100kHz時，小于-100dBc

在確定了設計指標后，下面分別討論三部分電路的設計流程。

實驗步驟

一、偏置電路仿真

1、新建工程“vco_lab”和原理圖“bias”，還是利用之前的三極管包進行仿真。

在e洛盟的網站找合適的三極管，與書本給的例程筆記接近的雙極性射頻晶體管，通過旁邊的表格，可以看出頻率，功率。電流之類的。

所以我用BFU520來進行接下來的實驗。

2、在原理圖窗口選擇“Probe Components”元件面板，從面板中選擇兩個電流觀察器I_Probe插入原理圖。

3、在原理圖窗口中選擇“Sourc-Time Domain”元件面板，從面板中選擇兩個直流電壓源V_DC插入原理圖中，分別設置為-5V和12V，這里大家自己設置一下。

4、在“Lumped-Components”元件面板中選擇R，設置為400Ω；

并設置范圍為100~5k，設置方式如下圖所示。

用同樣的方法設置R2，初始值600，范圍為100~3k。

5、完成如下的電路圖。

添加直流仿真控制器“Simulation-DC”、優化控制器“Optim/stat/Yield/DOE”和兩個目標控件“goal”，并進行設置。

優化控制器的設置如下：

GOAL1的設置如下：

GOAL2的設置如下：

6、進行仿真和優化，仿真完成之后，單擊工具欄的[Simulate]按鈕開始仿真，在菜單欄中選擇[Simulate]->[Annotate DC Solution]命令，為原理圖注釋直流工作點電流和電壓，基本上可以滿足。

在這一篇中比較有用的是

RF VCO的變容二極管模型 - jz.docin.com豆丁建筑（這個是鏈接，可以找找）

這一篇文章，因為沒下到變容二極管的模型，只能自己建，不過這個是用在SPICE這個軟件上的，但是好在參數可以借鑒。

在各個廠家的官網也可以下到一些仿真文件：Skyworks | Search Results (skyworksinc.com) （這個是鏈接，可以找找）

二、可變電容器特性仿真

可變電容器是壓控振蕩器中重要的元件之一，在進行壓控振蕩器電路設計之前，需要對可變電容器的電壓——電容（VC）特性進行仿真。

1、新建一個“barator”原理。參考

RF VCO的變容二極管模型 - jz.docin.com豆丁建筑（這個是鏈接，可以找找）中的參數進行設置。

得出來的曲線如下所示：

可以看的，在1-10V范圍內，可變電容器變化的范圍為4.5~6.5pF，根據：

調整電感的值，改變電容，使諧振頻率在1.5GHz附近。

三、壓控振蕩器仿真

完成偏置電路和可變電容與電壓特性曲線仿真后，就可以進行壓控振蕩器的仿真設計了。壓控振蕩器的仿真主要包括功能仿真和噪聲仿真兩個方面。

壓控振蕩器功能仿真

1、新建“vco”的原理圖，把“bias”和“varator”復制到“vco”原理圖中，并進行修改，得到的電路圖如下所示：

2、在原理圖窗口選擇“Simulation-Transient”元件面板，選擇一個準瞬態仿真控制器插入到原理圖中，對其進行設置。

最后的電路圖如下：

3、完成設置后，進行仿真，顯示vout在時域上的波形，并標記m1和m2。

這時在時域上的波形看不到頻譜信息，所以要添加公式

計算出頻譜信息，并顯示。

可以看到諧振頻率在1.527GHz，可以將振蕩器的頻率設置為1.5GHz輸出。

對壓控振蕩器相位噪聲仿真

1、新建一個“vco_phasenoise”原理圖，把“vco”里的原理圖拷貝到“vco_phasenoise”中，對其進行修改。

2、在原理圖中選擇“Simulation-HB”元件面板，從元件面板中選擇標準諧波平衡仿真控制器插入原理圖中，雙擊該控制器進行設置，這里設置有點復雜。

設置的步驟如下：

設置“OverSample”

設置噪聲

設置“Osc”，并把OscPort加進去：

3、從“Simulation-HB”元件面板中選擇一個振蕩器端口插入偏置電路和可變電容電路之間，作為仿真相位噪聲的振蕩器端口。

4、最后從“Filter-Bandpass”元件面板中選擇一個Chebyshev帶通濾波器插入原理圖，對輸出頻譜進行選頻，設置如下：

最后的原理圖如下：

5、完成后，進行仿真。可以看到輸出信號的功率為7.967dBm，二次諧波抑制大約80db，信號純度良好。

顯示調幅噪聲：

從圖可以看出，在頻率偏移基波頻率100kHz時達到-173.614dBc，滿足要求。

最后插入相位噪聲pnmx的仿真結果：

可以看到在頻率偏移100kHz處，相位噪聲為-105.2dBc，滿足-100dB的設計要求。

到這里就完成了壓控振蕩器的全部設計目標。

到這里，這一節還是比較順利的，主要因為找到了一個模型，直接往里面填數據，后面仿真除了沒用達到書上的2G，其他的都很順利。在壓控振蕩器設計中，可變電容的選取最為重要。在可調電壓范圍內，可變電容器所能體現的電容值決定了振蕩器能否工作在需要的頻率上，因此在壓控振蕩器設計中可變電容器電壓-電容曲線的仿真很重要，也是第一步需要完成的工作。此外，對三極管偏置的設計也決定了振蕩器起振的基本條件。在設計時，相位噪聲決定了壓控振蕩器的噪聲性能和應用場景，在設計時應多次仿真，確定影響相位噪聲的因素，進行優化，以滿足設計目標。