使用VCO實現(xiàn)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻

---調(diào)頻廣播具有抗干擾性能強(qiáng)、聲音清晰等優(yōu)點(diǎn)，獲得了快速的發(fā)展。調(diào)頻電臺的頻帶通常大約是200～250kHz，其頻帶寬度是調(diào)幅電臺的數(shù)十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調(diào)幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機(jī)中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率局限于30～8000Hz的范圍內(nèi)。在調(diào)頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴(kuò)大至30～15000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質(zhì)量大為提高。
---許多中小功率的調(diào)頻發(fā)射機(jī)都采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，即在工作于發(fā)射載頻的LC振蕩回路上直接調(diào)頻，采用晶體振蕩器和鎖相環(huán)路來穩(wěn)定中心頻率。較之中頻調(diào)制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進(jìn)的頻率調(diào)制方案。

變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理
---二極管通過改變外加反向電壓可以改變空間電荷區(qū)的寬度，從而改變勢壘電容的大小。變?nèi)荻O管是就是利用這種特性制成的特殊的PN結(jié)二極管，是一種電抗可變的非線性電路元件，一般使用的材料為硅或砷化鎵。圖1是變?nèi)荻O管的特性曲線，圖2是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻示意圖。
---變?nèi)荻O管在反向偏置時，結(jié)電容可用下式來表示：，其中，VD為PN結(jié)內(nèi)建電位差，Cj0為外加反向電壓u=0時的結(jié)電容，n為電容變化指數(shù)。n取決于變?nèi)荻O管PN結(jié)的雜質(zhì)分布規(guī)律，對于緩變結(jié)n值等于1/3，突變結(jié)n值等于1/2，超突變結(jié)n值在1～5之間。
---變?nèi)荻O管在反向偏置直接調(diào)頻電路中，不能工作于正向偏壓區(qū)。如圖2所示，為了保證變?nèi)荻O管在調(diào)制電壓變化過程中保持反向偏壓，必須加上一個大于調(diào)制信號振幅的反向直流偏壓E0。所以在單音調(diào)制時，變?nèi)荻O管上的電壓u=E0+UΩcosΩt，得到結(jié)電容變化規(guī)律為(見本期雜志）
---式中，稱為電容調(diào)制度，
---為靜態(tài)工作點(diǎn)時的結(jié)電容。
---則振蕩回路的諧振角頻率為：(見本期雜志）
---式中，是未受調(diào)制時的振蕩角頻率，即載波角頻率。將式中作為變量，并在處展開為泰勒級數(shù)，得到：(見本期雜志）
---從上式可以看出，振蕩器的頻率變化量中不僅包含有與調(diào)制信號成正比的分量，而且含有調(diào)制信號的二次諧波及更高次諧波分量，同時還有中心頻率的漂移。一般總是在保證最大角頻偏的前提下，選擇具有較大變?nèi)葜笖?shù)n的管子，減小電容調(diào)制度m，從而減小中心頻率的漂移，提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，還要消除各次諧波失真分量，實現(xiàn)線性調(diào)頻。

鎖相穩(wěn)頻技術(shù)
---對于變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路來說，由于調(diào)制器是由普通的LC自激振蕩器和并聯(lián)的變?nèi)荻O管組成，所以有很多因素會引起振蕩頻率發(fā)生變化，這些因素包括變?nèi)荻O管的非線性、電源電壓的變動、負(fù)載的變化、溫度等環(huán)境條件的變化、電路元器件老化、機(jī)械振動等。為了消除這些導(dǎo)致中心頻率不穩(wěn)定的因素，除了注意電路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計外，還應(yīng)當(dāng)采用自動相位控制電路使中心頻率穩(wěn)定在規(guī)定范圍以內(nèi)。

---圖3是典型的鎖相穩(wěn)頻電路的結(jié)構(gòu)框圖。共包括四個部分：壓控振蕩器、鑒相器、基準(zhǔn)晶體振蕩器和分頻器。放大的調(diào)制信號加入壓控振蕩器，對其進(jìn)行頻率調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制的高頻信號一路送至后面的放大電路，另一部分送入分頻器進(jìn)行分頻。分頻器輸出的方波信號送入鑒相器中，與基準(zhǔn)晶體振蕩器經(jīng)過分頻后得到的基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，實現(xiàn)相位鎖定。鑒相器的輸出信號經(jīng)過環(huán)路濾波器送入壓控振蕩器中，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，從而達(dá)到穩(wěn)定頻率的目的。
---由于調(diào)頻的結(jié)果使壓控振蕩器輸出信號的瞬時頻率總是偏離其基準(zhǔn)值，而環(huán)路的功能就是要抑制這種頻偏，這就產(chǎn)生了一個矛盾。為了解決這個矛盾，應(yīng)該使調(diào)制信號的頻譜處于環(huán)路通帶之外，也就是需要在鑒相器和壓控振蕩器之間加一個低通濾波器，將其濾除。環(huán)路只對引起壓控振蕩器平均中心頻率不穩(wěn)定的那一部分起作用，也就是說，已調(diào)信號在中心頻率附近很小的一個頻偏范圍內(nèi)變化。

主要電路工作原理
---本電路實際上是一個小功率調(diào)頻發(fā)射機(jī)，其調(diào)制部分采用了變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，主要功能是實現(xiàn)87～108MHz頻段內(nèi)以100kHz為間隔的調(diào)頻激勵源；輸入調(diào)頻信號為音頻(30Hz～15kHz)，要求實現(xiàn)最大頻偏為75kHz，其框圖如圖4所示。
---下面簡單分析一下各主要部分的工作原理。
● VCO電路
---VCO電路是實現(xiàn)頻率調(diào)制與載波生成的關(guān)鍵性電路部分，其具體電路如圖5所示。
---4個性能一致的超突變結(jié)變?nèi)荻O管MV209采取較為復(fù)雜的串并聯(lián)形式，通過電路的復(fù)雜性來換取性能的改善，并采用部分接入法接入諧振回路，即將變?nèi)荻O管C與容量較小的耦合電容C1串聯(lián)，再與一個電容C2并聯(lián)，構(gòu)成回路總電容。這樣做不會改變變?nèi)荻O管的調(diào)頻特性，雖然會在一定程度上減小調(diào)頻電路的最大頻偏，但是可以改善變?nèi)荻O管結(jié)電容隨溫度變化而帶來的中心頻率漂移問題，同時通過調(diào)整耦合電容C1的大小，可以保證變?nèi)荻O管工作在線性區(qū)，并控制頻偏大小。在保證最大頻偏的前提下，盡量消除非線性失真、降低輸出信號的相位噪聲。
---起振電路中選用具有低轉(zhuǎn)角頻率、低噪聲指數(shù)的雙極性晶體管2SC3356，以提高VCO電路頻譜近端的頻譜質(zhì)量。在起振電路后附加一級射隨器，以減小負(fù)載電路對起振電路的影響，從而獲得良好的性能。已調(diào)信號通過射隨器后，分為兩路，一路反饋至MC145170的FIN端口，以構(gòu)成鎖相回路，另一路送入后端的放大電路，以滿足系統(tǒng)的輸出功率要求。

鎖相穩(wěn)頻電路
---鑒相器是穩(wěn)定頻率的核心部分，該部分由數(shù)字鑒相-鑒頻集成芯片MC145170和環(huán)路低通濾波器組成，如圖6所示。
標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩器選用MORION公司的溫補(bǔ)晶振MV68系列(10MHz)，頻率偏差小于5×10-6，短期頻率穩(wěn)定度為10-9/S，相位噪聲小于-145dBc/Hz/10kHz，完全可以保證電路滿足系統(tǒng)對頻偏的要求。
---鎖相環(huán)集成芯片選用了摩托羅拉公司的MC145170，來實現(xiàn)調(diào)頻激勵源的中心頻率在87～108MHz內(nèi)以100kHz為間隔的變化。摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC145170是一片可用于MF、HF和VHF波段的、串行碼輸入編程的單模CMOS鎖相環(huán)頻率合成器芯片。該芯片內(nèi)含完全可編程的÷R和÷N計數(shù)器，輸入譯碼器，在fin腳內(nèi)置一放大器，可外接晶體振蕩器，可編程的參考輸出，具有線性轉(zhuǎn)移功能的單端或雙端鑒相器和可調(diào)整的C寄存器。
---在實際電路中，選用10kHz的鑒相頻率，因此設(shè)置R=1000，N=8700～10800。同時設(shè)置C寄存器為(C7C6C5C4C3C2C1C0)=(10000000)，選擇φR與φV雙端輸出，禁止LD、fR、fV、REFOUT輸出，以減小電路功耗，同時降低無用端口對電路的影響。
---常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器。由它們的傳遞函數(shù)可知，有源比例積分濾波器具有兩個獨(dú)立可調(diào)參數(shù)，更重要的是具有滯后-超前特性，有利于環(huán)路的穩(wěn)定。因此，在設(shè)計中采用有源比例積分濾波器，其電原理圖如圖7所示。
---由前面的分析可知，該鎖相環(huán)是一窄帶載波跟蹤環(huán)，故BL應(yīng)小于調(diào)制頻率30Hz。因此應(yīng)通過調(diào)整環(huán)路濾波器的參數(shù)R1、R2與C，使得BL小于30Hz。取ξ=0.7，令BL=10Hz，N=10000，，C=10μF，kv=2π×1.2×106(rad/v)≈7.54×106(rad/v)，則根據(jù)公式，可以得到R1=170kΩ，R2=7.5kΩ。

PCB板的設(shè)計與測試結(jié)果
---頻率合成器對饋電電源、地線分布等電磁兼容問題都有著較嚴(yán)格的要求。這是因為電源和數(shù)據(jù)總線的噪聲能耦合到鎖相環(huán)系統(tǒng)中，使得相噪和雜散變壞。因此，在布局PCB版圖時，應(yīng)做到一下幾點(diǎn)。
---(1)對鑒相器、壓控振蕩器分別單獨(dú)供電、單獨(dú)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器的輸入、輸出端都接有Π型濾波電路；
---(2)布線、元件排列應(yīng)該盡量整齊；
---(3)電源線應(yīng)該加寬，約為1mm寬，信號線寬度也要達(dá)到0.75mm。
---采取以上措施能夠有效地濾除所有無用頻率和電源紋波，抑制各種干擾和噪聲，降低頻率合成器的相位噪聲和雜散。下面表1和表2給出了在載頻為100MHz時的各項測試指標(biāo)，表3則給出了該電路在各載頻頻點(diǎn)的調(diào)頻信噪比指標(biāo)。
---從表中的數(shù)據(jù)可以看出，本電路完全滿足了系統(tǒng)的要求，并且在相位噪聲、非線性失真、音頻頻率響應(yīng)和調(diào)頻信噪比等方面都有很好的特性。相位噪聲小于 -100dBc/Hz/10kHz，非線性失真小于0.1%，音頻頻率響應(yīng)非常理想，調(diào)頻信噪比達(dá)到80dB以上。與此同時，載波頻率穩(wěn)定度控制在200Hz以內(nèi)，輸出信號頻率偏差不超過1kHz，各項指標(biāo)滿足國家廣電總局的技術(shù)要求。而且，本電路調(diào)試量小，成本也不高，更易于進(jìn)行批量生產(chǎn)。