使用VCO實現變容二極體直接調頻

    調頻廣播具有抗干擾性能強、聲音清晰等優點，獲得了快速的發展。調頻電台的頻帶通常大約是200～250kHz，其頻帶寬度是調幅電台的數十倍，便於傳送高保真立體聲信號。由於調幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機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於30～8000Hz的範圍內。在調頻時，可以將音頻信號的頻率範圍擴大至30～15000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質量大為提高。  
    許多中小功率的調頻發射機都採用變容二極體直接調頻技術，即在工作於發射載頻的LC振蕩迴路上直接調頻，採用晶體振蕩器和鎖相環路來穩定中心頻率。較之中頻調製和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進的頻率調製方案。

變容二極體直接調頻原理 
    二極體通過改變外加反向電壓可以改變空間電荷區的寬度，從而改變勢壘電容的大小。變容二極體是就是利用這種特性製成的特殊的PN結二極體，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是變容二極體的特性曲線，圖2是變容二極體直接調頻示意圖。
 
圖1 變容二極體電容變化曲線                            圖2 變容二極體直接調頻示意圖
 
    變容二極體在反向偏置時，結電容可用下式來表示：
 
其中，VD為PN結內建電位差，Cj0為外加反向電壓u=0時的結電容，n為電容變化指數。n取決於變容二極體PN結的雜質分佈規律，對於緩變結n值等於1/3，突變結n值等於1/2，超突變結n值在1～5之間。 
    變容二極體在反向偏置直接調頻電路中，不能工作於正向偏壓區。如圖2所示，為了保證變容二極體在調製電壓變化過程中保持反向偏壓，必須加上一個大於調製信號振幅的反向直流偏壓E0。所以在單音調製時，變容二極體上的電壓u=E0+UΩcosΩt，得到結電容變化規律為
  
式中， 稱為電容調製度，  為靜態工作點時的結電容。 
則振蕩迴路的諧振角頻率為：
  
式中， 是未受調製時的振蕩角頻率，即載波角頻率。將式中mcosΩt作為變數，並在mcosΩt=0處展開為泰勒級數，得到： 
 
    從上式可以看出，振蕩器的頻率變化量中不僅包含有與調製信號成正比的分量，而且含有調製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，選擇具有較大變容指數n的管子，減小電容調製度m，從而減小中心頻率的漂移，提高振蕩器的頻率穩定度，還要消除各次諧波失真分量，實現線性調頻。

鎖相穩頻技術
    對於變容二極體直接調頻電路來說，由於調製器是由普通的LC自激振蕩器和並聯的變容二極體組成，所以有很多因素會引起振蕩頻率發生變化，這些因素包括變容二極體的非線性、電源電壓的變動、負載的變化、溫度等環境條件的變化、電路元器件老化、機械振動等。為了消除這些導致中心頻率不穩定的因素，除了注意電路和結構的設計外，還應當採用自動相位控制電路使中心頻率穩定在規定範圍以內。
    圖3是典型的鎖相穩頻電路的結構框圖。共包括四個部分：壓控振蕩器、鑒相器、基準晶體振蕩器和分頻器。放大的調製信號加入壓控振蕩器，對其進行頻率調製，經過調製的高頻信號一路送至後面的放大電路，另一部分送入分頻器進行分頻。分頻器輸出的方波信號送入鑒相器中，與基準晶體振蕩器經過分頻后得到的基準信號進行比較，實現相位鎖定。鑒相器的輸出信號經過環路濾波器送入壓控振蕩器中，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，從而達到穩定頻率的目的。
 
圖3 鎖相穩頻電路結構框圖
     由於調頻的結果使壓控振蕩器輸出信號的瞬時頻率總是偏離其基準值，而環路的功能就是要抑制這種頻偏，這就產生了一個矛盾。為了解決這個矛盾，應該使調製信號的頻譜處於環路通帶之外，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。環路只對引起壓控振蕩器平均中心頻率不穩定的那一部分起作用，也就是說，已調信號在中心頻率附近很小的一個頻偏範圍內變化。

主要電路工作原理
    本電路實際上是一個小功率調頻發射機，其調製部分採用了變容二極體直接調頻技術，主要功能是實現87～108MHz頻段內以100kHz為間隔的調頻激勵源；輸入調頻信號為音頻(30Hz～15kHz)，要求實現最大頻偏為75kHz，其框圖如圖4所示。
 
圖4 調頻發射機結構框圖
   下面簡單分析一下各主要部分的工作原理。 
VCO電路  
    VCO電路是實現頻率調製與載波生成的關鍵性電路部分，其具體電路如圖5所示。
 
圖5 變容二極體調頻電路中的vco電路
    4個性能一致的超突變結變容二極體MV209採取較為複雜的串並聯形式，通過電路的複雜性來換取性能的改善，並採用部分接入法接入諧振迴路，即將變容二極體C與容量較小的耦合電容C1串聯，再與一個電容C2並聯，構成迴路總電容。這樣做不會改變變容二極體的調頻特性，雖然會在一定程度上減小調頻電路的最大頻偏，但是可以改善變容二極體結電容隨溫度變化而帶來的中心頻率漂移問題，同時通過調整耦合電容C1的大小，可以保證變容二極體工作在線性區，並控制頻偏大小。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雜訊。  
    起振電路中選用具有低轉角頻率、低雜訊指數的雙極性晶體管2SC3356，以提高VCO電路頻譜近端的頻譜質量。在起振電路后附加一級射隨器，以減小負載電路對起振電路的影響，從而獲得良好的性能。已調信號通過射隨器后，分為兩路，一路反饋至MC145170的FIN埠，以構成鎖相迴路，另一路送入後端的放大電路，以滿足系統的輸出功率要求。

鎖相穩頻電路
   鑒相器是穩定頻率的核心部分，該部分由數字鑒相-鑒頻集成晶元MC145170和環路低通濾波器組成，如圖6所示。

圖6 鎖相穩頻電路原理圖 
   標準晶體振蕩器選用MORION公司的溫補晶振MV68系列(10MHz)，頻率偏差小於5×10^-6，短期頻率穩定度為10^-9/S，相位雜訊小於-145dBc/Hz/10kHz，完全可以保證電路滿足系統對頻偏的要求。
   鎖相環集成晶元選用了摩托羅拉公司的MC145170，來實現調頻激勵源的中心頻率在87～108MHz內以100kHz為間隔的變化。摩托羅拉公司生產的MC145170是一片可用於MF、HF和VHF波段的、串列碼輸入編程的單模CMOS鎖相環頻率合成器晶元。該晶元內含完全可編程的÷R和÷N計數器，輸入解碼器，在fin腳內置一放大器，可外接晶體振蕩器，可編程的參考輸出，具有線性轉移功能的單端或雙端鑒相器和可調整的C寄存器。  
   在實際電路中，選用10kHz的鑒相頻率，因此設置R=1000，N=8700～10800。同時設置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，同時降低無用埠對電路的影響。  
   常用的環路濾波器有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。由它們的傳遞函數可知，有源比例積分濾波器具有兩個獨立可調參數，更重要的是具有滯后-超前特性，有利於環路的穩定。因此，在設計中採用有源比例積分濾波器，其電原理圖如圖7所示。  
 
圖7 有源比例積分濾波器電路原理圖
   由前面的分析可知，該鎖相環是一窄帶載波跟蹤環，故BL應小於調製頻率30Hz。因此應通過調整環路濾波器的參數R1、R2與C，使得BL小於30Hz。取ξ=0.7，令BL=10Hz，N=10000，Kd=Vdd/(2π)=5/(2π)=0.8(rad/v)，C=10μF，kv=2π×1.2×10⁶(rad/v)≈7.54×10⁶(rad/v)，則根據公式 ，可以得到R1=170kΩ，R2=7.5kΩ。

PCB板的設計與測試結果  
   頻率合成器對饋電電源、地線分佈等電磁兼容問題都有著較嚴格的要求。這是因為電源和數據匯流排的雜訊能耦合到鎖相環系統中，使得相噪和雜散變壞。因此，在布局PCB版圖時，應做到一下幾點。

1. 對鑒相器、壓控振蕩器分別單獨供電、單獨穩壓，穩壓器的輸入、輸出端都接有Π型濾波電路；
2. 布線、元件排列應該盡量整齊； 
3. 電源線應該加寬，約為1mm寬，信號線寬度也要達到0.75mm。 

    採取以上措施能夠有效地濾除所有無用頻率和電源紋波，抑制各種干擾和雜訊，降低頻率合成器的相位雜訊和雜散。下面表1和表2給出了在載頻為100MHz時的各項測試指標，表3則給出了該電路在各載頻頻點的調頻信噪比指標。 

表1 鎖相環相位雜訊指標

頻率	50Hz	100Hz	500Hz	1kHz	5kHz	10kHz	50kHz	100kHz
相噪(dBc/Hz)	-40	-55	-73	-83	-100	-103	-115	-118

表2 調頻電路測試指標

音頻	30Hz	50Hz	100Hz	400Hz	1kHz	3kHz	5kHz	7kHz	10kHz	12kHz	15kHz
非線性	0.1	0.1	0.04	0.04	0.03	0.03	0.03	0.04	0.03	0.05	0.05
失真(％)	7.55	7.67	7.88	7.96	7.95	7.95	7.93	7.90	7.85	7.84	7.80

表3 調頻信噪比測試指標(音頻信號為1 kHz)

頻率(MHz)	87	90	92	94	96	98	100	102	104	106	108
調頻信噪比(dB)	-82.3	-82.4	-82.3	-82.5	-82.9	-83.1	-83.1	-82.8	-82.5	-82.0	-81.8

    從表中的數據可以看出，本電路完全滿足了系統的要求，並且在相位雜訊、非線性失真、音頻頻率響應和調頻信噪比等方面都有很好的特性。相位雜訊小於 -100dBc/Hz/10kHz，非線性失真小於0.1%，音頻頻率響應非常理想，調頻信噪比達到80dB以上。與此同時，載波頻率穩定度控制在200Hz以內，輸出信號頻率偏差不超過1kHz，各項指標滿足國家廣電總局的技術要求。而且，本電路調試量小，成本也不高，更易於進行批量生產。

參考文獻
1 翁壽松.硅變容管的發展趨勢.微電子技術.2001.6
2 王明亮等編著.廣播、電視、調頻技術.中國廣播電視出版社.1993
3 張厥盛,鄭繼禹.萬心平.鎖相技術.西安電子科技大學出版社.2000
4 陸熊,張素文編.高頻電子線路.高等教育出版社.1993