GPS校頻的壓控振蕩器設(shè)計

摘要：提高壓控振蕩器(VCO)的頻率穩(wěn)定度和噪聲抑制能力，是基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)頻標(biāo)產(chǎn)生電路獲得高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確率的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的關(guān)鍵。綜合差分對型VCO，LC型VCO的優(yōu)點，研究壓控振蕩器的噪聲與頻率調(diào)節(jié)范圍及穩(wěn)定時間的關(guān)系，設(shè)計一種全差分結(jié)構(gòu)的LC型壓控振蕩器(使用COMS電容陣列作LC元件)，具有較高的電源噪聲和襯底噪聲抑制能力。仿真結(jié)果表明，該壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定時間短，準(zhǔn)確度鎖定在GPS標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度上。
關(guān)鍵詞：壓控振蕩器；GPS校頻；電源噪聲；頻率穩(wěn)定度

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，時頻測量對時間頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)的測試要求越來越高，現(xiàn)在許多電子儀器內(nèi)部已經(jīng)采用了銣鐘時基。如果仍使用過去的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)或晶體振蕩電路頻率作為計量測試標(biāo)準(zhǔn)，那么，計量測試頻率準(zhǔn)確度的要求將無法得到保證。而基于GPS校頻的高精度寬帶頻率測量技術(shù)，為經(jīng)濟(jì)、便捷的高精度寬帶頻率測量提供了一個技術(shù)支持和解決方案。該方案的要點是通過GPS信息中的1 pps(秒脈沖)精確定時信號，利用時間間隔測量技術(shù)，與本地頻標(biāo)的分頻信號進(jìn)行比對，生成誤差控制電壓，對壓控振蕩器頻率進(jìn)行準(zhǔn)確控制與調(diào)節(jié)，極大地提高振蕩頻率的精度與穩(wěn)定性。其中壓控振蕩器是該環(huán)路中的重要部分，它的穩(wěn)定性和頻率調(diào)節(jié)范圍在很大程度上決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度。因此對壓控振蕩器的研究與設(shè)計是本方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文首先簡介了基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)，獲得高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確率標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的基本原理及電路組成，然后重點分析各類壓控振蕩器的噪聲與頻率調(diào)節(jié)范圍及穩(wěn)定時間的關(guān)系，設(shè)計了一款指標(biāo)優(yōu)化的壓控振蕩器。

1 基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)頻標(biāo)產(chǎn)生電路的基本原理
基于GPS校頻的高精度寬帶測頻技術(shù)關(guān)鍵是通過GPS定時信號控制振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確率的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，圖1是一個基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生電路。

它是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，主要由GPS接收器、時間間隔測量環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)控制與處理環(huán)節(jié)、誤差控制電壓產(chǎn)生環(huán)節(jié)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器等5部分組成。GPS接收器接收衛(wèi)星信號產(chǎn)生的1 pps信號，利用該信號采用高精度時間間隔測量技術(shù)，將其與本地頻標(biāo)的分頻信號進(jìn)行比較，按照相位差的變化速率計算出相對頻差，形成誤差控制電壓，反饋到本地壓控振蕩器，調(diào)節(jié)振蕩器輸出信號頻率直至分頻輸出頻率與GPS秒脈沖頻率相等時，誤差控制電壓接近于零，系統(tǒng)最終處于平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)對輸入信號(GPS)的跟蹤和鎖定。把本地頻標(biāo)的準(zhǔn)確度鎖定在GPS標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度上，從而實現(xiàn)對高穩(wěn)定晶體振蕩頻率的馴服和調(diào)節(jié)，提高頻標(biāo)振蕩器的精確度和穩(wěn)定性。

2 壓控振蕩器的特點分析
基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)頻標(biāo)產(chǎn)生電路的精確度和穩(wěn)定性主要取決于環(huán)路中的壓控振蕩器。壓控振蕩器(VCO)是一個電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路，在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應(yīng)隨控制電壓線性地變化，一個理想的壓控振蕩器其輸出頻率和輸入頻率的關(guān)系有：

式中：KVCO為壓控振蕩器的增益。在實際應(yīng)用中，壓控振蕩器的線性范圍有限，超出這個范圍之后，環(huán)路的參數(shù)就會變化較大，不利于環(huán)路設(shè)計。通常評價VCO的好壞主要有以下指標(biāo)：
(1)低抖動或低相位噪聲：由于電路結(jié)構(gòu)、電源噪聲以及地噪聲等因素的影響，VCO的輸出信號并不是一個理想的方波或正弦波，其輸出信號存在一定的抖動，轉(zhuǎn)換成頻域后可以看出信號中心頻率附近也會有較大的能量分布，即是所謂的相位噪聲。VCO輸出信號的抖動直接影響其他電路的設(shè)計，通常希望VCO的抖動越小越好。
(2)寬調(diào)頻范圍：VCO的調(diào)節(jié)范圍直接影響著整個系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)范圍，通常隨著工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化，VCO的鎖定范圍也會隨著變化，因此要求VCO有足夠?qū)挼恼{(diào)節(jié)范圍來保證VCO的輸出頻率能夠滿足設(shè)計的要求。
(3)穩(wěn)定的增益：VCO的電壓——頻率非線性是產(chǎn)生噪聲的主要原因之一，同時，這種非線性也會給電路設(shè)計帶來不確定性，變化的VCO增益會影響環(huán)路參數(shù)，從而影響環(huán)路的穩(wěn)定性。因此希望VCO的增益變化越小越好。
常見的壓控振蕩器主要有反相器型VCO、差分對型VCO以及LC型VCO。
反相器型VCO的核心是由奇數(shù)個反相器組成，振蕩頻率由每個反相器的延時以及反相器的個數(shù)決定的。每個單元的延時時間與流過反相器的電流、電壓、工藝有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)的VCO優(yōu)點是電路設(shè)計簡單，振蕩頻率可以被設(shè)計得很高，但是它對電源或地的噪聲比較敏感，相位抖動較大。