GPS校頻的壓控振蕩器設計

摘要：提高壓控振蕩器(VCO)的頻率穩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)頻標產(chǎn)生電路獲得高穩定度、高準確率的標準頻率信號的關(guān)鍵。綜合差分對型VCO，LC型VCO的優(yōu)點(diǎn)，研究壓控振蕩器的噪聲與頻率調節范圍及穩定時(shí)間的關(guān)系，設計一種全差分結構的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。仿真結果表明，該壓控振蕩器的頻率穩定時(shí)間短，準確度鎖定在GPS標準的準確度上。
關(guān)鍵詞：壓控振蕩器；GPS校頻；電源噪聲；頻率穩定度

目前，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，時(shí)頻測量對時(shí)間頻率的準確度、穩定度等技術(shù)指標的測試要求越來(lái)越高，現在許多電子儀器內部已經(jīng)采用了銣鐘時(shí)基。如果仍使用過(guò)去的銣原子頻率標準或晶體振蕩電路頻率作為計量測試標準，那么，計量測試頻率準確度的要求將無(wú)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、便捷的高精度寬帶頻率測量提供了一個(gè)技術(shù)支持和解決方案。該方案的要點(diǎn)是通過(guò)GPS信息中的1 pps(秒脈沖)精確定時(shí)信號，利用時(shí)間間隔測量技術(shù)，與本地頻標的分頻信號進(jìn)行比對，生成誤差控制電壓，對壓控振蕩器頻率進(jìn)行準確控制與調節，極大地提高振蕩頻率的精度與穩定性。其中壓控振蕩器是該環(huán)路中的重要部分，它的穩定性和頻率調節范圍在很大程度上決定了系統的穩定性及精度。因此對壓控振蕩器的研究與設計是本方案的關(guān)鍵環(huán)節之一。本文首先簡(jiǎn)介了基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)，獲得高穩定度、高準確率標準頻率信號的基本原理及電路組成，然后重點(diǎn)分析各類(lèi)壓控振蕩器的噪聲與頻率調節范圍及穩定時(shí)間的關(guān)系，設計了一款指標優(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(guò)GPS定時(shí)信號控制振蕩器產(chǎn)生高穩定度和高準確率的標準頻率信號，圖1是一個(gè)基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)的標準頻率產(chǎn)生電路。

它是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統，主要由GPS接收器、時(shí)間間隔測量環(huán)節、數據控制與處理環(huán)節、誤差控制電壓產(chǎn)生環(huán)節、壓控振蕩器(VCO)、分頻器等5部分組成。GPS接收器接收衛星信號產(chǎn)生的1 pps信號，利用該信號采用高精度時(shí)間間隔測量技術(shù)，將其與本地頻標的分頻信號進(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，調節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(shí)，誤差控制電壓接近于零，系統最終處于平衡狀態(tài)，從而實(shí)現對輸入信號(GPS)的跟蹤和鎖定。把本地頻標的準確度鎖定在GPS標準的準確度上，從而實(shí)現對高穩定晶體振蕩頻率的馴服和調節，提高頻標振蕩器的精確度和穩定性。

2 壓控振蕩器的特點(diǎn)分析
基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)頻標產(chǎn)生電路的精確度和穩定性主要取決于環(huán)路中的壓控振蕩器。壓控振蕩器(VCO)是一個(gè)電壓一頻率轉換電路，在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應隨控制電壓線(xiàn)性地變化，一個(gè)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(shí)際應用中，壓控振蕩器的線(xiàn)性范圍有限，超出這個(gè)范圍之后，環(huán)路的參數就會(huì )變化較大，不利于環(huán)路設計。通常評價(jià)VCO的好壞主要有以下指標：
(1)低抖動(dòng)或低相位噪聲：由于電路結構、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(gè)理想的方波或正弦波，其輸出信號存在一定的抖動(dòng)，轉換成頻域后可以看出信號中心頻率附近也會(huì )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(dòng)直接影響其他電路的設計，通常希望VCO的抖動(dòng)越小越好。
(2)寬調頻范圍：VCO的調節范圍直接影響著(zhù)整個(gè)系統的頻率調節范圍，通常隨著(zhù)工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化，VCO的鎖定范圍也會(huì )隨著(zhù)變化，因此要求VCO有足夠寬的調節范圍來(lái)保證VCO的輸出頻率能夠滿(mǎn)足設計的要求。
(3)穩定的增益：VCO的電壓——頻率非線(xiàn)性是產(chǎn)生噪聲的主要原因之一，同時(shí)，這種非線(xiàn)性也會(huì )給電路設計帶來(lái)不確定性，變化的VCO增益會(huì )影響環(huán)路參數，從而影響環(huán)路的穩定性。因此希望VCO的增益變化越小越好。
常見(jiàn)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的核心是由奇數個(gè)反相器組成，振蕩頻率由每個(gè)反相器的延時(shí)以及反相器的個(gè)數決定的。每個(gè)單元的延時(shí)時(shí)間與流過(guò)反相器的電流、電壓、工藝有關(guān)。這種結構的VCO優(yōu)點(diǎn)是電路設計簡(jiǎn)單，振蕩頻率可以被設計得很高，但是它對電源或地的噪聲比較敏感，相位抖動(dòng)較大。