压控振荡器(VCO)工作原理和控制特性

在通信、雷达、无线电控制系统等现代电子设备中，压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator，简称VCO)扮演着至关重要的角色。作为一种能够输出与输入电压相对应的频率变化的电子振荡器，压控振荡器以其独特的性能和应用价值，在现代电子技术中占据了举足轻重的地位。

压控振荡器是一种输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路。其工作原理基于某些电子器件(如晶体管、FET等)的非线性特性。当输入电压改变时，这些器件的非线性特性会发生变化，导致VCO的输出频率或振荡幅度发生变化。因此，通过调整输入控制电压，可以实现对VCO输出频率的精确控制。

一、压控振荡器(VCO)工作原理

VCO电路可以通过许多电压控制电子元件来设计，例如变容二极管、晶体管、运算放大器等。在这里，我们将讨论使用运算放大器的VCO的工作原理。电路图如下所示。

该 VCO 的输出波形将为方波。众所周知，输出频率与控制电压有关。在该电路中，第一个运算放大器将充当积分器。这里实现了分压器布置。因此，作为输入给出的控制电压的一半被提供给运算放大器 1 的正极端子。相同的电压电平保持在负极端子。这是为了将电阻器R 1两端的压降维持为控制电压的一半。当MOSFET处于导通状态时，从R 1电阻流出的电流流过MOSFET。 R 2 的电阻只有R 1 的一半，压降相同，电流是R 1的两倍。因此，额外的电流为连接的电容器充电。 Op-amp 1 应提供逐渐增加的输出电压来提供该电流。当 MOSFET 处于关断状态时，从 R 1流出的电流

电阻通过电容，放电。此时从运算放大器1获得的输出电压将会下降。结果，生成三角波形作为运放 1 的输出。

运放 2 将作为施密特触发器运行。该运算放大器的输入是三角波，它是运算放大器1的输出。如果输入电压高于阈值电平，运算放大器2的输出将为V CC。如果输入电压低于阈值电平，运算放大器2的输出将为零。因此，运算放大器2的输出将为方波。

VCO 的示例是 LM566 IC 或IC566。它实际上是一个8脚集成电路，可以产生方波和三角波双输出。内部电路如下图所示。

二、压控振荡器(VCO)中的频率控制

VCO 有多种形式，可以是某种类型的 LC 或晶体振荡器，也可以是某种类型的 RC 振荡器或多谐振荡器。下图说明了 VCO 的基本操作。

对于 RC 型振荡器，振荡频率与电容成反比 (f = 1 / (2πRC))，对于 LC 振荡器，振荡频率为 1 / (2π√LC)。因此，随着反向或控制电压增加，电容减小。因此，控制电压的增加会增加振荡频率，反之亦然。

在上图中，振荡器在标称控制电压 Vc 下以其正常或自由运行频率运行。当控制电压增加到标称值以上时，频率会增加;当 Vc 降低到标称电压以下时，频率会减少。

为了实现这种可变电压，使用了可在不同电容范围内使用的可变电容二极管、变容二极管。对于低频振荡器，可以采用替代方法，例如借助压控电流源改变电容器的充电速率。

三、压控振荡器(VCO)的控制特性

其特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线来表示。图中,uc为零时的角频率ω0,0称为自由振荡角频率;曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号(调制信号)。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。

压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好、控制灵敏度高、调频范围宽、频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄;RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。

四、压控振荡器(VCO)的类型和性能指标

压控振荡器的类型多样，主要包括LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器等。这些不同类型的VCO在结构、性能和应用方面各有特点。

1、LC压控振荡器

LC压控振荡器是最常见的VCO电路结构之一。在LC振荡器中，电感和电容组成一个谐振回路，当谐振回路的阻抗为零时，就会产生振荡。通过插入压控可变电抗元件(如变容二极管)到振荡回路中，可以实现LC压控振荡器。当输入控制电压改变时，压控可变电抗元件的阻抗会发生变化，从而改变振荡频率。

2、RC压控振荡器

RC压控振荡器在单片集成电路中常用。其工作原理基于RC电路的时间常数与电阻和电容的关系。通过改变电阻或电容的值，可以调整RC电路的时间常数，进而改变振荡频率。在RC压控振荡器中，通常使用压控多谐振荡器来实现调频功能。

3、晶体压控振荡器

晶体压控振荡器采用石英晶体作为稳频元件。通过将变容二极管和石英晶体相串接，可以形成晶体压控振荡器。为了扩大调频范围，可以采用AT切割的石英晶体和展宽调频范围的变换网络。晶体压控振荡器具有频率稳定度高、噪声小的优点，但调频范围相对较窄。

五、压控振荡器(VCO)的性能指标

压控振荡器的性能指标是衡量其性能优劣的重要依据。以下是压控振荡器的主要性能指标：

1、频率范围

频率范围是指VCO在正常工作条件下能够产生的最低频率和最高频率之间的范围。这一指标反映了VCO的适用性和可调范围。一般来说，频率范围越宽，VCO的适用范围就越广。

2、调谐范围

调谐范围是指VCO在输入电压的作用下能够产生的频率变化范围。这一指标反映了VCO的灵敏度和控制能力。调谐范围越宽，VCO对输入电压的响应就越敏感，控制能力也越强。

3、调谐增益

调谐增益是指单位的输入电压与输出频率的变化之比，一般用Kv表示，单位是Hz/V。调谐增益反映了VCO的灵敏度，即输入电压变化对输出频率的影响程度。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的调谐增益。

4、频率稳定度

频率稳定度是指VCO在长时间运行或环境条件变化时输出频率的稳定性。这一指标反映了VCO的抗干扰能力和可靠性。频率稳定度越高，VCO的输出频率就越稳定，抗干扰能力也越强。

5、相位噪声

相位噪声是指在输出信号中由于各种噪声和干扰引起的相位变化。相位噪声是衡量VCO噪声性能的重要指标之一。相位噪声越小，VCO的噪声性能就越好，输出信号的质量也越高。

6、功耗和体积

功耗和体积是衡量VCO实用性的重要指标。随着现代电子技术的发展，对电子设备功耗和体积的要求越来越高。因此，在设计和选择VCO时，需要充分考虑其功耗和体积因素。

综上所述，压控振荡器作为一种重要的电子振荡器，在现代电子技术中具有广泛的应用价值。通过对压控振荡器的基本原理、类型和性能指标进行深入分析，可以更好地理解和应用压控振荡器，为现代电子技术的发展做出更大的贡献。