變?nèi)荻O管背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能分析

劉明鑫,房夢(mèng)旭,唐　斌,馮文英

(1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院,四川 成都　610100;2.四川省金核環(huán)保工程有限公司,四川 成都　610015)

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變?nèi)荻O管背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能分析

劉明鑫1,房夢(mèng)旭1,唐斌1,馮文英2

(1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院,四川 成都610100;2.四川省金核環(huán)保工程有限公司,四川 成都610015)

摘要針對(duì)變?nèi)荻O管在實(shí)際應(yīng)用電路中,由于非線性所造成的寄生調(diào)制、頻率抖動(dòng)、頻率失真、AM to PM噪聲引入等問(wèn)題,文中采用變?nèi)荻O管背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(BBS),通過(guò)改善壓控線性度來(lái)降低電路RF調(diào)制、頻率抖動(dòng)、相位噪聲等影響,既能抑制非線性導(dǎo)致的寄生調(diào)制現(xiàn)象,又簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)電壓。為目前廣泛應(yīng)用變?nèi)莨茏鳛殡娬{(diào)元件的電路提供了參考。

關(guān)鍵詞變?nèi)荻O管;背靠背拓?fù)?VCO;電調(diào)濾波器;調(diào)頻電路

Performance Analysis of Varactors with Back-to-back Topology

LIU Mingxin1,FANG Mengxu1,TANG Bin1,FENG Wenying2

(1.Continuing Education Institute,Chengdu Aeronautic Polytechnic,Chengdu 610100,China;2.Sichuan Kinghord Environmental Protection Engineering Co.,Ltd,Chengdu 610015,China)

AbstractIn view of the parasitic modulation,frequency jitter,frequency distortion,AM to PM noise,etc.caused by the varactor nonlinearity in the actual application circuit,this paper uses back-to-back topology (BBS) varactors to improves the voltage-controlled linearity and to reduce the RF modulation frequency jitter and phase noise of the circuit.It parasitic modulation caused by the varactor nonlinearity is restrained with simpler voltage regulation.The study has important reference value to the circuits that widely use varactors as the electrically tunable components.

Keywordsvaractor;back-to-back topology;VCO;electrically tunable filter;frequency modulation circuit

由于變?nèi)荻O管的結(jié)電容可以隨外加偏壓的不同而變化,故可以用它來(lái)代替可變電容器。目前它已被廣泛應(yīng)用于LC調(diào)諧電路、RC濾波電路、電子調(diào)諧、自動(dòng)頻率控制、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等各個(gè)方面,在微波參量放大器、倍頻器和變頻器中都有應(yīng)用[1]。因此,本文針對(duì)變?nèi)荻O管在實(shí)際應(yīng)用中,由于自身非線性所造成的寄生調(diào)制,頻率抖動(dòng),頻率失真,AM to PM噪聲引人等問(wèn)題,深入研究變?nèi)荻O管單端拓?fù)銼E,差分并聯(lián)拓?fù)銬P和背靠背串聯(lián)拓?fù)銪BS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)分析得出,不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)改善自身的壓控線性度有各自不同的效果。同時(shí)也有效的解決了變?nèi)荻O管在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題。

1變?nèi)荻O管原理

變?nèi)荻O管的等效電路如圖1所示。

圖1　變?nèi)荻O管的等效電路

(1)

式中,Cj為變?nèi)荻O管的結(jié)電容;Cj0為變?nèi)莨芗恿闫珘簳r(shí)的結(jié)電容;VD為變?nèi)莨躊N結(jié)內(nèi)建電位差(硅管VD=0.7V,鍺管VD=0.3V);γ為變?nèi)荻O管的電容變化指數(shù),與頻偏的大小有關(guān);v為變?nèi)莨軆啥怂拥姆聪螂妷?。在小頻偏情況下,選γ=1的變?nèi)荻O管可近似實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻;在大頻偏情況下,必須選γ=2的超突變結(jié)變?nèi)荻O管,才能實(shí)現(xiàn)較好的線性調(diào)頻。由式(1)可知,當(dāng)方向電壓增大時(shí),結(jié)電容減小;反之,當(dāng)反向電壓(絕對(duì)值)減小時(shí),結(jié)電容增大[2]。

圖2　變?nèi)荻O管的簡(jiǎn)化等效電路

2傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由分析可知,變?nèi)荻O管主要存在以下不足:(1)品質(zhì)因數(shù)Q值不夠高;(2)容易受溫度影響;(3)變?nèi)荻O管的串聯(lián)電感會(huì)造成中心頻率的偏移;(4)串聯(lián)電阻會(huì)造成系統(tǒng)插入損耗的增加;(5)變?nèi)荻O管的非線性帶來(lái)的頻率失真和寄生調(diào)制問(wèn)題等。本文主要針對(duì)變?nèi)荻O管在實(shí)際應(yīng)用中存在的第(5)點(diǎn)不足,運(yùn)用變?nèi)荻O管不同的拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)來(lái)彌補(bǔ)或降低壓控非線性度對(duì)應(yīng)用電路的影響。下面以LC串聯(lián)諧振電路為例來(lái)詳細(xì)分析不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性,并聯(lián)諧振電路同樣具有類(lèi)似的規(guī)律。

2.1單端拓?fù)銼E(Single-Ended)

單端拓?fù)涞淖內(nèi)荻O管配置是工程應(yīng)用中最常用的一種結(jié)構(gòu),如圖3所示。它具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)諧方便、對(duì)調(diào)諧信號(hào)要求低等特點(diǎn)。但觀察圖4中SE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)C-V曲線圖可發(fā)現(xiàn),隨交流V(t)電壓信號(hào)的加入,最終導(dǎo)致C(t)也隨之大幅變化,這就導(dǎo)致變?nèi)荻O管電容量受控的不穩(wěn)定。因此,SE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交流信號(hào)的幅度噪聲會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)寄生調(diào)制效應(yīng)[3]。此電路在對(duì)電路指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合可以使用。

圖3　SE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LC串聯(lián)諧振

2.2差分平行拓?fù)銬P(Differential Parallel)

差分平行拓?fù)涞淖內(nèi)荻O管配置如圖5所示。觀察圖6中DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)C-V曲線圖可以發(fā)現(xiàn),隨交流V(t)電壓信號(hào)的加入,當(dāng)V(t)在正半軸遞增時(shí),CV1兩端的反向電壓遞減,因此CV1的結(jié)電容增加,所以CV1的C-V曲線呈上升趨勢(shì)。CV2相反,呈遞減趨勢(shì)。由于電路差分結(jié)構(gòu)特點(diǎn),交流通路總電容量為CV1+CV2,因此總電容C-V曲線最終呈拋物線型。因此DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能有效地抑制共模干擾,并且在VCO等電路應(yīng)用中,可以有效地降低由1/f幅度噪聲帶來(lái)的1/f3相位噪聲,即AM to PM引人噪聲。

但是要特別注意,DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要精確控制差分電壓信號(hào)Vtune和-Vtune,使兩路差分變?nèi)荻O管具有同步的頻率變化曲線。否則對(duì)降低由幅度噪聲帶來(lái)的相位噪聲的效果將嚴(yán)重不理想,甚至惡化[4]。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有調(diào)諧方便,對(duì)調(diào)諧信號(hào)要求低等特點(diǎn),主要應(yīng)用在一些對(duì)共模信號(hào)干擾敏感的電路。

圖5　DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LC串聯(lián)諧振

圖6　DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)C-V曲線

同時(shí),值得強(qiáng)調(diào)的是DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于采用差分平行控制,兩個(gè)變?nèi)荻O管CV1和CV2是反相并聯(lián)的。所以在實(shí)際電路應(yīng)用中,為了盡量減小變?nèi)荻O管串聯(lián)電感帶來(lái)的頻率偏移等影響,在電路板PCB布局時(shí)可以借鑒DELL公司的專(zhuān)利6337798(兩個(gè)去耦電容背靠背布局的優(yōu)點(diǎn)),將兩個(gè)變?nèi)荻O管背靠背并排布局,這樣就使得由流經(jīng)它們的電流所形成的磁通相互抵消,可以使兩個(gè)變?nèi)荻O管串聯(lián)電感產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響相互抵消,使LS影響降到最小。這也是DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特有的優(yōu)勢(shì)之一。

3背靠背串聯(lián)拓?fù)銪BS

從變?nèi)莨芊蔷€性角度討論了SE和DP兩種變?nèi)荻O管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在LC串聯(lián)諧振電路中的特性。由上述內(nèi)容可知,SE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變?nèi)荻O管電容容量嚴(yán)重受外加交流信號(hào)的干擾,這一點(diǎn)嚴(yán)重影響了SE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際電路中的應(yīng)用,如果外加交流信號(hào)幅度足夠大時(shí),電路會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的寄生調(diào)制和頻率失真等現(xiàn)象[5-8]。DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變?nèi)莨茈娐冯m然有良好的共模干擾抑制能力,但此拓?fù)湟蟛罘州斎氲膬陕冯妷嚎刂菩盘?hào)要嚴(yán)格精確控制,否則將達(dá)不到預(yù)期的共模干擾抑制作用,甚至有可能使信號(hào)嚴(yán)重惡化,對(duì)控制信號(hào)的苛刻要求限制了此拓?fù)潆娐吩趯?shí)際工程中的應(yīng)用范圍?；赟E和DP兩種變?nèi)荻O管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所存在的問(wèn)題,重點(diǎn)針對(duì)BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變?nèi)荻O管從理論上進(jìn)行研究,徹底了解該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是如何解決以上兩種拓?fù)渌嬖诘膯?wèn)題。

3.1BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

背靠背串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變?nèi)荻O管配置如圖7所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將特性相同的兩個(gè)變?nèi)莨堋氨硨?duì)背”連接到電路中,這樣如圖8所示,當(dāng)交變的振蕩電壓信號(hào)V(t)疊加到變?nèi)荻O管兩端,當(dāng)其中一個(gè)變?nèi)莨蹸V1容量變大時(shí),而另一個(gè)變?nèi)荻O管CV2容量會(huì)變小,因此總效果是CV1/CV2總?cè)萘炕颈３植蛔儭Ｔ赩tune=0 V時(shí),隨著V(t)的變化,C(t)基本保持C0不變。因此,BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使變?nèi)荻O管的總電容不受偏置電壓上疊加的交流信號(hào)的影響,從而它能有效抑制RF高頻信號(hào)帶來(lái)的寄生調(diào)制現(xiàn)象;它提高了變?nèi)荻O管的壓控線性度,使變?nèi)荻O管能夠穩(wěn)定地受直流偏壓控制容值變化;同時(shí)也消除了變?nèi)荻O管自身帶來(lái)的頻率抖動(dòng)和頻率失真,因此,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用于改善RF電調(diào)濾波器的頻率性能。同時(shí)在VCO等電路應(yīng)用中,與前兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較,也可以更有效地降低AM to PM引人噪聲。

圖7　BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LC串聯(lián)諧振

圖8　BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)C-V曲線

同時(shí),由于變?nèi)荻O管結(jié)電容會(huì)隨溫度變化而變化,其溫度系數(shù)約為0.03~0.05%/℃,這在要求高的電路中使用可能產(chǎn)生失調(diào)及頻率漂移。因此,將兩個(gè)變?nèi)莨芊聪啻?lián)組成BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后,可使失調(diào)降低15~20 dB。另外,也可用一個(gè)硅二極管與之串聯(lián)后進(jìn)行溫度補(bǔ)償,可使溫度系數(shù)下降至0.005%/℃的范圍內(nèi)。

3.2BBS拓?fù)鋵?shí)際應(yīng)用舉例

如圖9所示,以一個(gè)LC電調(diào)濾波器電路為例[6],分析BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際電路中帶來(lái)的好處。

圖9　應(yīng)用BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LC電調(diào)濾波器

假設(shè)8個(gè)變?nèi)荻O管參數(shù)完全相同,電容量均為C,串聯(lián)電阻為Rs,串聯(lián)電感為L(zhǎng)s。則可知

C∑=(C∥C)∥(C∥C)∥(C∥C)∥(C∥C)=(1/2C)∥(1/2C)∥(1/2C)∥(1/2C)=2C

(2)

R∑=2RS∥2RS∥2RS∥2RS=1/2RS

(3)

L∑=2LS∥2LS∥2LS∥2LS=1/2Ls

(4)

通過(guò)計(jì)算可發(fā)現(xiàn),不僅BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高了電路的壓控線性度,減少了寄生調(diào)制和頻率失真等問(wèn)題,同時(shí)在上述具體應(yīng)用電路中,4對(duì)背靠背串聯(lián)的變?nèi)荻O管還起到減小變?nèi)荻O管串聯(lián)電阻和串聯(lián)電感的作用。根據(jù)文獻(xiàn)可知,在應(yīng)用LC諧振的電路中,變?nèi)荻O管的串聯(lián)電阻RS會(huì)造成電路插入損耗的增加,串聯(lián)電感LS會(huì)造成中心頻率的偏移。因此,可知BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在上述LC電調(diào)濾波器電路中還起到減小插入損耗、穩(wěn)定中心頻率的作用。這在電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)中尤為重要。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)變?nèi)荻O管SE、DP、BBS共3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究,SE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)諧方便特點(diǎn),但壓控線性度較差,容易引人RF調(diào)制和頻率失真等。DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的共模干擾抑制,可以有效地抑制由幅度噪聲引起的相位噪聲現(xiàn)象,但該拓?fù)湟髢陕凡罘中盘?hào)精確控制,否則將達(dá)不到預(yù)期效果,所以調(diào)諧電壓條件比較苛刻。BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則充分彌補(bǔ)了前兩種拓?fù)涞牟蛔?既能達(dá)到抑制非線性導(dǎo)致的寄生調(diào)制現(xiàn)象,又簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)電壓,使電路調(diào)節(jié)方便。同時(shí)在具體電路應(yīng)用中多對(duì)BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變?nèi)荻O管并聯(lián)組合又可以產(chǎn)生滿足不同電路的要求,例如LC電調(diào)濾波器中4對(duì)BBS組合可以減小串聯(lián)電阻和電感,從而達(dá)到減小插損和穩(wěn)定中心頻率的效果。

因此,BBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變?nèi)荻O管在LC調(diào)諧電路、RC濾波電路、電子調(diào)諧、自動(dòng)頻率控制、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等各個(gè)方面應(yīng)用有著很大的潛力。它們不同的組合可以起到優(yōu)化不同參數(shù)的效果,從而滿足具體電路不同的參數(shù)需求。

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中圖分類(lèi)號(hào)TN312+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)03-137-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.035

作者簡(jiǎn)介:劉明鑫(1987—),男,碩士,助教。研究方向:信號(hào)與信息處理。

基金項(xiàng)目:中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(2012M511919)

收稿日期:2015- 07- 13