GPS校频的压控振荡器设计

摘要：提高压控振荡器(VCO)的频率稳定度和噪声抑制能力，是基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术频标产生电路获得高稳定度、高准确率的标准频率信号的关键。综合差分对型VCO，LC型VCO的优点，研究压控振荡器的噪声与频率调节范围及稳定时间的关系，设计一种全差分结构的LC型压控振荡器(使用COMS电容阵列作LC元件)，具有较高的电源噪声和衬底噪声抑制能力。仿真结果表明，该压控振荡器的频率稳定时间短，准确度锁定在GPS标准的准确度上。
关键词：压控振荡器；GPS校频；电源噪声；频率稳定度

目前，随着科学技术的发展，时频测量对时间频率的准确度、稳定度等技术指标的测试要求越来越高，现在许多电子仪器内部已经采用了铷钟时基。如果仍使用过去的铷原子频率标准或晶体振荡电路频率作为计量测试标准，那么，计量测试频率准确度的要求将无法得到保证。而基于GPS校频的高精度宽带频率测量技术，为经济、便捷的高精度宽带频率测量提供了一个技术支持和解决方案。该方案的要点是通过GPS信息中的1 pps(秒脉冲)精确定时信号，利用时间间隔测量技术，与本地频标的分频信号进行比对，生成误差控制电压，对压控振荡器频率进行准确控制与调节，极大地提高振荡频率的精度与稳定性。其中压控振荡器是该环路中的重要部分，它的稳定性和频率调节范围在很大程度上决定了系统的稳定性及精度。因此对压控振荡器的研究与设计是本方案的关键环节之一。本文首先简介了基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术，获得高稳定度、高准确率标准频率信号的基本原理及电路组成，然后重点分析各类压控振荡器的噪声与频率调节范围及稳定时间的关系，设计了一款指标优化的压控振荡器。

1 基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术频标产生电路的基本原理
基于GPS校频的高精度宽带测频技术关键是通过GPS定时信号控制振荡器产生高稳定度和高准确率的标准频率信号，图1是一个基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术的标准频率产生电路。

它是一个闭环反馈控制系统，主要由GPS接收器、时间间隔测量环节、数据控制与处理环节、误差控制电压产生环节、压控振荡器(VCO)、分频器等5部分组成。GPS接收器接收卫星信号产生的1 pps信号，利用该信号采用高精度时间间隔测量技术，将其与本地频标的分频信号进行比较，按照相位差的变化速率计算出相对频差，形成误差控制电压，反馈到本地压控振荡器，调节振荡器输出信号频率直至分频输出频率与GPS秒脉冲频率相等时，误差控制电压接近于零，系统最终处于平衡状态，从而实现对输入信号(GPS)的跟踪和锁定。把本地频标的准确度锁定在GPS标准的准确度上，从而实现对高稳定晶体振荡频率的驯服和调节，提高频标振荡器的精确度和稳定性。

2 压控振荡器的特点分析
基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术频标产生电路的精确度和稳定性主要取决于环路中的压控振荡器。压控振荡器(VCO)是一个电压一频率转换电路，在环路中作为被控振荡器，它的输出频率应随控制电压线性地变化，一个理想的压控振荡器其输出频率和输入频率的关系有：

式中：KVCO为压控振荡器的增益。在实际应用中，压控振荡器的线性范围有限，超出这个范围之后，环路的参数就会变化较大，不利于环路设计。通常评价VCO的好坏主要有以下指标：
(1)低抖动或低相位噪声：由于电路结构、电源噪声以及地噪声等因素的影响，VCO的输出信号并不是一个理想的方波或正弦波，其输出信号存在一定的抖动，转换成频域后可以看出信号中心频率附近也会有较大的能量分布，即是所谓的相位噪声。VCO输出信号的抖动直接影响其他电路的设计，通常希望VCO的抖动越小越好。
(2)宽调频范围：VCO的调节范围直接影响着整个系统的频率调节范围，通常随着工艺偏差、温度以及电源电压的变化，VCO的锁定范围也会随着变化，因此要求VCO有足够宽的调节范围来保证VCO的输出频率能够满足设计的要求。
(3)稳定的增益：VCO的电压——频率非线性是产生噪声的主要原因之一，同时，这种非线性也会给电路设计带来不确定性，变化的VCO增益会影响环路参数，从而影响环路的稳定性。因此希望VCO的增益变化越小越好。
常见的压控振荡器主要有反相器型VCO、差分对型VCO以及LC型VCO。
反相器型VCO的核心是由奇数个反相器组成，振荡频率由每个反相器的延时以及反相器的个数决定的。每个单元的延时时间与流过反相器的电流、电压、工艺有关。这种结构的VCO优点是电路设计简单，振荡频率可以被设计得很高，但是它对电源或地的噪声比较敏感，相位抖动较大。
差分对型VCO主要由差分对延时构成，其环路构成如图2所示。差分延时单元由压控电流源、电阻负载以及NMOS管构成。通过控制压控电流源的电流控制振荡频率。差分对型VCO的优点是差分信号可以抑制地噪声或电源噪声，相位抖动较小，缺点是带宽有限，不适于高频应用。