壓控振蕩器

其特性用輸出角頻率ω0與輸入控制電壓uc之間的關係曲線(圖1)來表示。圖中,uc為零時的角頻率ω0,0稱為自由振蕩角頻率；曲線在ω0,0處的斜率K0稱為控制靈敏度。在通信或測量儀器中，輸入控制電壓是欲傳輸或欲測量的信號（調製信號）。人們通常把壓控振蕩器稱為調頻器，用以產生調頻信號。在自動頻率控制環路和鎖相環環路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環路中的一個受控部件。

壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對壓控振蕩器的技術要求主要有：頻率穩定度好、控制靈敏度高、調頻範圍寬、頻偏與控制電壓成線性關係並宜於集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩定度高，但調頻範圍窄；RC壓控振蕩器的頻率穩定度低而調頻範圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。

在任何一種LC振蕩器中，將壓控可變電抗元件插入振蕩迴路就可形成LC壓控振蕩器。早期的壓控可變電抗元件是電抗管，後來大都使用變容二極體。圖 2是克拉潑型LC壓控振蕩器的原理電路。圖中，T為晶體管，L為迴路電感，C1、C2、Cv為迴路電容,Cv為變容二極體反向偏置時呈現出的容量;C1、C2通常比Cv大得多。當輸入控制電壓uc改變時，Cv隨之變化，因而改變振蕩頻率。這種壓控振蕩器的輸出頻率與輸入控制電壓之間的關係為

式中C0是零反向偏壓時變容二極體的電容量；φ 是變容二極體的結電壓；γ 是結電容變化指數。為了得到線性控制特性，可以採取各種補償措施。

RC壓控振蕩器 在單片集成電路中常用RC壓控多諧振蕩器（見調頻器）。

在用石英晶體穩頻的振蕩器中，把變容二極體和石英晶體相串接，就可形成晶體壓控振蕩器。為了擴大調頻範圍，石英晶體可用AT切割和取用其基頻率的石英晶體，在電路上還可採用展寬調頻範圍的變換網路。

在微波頻段，用反射極電壓控制頻率的反射速調管振蕩器和用陽極電壓控制頻率的磁控管振蕩器等也都屬於壓控振蕩器的性質。壓控振蕩器的應用範圍很廣。集成化是重要的發展方向。石英晶體壓控振蕩器中頻率穩定度和調頻範圍之間的矛盾也有待於解決。隨著深空通信的發展，將需要內部雜訊電平極低的壓控振蕩器。

VCO的實際應用電路

某彩色電視接收機VHF調諧器中第6-12頻段的本振電路如圖所示電路中，控制電壓VC為0.5-30V，改變這個電壓，就使變容管的結電容發生變化，從而獲得頻率的變化。由圖(3)可見，這是一典型的西勒振蕩電路，振蕩管呈共集電極組態，振蕩頻率約為170-220MHz ，這種通過改變直流電壓來實現頻率調節的方法，通常稱為電調諧，與機械調諧相比它有很大的優越性。

1.中心頻率

是指頻率調節範圍的中間值，即振蕩器頻率的最大值和最小值的中間值，中心頻率的大小取決于振盪器的結構和元器件參數，而且還隨著工藝和溫度相應改變；隨著科學技術的不斷發展和產品性能的調高，現如今CMOS壓控振蕩器的中心頻率能夠達到10GHz。

2.調諧範圍

是指調節輸出頻率的變化範圍，即振蕩器的最大調諧頻率和最小調諧頻率的差值 壓控振蕩器要有足夠大的調諧範圍才能滿足輸出頻率達到所需要的值。

3.調諧增益

即壓控振蕩器的靈敏度，是指單位的輸入電壓與輸出頻率的變化，一般用Kv表示，單位是Hz/V，在實際應用上講，壓控器的靈敏度越高，雜訊響應在控制線路上越強，結果乾擾輸出頻率就越大，就會使壓控振蕩器的雜訊性能降低。所以需要尋找VCO的增益和雜訊性能的平衡。

4.輸出振幅

即VCO輸出頻譜的峰值。通過優化相位雜訊，就要儘可能的加大輸出電壓時的幅值，從而會使壓控增益 降低。不斷減少，要提高輸出的幅值尤其重要伴隨著CMOS工藝的不斷發展，輸入電壓不斷減少，要提高輸出的幅值尤其重要。

5.調諧線性度

就是指壓控增益，理想的壓控振蕩器其是常數，實際工作中壓控振蕩器的表現是非線性的，要想在整個調諧範圍內使。為常數，盡量使其在調諧範圍內變化最小。

6.相位雜訊

振蕩器進入穩定狀態時，電路中的雜訊干擾電路工作，這就是相位雜訊。單位是dBc/Hz.

7.功耗

在工作中，電路中的雜訊、降低功耗是CMOS壓控振蕩器主要的研究方向，振蕩器的功耗與工作的頻率、輸入的電壓及輸出的頻率大小等有密切聯繫。目前振蕩器功耗能達到一到幾十mW。

徠8.其他性能指標

輸出頻率的頻譜密度，由於雜訊等其他影響，輸出的波形並不是理想波形，為了盡量使其達到理想波形，設計電路時要抑制諧波的存在；電源與共模抑制，電源雜訊對壓控振蕩器影響也較大，為了達到較好的共模抑制，在設計時要視情況採取差動線路或其他線路。

壓控振蕩器常被用在：

1、訊號產生器。

2、電子音樂中用來製造變調。

3、鎖相迴路。

4、通訊設備中的頻率合成器。

利用壓控振蕩器來控制頻率

高頻壓控振蕩器的電壓控制頻率部份, 通常是用變容二極體C 與電感 L, 所接成的 LC 諧振電路。提高變容二極體的逆向偏壓, 二極體內的空泛區會加大, 兩導體面之距離一變長, 電容就降低了, 此 LC 電路的諧振頻率, 就會被提高. 反之, 降低逆向偏壓時, 二極體內的電容變大, 頻率就會降低.

而低頻壓控振蕩器則依照不同頻率而選擇不同的方法，例如以改變對電容的充電速率為手段來得到一個電壓控制的電流源。參見波型產生器。

電壓控制的晶振器

一個“壓控石英振蕩器（voltage-controlled crystal oscillator, VCXO）”通常被使用在下列場合：當頻率需要在小範圍內的調整時、當正確的頻率或相位對於振蕩器而言是十分重要時、利用不同電壓來當作控制源的振蕩器、用來分散在某個頻率範圍內的干擾使該頻段不受到太大的影響。壓控石英振蕩器的典型頻率變化在數十個 ppm 之間，這是因為高品質係數（Quality Factor, or Q Factor）的石英振蕩器只會產生少量的頻率範圍位移。

當射頻電路發射（transmitter）電波時會有熱量產生而發生頻率漂移，而使得“溫度補償壓控石英振蕩（temperature-compensated VCXO, TCVCXO)”被廣泛的使用，因為 TCVCXO 不會受到溫度的影響而改變其壓電特性。