变容二极管背靠背拓扑结构的性能分析

刘明鑫,房梦旭,唐　斌,冯文英

(1.成都航空职业技术学院 继续教育学院,四川 成都　610100;2.四川省金核环保工程有限公司,四川 成都　610015)



变容二极管背靠背拓扑结构的性能分析

刘明鑫1,房梦旭1,唐斌1,冯文英2

(1.成都航空职业技术学院 继续教育学院,四川 成都610100;2.四川省金核环保工程有限公司,四川 成都610015)

摘要针对变容二极管在实际应用电路中,由于非线性所造成的寄生调制、频率抖动、频率失真、AM to PM噪声引入等问题,文中采用变容二极管背靠背拓扑结构(BBS),通过改善压控线性度来降低电路RF调制、频率抖动、相位噪声等影响,既能抑制非线性导致的寄生调制现象,又简化了调节电压。为目前广泛应用变容管作为电调元件的电路提供了参考。

关键词变容二极管;背靠背拓扑;VCO;电调滤波器;调频电路

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

由于变容二极管的结电容可以随外加偏压的不同而变化,故可以用它来代替可变电容器。目前它已被广泛应用于LC调谐电路、RC滤波电路、电子调谐、自动频率控制、调幅、调频、调相等各个方面,在微波参量放大器、倍频器和变频器中都有应用[1]。因此,本文针对变容二极管在实际应用中,由于自身非线性所造成的寄生调制,频率抖动,频率失真,AM to PM噪声引人等问题,深入研究变容二极管单端拓扑SE,差分并联拓扑DP和背靠背串联拓扑BBS拓扑结构。通过分析得出,不同拓扑结构对改善自身的压控线性度有各自不同的效果。同时也有效的解决了变容二极管在实际应用中的问题。

1变容二极管原理

变容二极管的等效电路如图1所示。

图1　变容二极管的等效电路

(1)

式中,Cj为变容二极管的结电容;Cj0为变容管加零偏压时的结电容;VD为变容管PN结内建电位差(硅管VD=0.7V,锗管VD=0.3V);γ为变容二极管的电容变化指数,与频偏的大小有关;v为变容管两端所加的反向电压。在小频偏情况下,选γ=1的变容二极管可近似实现线性调频;在大频偏情况下,必须选γ=2的超突变结变容二极管,才能实现较好的线性调频。由式(1)可知,当方向电压增大时,结电容减小;反之,当反向电压(绝对值)减小时,结电容增大[2]。

图2　变容二极管的简化等效电路

2传统拓扑结构

由分析可知,变容二极管主要存在以下不足:(1)品质因数Q值不够高;(2)容易受温度影响;(3)变容二极管的串联电感会造成中心频率的偏移;(4)串联电阻会造成系统插入损耗的增加;(5)变容二极管的非线性带来的频率失真和寄生调制问题等。本文主要针对变容二极管在实际应用中存在的第(5)点不足,运用变容二极管不同的拓扑连接结构来弥补或降低压控非线性度对应用电路的影响。下面以LC串联谐振电路为例来详细分析不同拓扑结构的特性,并联谐振电路同样具有类似的规律。

2.1单端拓扑SE(Single-Ended)

单端拓扑的变容二极管配置是工程应用中最常用的一种结构,如图3所示。它具有电路简单、调谐方便、对调谐信号要求低等特点。但观察图4中SE拓扑结构C-V曲线图可发现,随交流V(t)电压信号的加入,最终导致C(t)也随之大幅变化,这就导致变容二极管电容量受控的不稳定。因此,SE拓扑结构交流信号的幅度噪声会对整个系统带来寄生调制效应[3]。此电路在对电路指标要求不高的场合可以使用。

图3　SE拓扑结构LC串联谐振

2.2差分平行拓扑DP(Differential Parallel)

差分平行拓扑的变容二极管配置如图5所示。观察图6中DP拓扑结构C-V曲线图可以发现,随交流V(t)电压信号的加入,当V(t)在正半轴递增时,CV1两端的反向电压递减,因此CV1的结电容增加,所以CV1的C-V曲线呈上升趋势。CV2相反,呈递减趋势。由于电路差分结构特点,交流通路总电容量为CV1+CV2,因此总电容C-V曲线最终呈抛物线型。因此DP拓扑结构能有效地抑制共模干扰,并且在VCO等电路应用中,可以有效地降低由1/f幅度噪声带来的1/f3相位噪声,即AM to PM引人噪声。

但是要特别注意,DP拓扑结构要精确控制差分电压信号Vtune和-Vtune,使两路差分变容二极管具有同步的频率变化曲线。否则对降低由幅度噪声带来的相位噪声的效果将严重不理想,甚至恶化[4]。此拓扑结构具有调谐方便,对调谐信号要求低等特点,主要应用在一些对共模信号干扰敏感的电路。

图5　DP拓扑结构LC串联谐振

图6　DP拓扑结构C-V曲线

同时,值得强调的是DP拓扑结构由于采用差分平行控制,两个变容二极管CV1和CV2是反相并联的。所以在实际电路应用中,为了尽量减小变容二极管串联电感带来的频率偏移等影响,在电路板PCB布局时可以借鉴DELL公司的专利6337798(两个去耦电容背靠背布局的优点),将两个变容二极管背靠背并排布局,这样就使得由流经它们的电流所形成的磁通相互抵消,可以使两个变容二极管串联电感产生的磁场影响相互抵消,使LS影响降到最小。这也是DP拓扑结构特有的优势之一。

3背靠背串联拓扑BBS

从变容管非线性角度讨论了SE和DP两种变容二极管拓扑结构在LC串联谐振电路中的特性。由上述内容可知,SE拓扑结构的变容二极管电容容量严重受外加交流信号的干扰,这一点严重影响了SE拓扑结构在实际电路中的应用,如果外加交流信号幅度足够大时,电路会发生很强的寄生调制和频率失真等现象[5-8]。DP拓扑结构的变容管电路虽然有良好的共模干扰抑制能力,但此拓扑要求差分输入的两路电压控制信号要严格精确控制,否则将达不到预期的共模干扰抑制作用,甚至有可能使信号严重恶化,对控制信号的苛刻要求限制了此拓扑电路在实际工程中的应用范围。基于SE和DP两种变容二极管拓扑结构所存在的问题,重点针对BBS拓扑结构的变容二极管从理论上进行研究,彻底了解该拓扑结构是如何解决以上两种拓扑所存在的问题。

3.1BBS拓扑结构

背靠背串联拓扑结构的变容二极管配置如图7所示。该拓扑结构是将特性相同的两个变容管“背对背”连接到电路中,这样如图8所示,当交变的振荡电压信号V(t)叠加到变容二极管两端,当其中一个变容管CV1容量变大时,而另一个变容二极管CV2容量会变小,因此总效果是CV1/CV2总容量基本保持不变。在Vtune=0 V时,随着V(t)的变化,C(t)基本保持C0不变。因此,BBS拓扑结构可以使变容二极管的总电容不受偏置电压上叠加的交流信号的影响,从而它能有效抑制RF高频信号带来的寄生调制现象;它提高了变容二极管的压控线性度,使变容二极管能够稳定地受直流偏压控制容值变化;同时也消除了变容二极管自身带来的频率抖动和频率失真,因此,该拓扑结构可以用于改善RF电调滤波器的频率性能。同时在VCO等电路应用中,与前两种拓扑结构比较,也可以更有效地降低AM to PM引人噪声。

图7　BBS拓扑结构LC串联谐振

图8　BBS拓扑结构C-V曲线

同时,由于变容二极管结电容会随温度变化而变化,其温度系数约为0.03~0.05%/℃,这在要求高的电路中使用可能产生失调及频率漂移。因此,将两个变容管反相串联组成BBS拓扑结构后,可使失调降低15~20 dB。另外,也可用一个硅二极管与之串联后进行温度补偿,可使温度系数下降至0.005%/℃的范围内。

3.2BBS拓扑实际应用举例

如图9所示,以一个LC电调滤波器电路为例[6],分析BBS拓扑结构在实际电路中带来的好处。

图9　应用BBS拓扑结构的LC电调滤波器

假设8个变容二极管参数完全相同,电容量均为C,串联电阻为Rs,串联电感为Ls。则可知

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)

通过计算可发现,不仅BBS拓扑结构提高了电路的压控线性度,减少了寄生调制和频率失真等问题,同时在上述具体应用电路中,4对背靠背串联的变容二极管还起到减小变容二极管串联电阻和串联电感的作用。根据文献可知,在应用LC谐振的电路中,变容二极管的串联电阻RS会造成电路插入损耗的增加,串联电感LS会造成中心频率的偏移。因此,可知BBS拓扑结构在上述LC电调滤波器电路中还起到减小插入损耗、稳定中心频率的作用。这在电调滤波器的设计中尤为重要。

4结束语

本文对变容二极管SE、DP、BBS共3种拓扑结构进行了分析和研究,SE拓扑结构具有电路简单、调谐方便特点,但压控线性度较差,容易引人RF调制和频率失真等。DP拓扑结构具有良好的共模干扰抑制,可以有效地抑制由幅度噪声引起的相位噪声现象,但该拓扑要求两路差分信号精确控制,否则将达不到预期效果,所以调谐电压条件比较苛刻。BBS拓扑结构则充分弥补了前两种拓扑的不足,既能达到抑制非线性导致的寄生调制现象,又简化了调节电压,使电路调节方便。同时在具体电路应用中多对BBS拓扑结构的变容二极管并联组合又可以产生满足不同电路的要求,例如LC电调滤波器中4对BBS组合可以减小串联电阻和电感,从而达到减小插损和稳定中心频率的效果。

因此,BBS拓扑结构的变容二极管在LC调谐电路、RC滤波电路、电子调谐、自动频率控制、调幅、调频、调相等各个方面应用有着很大的潜力。它们不同的组合可以起到优化不同参数的效果,从而满足具体电路不同的参数需求。

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中图分类号TN312+.1

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-137-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.035

作者简介:刘明鑫(1987—),男,硕士,助教。研究方向:信号与信息处理。

基金项目:中国博士后科学基金面上资助项目(2012M511919)

收稿日期:2015- 07- 13