本應(yīng)用筆記探討了實現(xiàn)無微調(diào)、固定頻率、中頻壓控振蕩器（VCO）所需的設(shè)計基礎(chǔ)，并指出了保證電路正常工作的挑戰(zhàn)。VCO 是大多數(shù)無線系統(tǒng)架構(gòu)中必不可少的組件。在雙變頻方法中，需要固定頻率的中頻VCO來控制從中頻到基帶和/或基帶到中頻的頻率轉(zhuǎn)換。

本文由兩部分組成，第1部分探討了實現(xiàn)無微調(diào)、固定頻率、中頻壓控振蕩器（VCO）所需的設(shè)計基礎(chǔ)，并指出了保證電路正常工作的挑戰(zhàn)。VCO 是大多數(shù)無線系統(tǒng)架構(gòu)中必不可少的組件。在雙變頻方法中，需要固定頻率的中頻VCO來控制從中頻到基帶和/或基帶到中頻的頻率轉(zhuǎn)換。

雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要兩個振蕩器。通常，第一個（RF VCO）在整個輸入通道頻率范圍內(nèi)調(diào)諧，第二個（IF VCO）以頻率規(guī)劃建立的單個頻率工作。RF VCO可用作模塊、IC或分立元件電路，模塊和IC更為常見。對于中頻VCO來說，市場上幾乎沒有小型、高性價比的模塊。可能的原因包括需要許多任意的IF頻率，以及需要大值電感器，這些電感器在生產(chǎn)中無法進(jìn)行激光調(diào)整（調(diào)整）。因此，IF VCO通常作為分立電路或IC的一部分實現(xiàn)。

Maxim率先推出了一款新型VCO IC，用于其他板級RF/IFIC缺乏該功能的無線系統(tǒng)。本文的第2部分將介紹該IC，討論其開發(fā)，并詳細(xì)介紹其實現(xiàn)的簡單且經(jīng)濟(jì)高效的應(yīng)用。

分立元件VCO提供足夠的自由度，以滿足大多數(shù)系統(tǒng)的性能目標(biāo)（調(diào)諧范圍、輸出功率、相位噪聲、電流消耗、成本等）。然而，對于產(chǎn)量更大、成本敏感的現(xiàn)代產(chǎn)品，生產(chǎn)線調(diào)整振蕩頻率是不可接受的。因此，RF工程師不得不設(shè)計一種在組裝過程中不需要調(diào)整的VCO，即無微調(diào)VCO。設(shè)計不是微不足道的。除了了解VCO設(shè)計基本原理外，還需要大量的RF工程工作，以確保設(shè)計正確居中，并且振蕩器在元件值、溫度和電源電壓的所有允許變化中調(diào)諧到所需頻率。以下討論在解釋無修整中頻VCO設(shè)計中的相關(guān)問題時，試圖培養(yǎng)對任務(wù)重要性的認(rèn)識。

VCO 拓?fù)?/p>

雖然幾種振蕩器拓?fù)淇捎糜跇?gòu)建實用的RF VCO，但Colpitts共集電極拓?fù)湟驯蛔C明在許多商用VCO模塊和無數(shù)分立VCO電路中取得成功（圖1）。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于從IF到RF的寬工作頻率范圍。

圖1.基本的科爾皮茨振蕩器。

靈活、低成本和合理的高性能VCO可以采用由低成本表面貼裝電感器和變?nèi)?a target="_blank">二極管組成的電感電容（LC）諧振電路構(gòu)成。振蕩器諧振電路是控制振蕩頻率的并聯(lián)諧振電路;電感或電容器的任何變化都會改變振蕩頻率。電感和變?nèi)荻O管可以將可變諧振實現(xiàn)為并聯(lián)或串聯(lián)模式網(wǎng)絡(luò)。

并行模式網(wǎng)絡(luò)可用于較低頻率，其中大值變?nèi)荻O管不切實際，電感值可以做得更大。并行模式配置還允許對振蕩器進(jìn)行直接分析。在本文的其余部分，無需微調(diào)的中頻VCO將使用Colpitts風(fēng)格的振蕩器，使用并聯(lián)模式LC諧振（圖2）。

圖2.在 VCO 中使用 Colpitts 拓?fù)洹?/p>

Colpitts振蕩器在幾本教科書中進(jìn)行了討論（Clarke and Hess 1978，Hayward 1994，Rohde 1998），并且已經(jīng)推導(dǎo)出各種方程來預(yù)測振蕩器的行為，特別是Colpitts拓?fù)洹Ｕ袷幤魍ㄟ^電路的反饋放大器模型進(jìn)行推廣。確切振蕩頻率的表達(dá)式可以通過在該模型中等同阻抗來得出，但這些表達(dá)式很麻煩，并且無法深入了解設(shè)計過程。

或者，可以以更簡單但不太準(zhǔn)確的方式分析Colpitts振蕩器，從而提供一組更清晰，更有洞察力且對一階振蕩器設(shè)計有用的設(shè)計方程。首先，可以將Colpitts振蕩器重新繪制為具有正反饋的LC放大器（圖3）。此視圖可用于計算環(huán)路增益、振蕩幅度和相位噪聲。為了預(yù)測啟動行為和振蕩頻率，還可以將原始電路重新繪制為負(fù)阻抗加諧振器結(jié)構(gòu)（圖 4）。來自這兩個視圖的方程被組合為一組用于Colpitts振蕩器的控制方程（Meyer 1998）。

圖3.LC 放大器型號。

圖4.反射放大器模型。

科爾皮茨振蕩器的基本設(shè)計公式

忽略寄生元素，此分析的基本方程假設(shè)CC》 C1和 C2和 C1》 C π（Cπ 是基極-發(fā)射極電容）。計算振蕩頻率（fO） 如下：

計算諧振電路的品質(zhì)因數(shù)（QT） 如下：

估計振蕩幅度如下：

按如下方式計算環(huán)路增益和啟動標(biāo)準(zhǔn)：

計算失調(diào)頻率 （f ） 下的科爾皮茨振蕩器相位噪聲 （PN）m） 從承運人處，如下所示：

無微調(diào)VCO方法

開發(fā)無修剪VCO在概念上相對簡單。如果振蕩器具有足夠的額外調(diào)諧范圍來克服產(chǎn)生頻率偏移的所有誤差源（例如，元件容差），則可以消除振蕩器頻率調(diào)整。乍一看，它似乎足夠直觀和簡單，只是為了提供大量的振蕩器調(diào)諧范圍并調(diào)出所有誤差源。然而，對于給定的調(diào)諧電壓范圍，有限的可變電容對頻率調(diào)諧范圍施加了基本限制，并且VCO的電氣性能要求通常會在達(dá)到該限制之前限制調(diào)諧范圍。

不幸的是，調(diào)諧范圍過大的振蕩器會帶來一些負(fù)面影響。非常寬的范圍需要變?nèi)荻O管與諧振二極管的重電容耦合，這大大降低了諧振二極管電路的Q值。其結(jié)果是相位噪聲更大（諧振幅與晶體管噪聲相比減小），對調(diào)諧線噪聲的靈敏度更高（直接轉(zhuǎn)化為頻率調(diào)制），變?nèi)荻O管兩端電壓擺幅過大的可能性，潛在的啟動問題，以及設(shè)計環(huán)路濾波器的更大挑戰(zhàn)。這些因素導(dǎo)致的結(jié)論是，過度的調(diào)諧范圍是不可取的。實際上，它不應(yīng)大于吸收所有錯誤源所需的最小值。

詞匯表

CO= 變?nèi)荻O管耦合電容

CT= 總電箱電容

C增值= 變?nèi)荻O管電容

fm= PN 的偏移頻率（以 Hz 為單位）

fO= 振蕩頻率

gm= 雙極晶體管（振蕩器）跨導(dǎo)

我n= 收集器散粒噪聲

我Q= 振蕩器晶體管偏置電流

QL= 電感 Q

QT= 油箱 Q

QV= 有效變?nèi)荻O管 Q

R情 商= 等效罐并聯(lián)電阻

RS= 變?nèi)荻O管串聯(lián)電阻

VO= 有效值儲罐電壓

更寬的調(diào)諧范圍通過兩個眾所周知的現(xiàn)象導(dǎo)致更大的振蕩器相位噪聲：諧振電路Q值的降低和調(diào)諧線上的噪聲。為了實現(xiàn)更寬的調(diào)諧范圍，變?nèi)荻O管必須更多地耦合到諧振電路中。這種耦合降低了C的Q值V（有效可變電容）如公式2所示。C 的較低 Q 值V根據(jù)公式6，降低電箱的凈Q值，從而增加相位噪聲。

降低相位噪聲的第二個因素是調(diào)諧輸入端的熱噪聲，它會產(chǎn)生FM邊帶噪聲。該噪聲隨著調(diào)諧范圍的增加而增加，并且可能超過振蕩器的固有相位噪聲。由熱噪聲引起的相位噪聲由下式給出：

在這兩種情況下，很明顯，相位噪聲會隨著調(diào)諧范圍的增加而降低。因此，為了在無微調(diào)VCO中保持低相位噪聲，提供足夠的調(diào)諧范圍以滿足保證帶寬并適應(yīng)預(yù)期的誤差源至關(guān)重要。

隨著變?nèi)荻O管耦合得更頻繁，變?nèi)荻O管兩端會出現(xiàn)更多的諧振電路電壓擺幅，必須限制變?nèi)荻O管的電壓擺幅，以避免變?nèi)荻O管正向偏置。這限制了諧振電路中的信號功率，從而限制了振蕩器的相位噪聲。最后，如果諧振電路等效串聯(lián)電阻（ESR）過高，則可能會出現(xiàn)啟動問題（參見公式）。具有非常寬頻率調(diào)諧范圍的VCO可能無法正常啟動，尤其是在極端溫度下。為了提供足夠的調(diào)諧范圍，問題是 - 多少？

振蕩頻率中的誤差源

無微調(diào)VCO的頻率調(diào)諧范圍增加，以適應(yīng)振蕩頻率中的誤差源。這些誤差源分為兩類：元件值誤差和設(shè)計居中誤差。當(dāng)然，設(shè)置振蕩頻率的LC元件并不理想。他們貢獻(xiàn)了以下內(nèi)容：

零件間差異（公差）

非理想性能（電感引起的頻率響應(yīng)有限， 引線中的電容和串聯(lián)電阻）

電路中的寄生電容和電感引起的誤差 布局

另一方面，設(shè)計居中誤差是由于設(shè)計過程中VCO調(diào)諧范圍的居中不確定性造成的。

元件公差誤差

影響LC振蕩器振蕩頻率的每個電容和電感元件的器件間精度有限，這種容差誤差會導(dǎo)致振蕩頻率誤差。表1列出了振蕩器中頻率設(shè)置元件的典型容差。

表 1.振蕩器頻率設(shè)置元件公差

元件寬容

變?nèi)荻O管±15%在V調(diào)整= 0.4V，

V 時為 ±10%調(diào)整= 2.4V

感應(yīng)器±5%

電容器±5%

寄生電容±10%

寄生電感±6%

振蕩器-器件阻抗±15%

設(shè)計居中錯誤

設(shè)計居中經(jīng)常被忽視，這是確定振蕩頻率的誤差來源。為了最大限度地利用可用的頻率調(diào)諧范圍，調(diào)諧限值必須相對于所需的振蕩頻率對稱。由于組件初始值或平均值建模不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的建立此中心點的任何錯誤都會減小可用于吸收誤差源的調(diào)諧范圍。為了保證溫度、電源電壓、元件容差等所有條件下的振蕩頻率，調(diào)諧范圍必須足夠?qū)捯匀菁{該誤差。

您可以使用振蕩頻率公式計算總頻率誤差，方法是將每個元素乘以變化比例因子：

計算由于各種誤差引起的凈頻率偏差的最快方法是利用電子表格程序，該程序包含基于電路中的L和C值的振蕩頻率的詳細(xì)公式。

頻移和調(diào)諧范圍

頻率調(diào)諧范圍，通過改變調(diào)諧電壓從V獲得調(diào)（低）到 V調(diào)（高），具有高頻和低頻端點 （f高和 f低） 具有“中心”頻率 （f中心） 定義為 f 之間的中點高和 f低 （圖5）。理想情況下，調(diào)諧范圍應(yīng)定位為 f中心在所需的振蕩頻率下（圖5a）。但是，元件誤差和以設(shè)計為中心的誤差可能會改變頻率調(diào)諧限制。

如果系統(tǒng)在最壞情況下提供的調(diào)諧電壓不足，則無法達(dá)到所需的振蕩頻率，從而導(dǎo)致頻率范圍不足（圖 5b）。顯然，必須仔細(xì)確定所需的調(diào)諧范圍。這是通過計算所有誤差源引起的頻率偏差并驗證f低《 fOSC和 f高》 fOSC在最壞的情況下（圖5c）。

圖5.調(diào)諧范圍和頻移。

設(shè)計驗證

一旦電路板布局和元件值選擇完成，設(shè)計就需要驗證和測量（甚至比大多數(shù)RF電路還要多）。通常，您必須檢查調(diào)諧范圍、啟動行為、相位噪聲等是否符合設(shè)計目標(biāo)。此外，必須在具有統(tǒng)計意義的制造運行次數(shù)上進(jìn)行測量，以確定調(diào)諧范圍和平均中心頻率，以及其相對于所需振蕩頻率的位置。

所有這些工作對于生產(chǎn)具有所需電氣性能的堅固、可重復(fù)的設(shè)計都是必要的。由于任務(wù)通常需要多次迭代，因此您可以輕松地花費數(shù)月時間才能實現(xiàn)可接受且值得生產(chǎn)的離散組件設(shè)計。開發(fā)無微調(diào)中頻VCO需要詳細(xì)的電路設(shè)計，包括所有誤差源，在電路板上進(jìn)行驗證，并對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，以確保可行的結(jié)果。Maxim推出了一款新型IC（將在第2部分介紹），解決了VCO設(shè)計問題，同時大幅縮短了實現(xiàn)免微調(diào)IFVCO所需的時間。

審核編輯：郭婷