本應(yīng)用筆記探討了實(shí)現(xiàn)無微調(diào)、固定頻率、中頻壓控振蕩器（VCO）所需的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)無微調(diào)、固定頻率、中頻壓控振蕩器（VCO）所需的設(shè)計(jì)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(gè)振蕩器。通常，第一個(gè)（RF VCO）在整個(gè)輸入通道頻率范圍內(nèi)調(diào)諧，第二個(gè)（IF VCO）以頻率規(guī)劃建立的單個(gè)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(jià)比的模塊?？赡艿脑虬ㄐ枰S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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)不是微不足道的。除了了解VCO設(shè)計(jì)基本原理外，還需要大量的RF工程工作，以確保設(shè)計(jì)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(jì)中的相關(guān)問題時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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，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)?。振蕩器通過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(jì)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(jì)有用的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)視圖的方程被組合為一組用于Colpitts振蕩器的控制方程（Meyer 1998）。

科爾皮茨振蕩器的基本設(shè)計(jì)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(jì)算振蕩頻率（fO） 如下：

計(jì)算諧振電路的品質(zhì)因數(shù)（QT） 如下：

估計(jì)振蕩幅度如下：

按如下方式計(jì)算環(huán)路增益和啟動標(biāo)準(zhǔn)：

計(jì)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(yùn)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?。?，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(jì)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(shí)際上，它不應(yīng)大于吸收所有錯(cuò)誤源所需的最小值。

更寬的調(diào)諧范圍通過兩個(gè)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(shí)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(gè)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(jì)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(jì)居中誤差是由于設(shè)計(jì)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(gè)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

設(shè)計(jì)居中錯(cuò)誤

設(shè)計(jì)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(diǎn)的任何錯(cuò)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(jì)算總頻率誤差，方法是將每個(gè)元素乘以變化比例因子：

計(jì)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(diǎn) （f高和 f低） 具有“中心”頻率 （f中心） 定義為 f 之間的中點(diǎn)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(jì)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(jì)算所有誤差源引起的頻率偏差并驗(yàn)證f低《 f理學(xué)學(xué)士。和 f高》 f理學(xué)學(xué)士。在最壞的情況下（圖5c）。

圖5.調(diào)諧范圍和頻移。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證

一旦電路板布局和元件值選擇完成，設(shè)計(jì)就需要驗(yàn)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(jì)目標(biāo)。此外，必須在具有統(tǒng)計(jì)意義的制造運(yùn)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(jiān)固、可重復(fù)的設(shè)計(jì)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(fèi)數(shù)月時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)可接受且值得生產(chǎn)的離散組件設(shè)計(jì)。開發(fā)無微調(diào)中頻VCO需要詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)，包括所有誤差源，在電路板上進(jìn)行驗(yàn)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(jì)問題，同時(shí)大幅縮短了實(shí)現(xiàn)免微調(diào)IFVCO所需的時(shí)間。