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標(biāo)簽 > VCO
VCO即壓控振蕩器，是射頻電路的重要組成部分。 射頻電路多采用調(diào)制解調(diào)方式，因此嚴(yán)重依賴本振。本文詳細(xì)介紹了vco電路，vco的工作原理，壓控振蕩器，vco設(shè)計等內(nèi)容
VCO即壓控振蕩器，是射頻電路的重要組成部分。 射頻電路多采用調(diào)制解調(diào)方式，因此嚴(yán)重依賴本振。而現(xiàn)代通信技術(shù)要求復(fù)用、跳頻等新技術(shù)，采用電壓控制振蕩回路中電容的電容量，進(jìn)而改變振蕩回路諧振頻率就成為實現(xiàn)這些技術(shù)的手段之一。
VCO即壓控振蕩器，是射頻電路的重要組成部分。 射頻電路多采用調(diào)制解調(diào)方式，因此嚴(yán)重依賴本振。而現(xiàn)代通信技術(shù)要求復(fù)用、跳頻等新技術(shù)，采用電壓控制振蕩回路中電容的電容量，進(jìn)而改變振蕩回路諧振頻率就成為實現(xiàn)這些技術(shù)的手段之一。
設(shè)計介紹
電壓控制
藍(lán)牙收發(fā)器
◆藍(lán)牙發(fā)射器 藍(lán)牙無線信號采用高斯頻移鍵控（GFSK）方式調(diào)制，發(fā)射數(shù)據(jù)（Tx）通過高斯濾波器濾波后，用濾波器的輸出對VCO頻率進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)串行輸入數(shù)據(jù)流邏輯電平，VCO頻率會從其中心頻率向正負(fù)兩端偏離，偏移量決定了發(fā)射器的調(diào)制指數(shù)，調(diào)制的信號經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去。
藍(lán)牙無線信號在半雙工模式下工作，用一個RF多路復(fù)用開關(guān)（位于天線前）將天線連接到發(fā)射或接收模式。
藍(lán)牙
與設(shè)備接收部分相似，從另一個藍(lán)牙設(shè)備發(fā)射來的GFSK信號也是由天線接收的。在這期間，開關(guān)與低噪聲放大器（LNA）相連，對接收到的信號（Rx）進(jìn)行放大。下一級混頻器將接收信號下變換到IF頻率（一般為幾MHz），進(jìn)行該步驟時用于發(fā)射的PLL/VCO部分作為接收器下變頻本機(jī)振蕩器使用，將IF信號解調(diào)并恢復(fù)出數(shù)據(jù)。
擴(kuò)展頻譜
藍(lán)牙無線通信的一個獨(dú)特之處就是它使用了擴(kuò)頻技術(shù)，該技術(shù)原來是為軍事應(yīng)用開發(fā)的，因為軍事應(yīng)用中無線數(shù)據(jù)傳送必須安全可靠。傳統(tǒng)意義上的窄帶應(yīng)用要消耗更多功率，在一個頻率上停留的時間很長，因此頻譜很容易被檢測到；而將發(fā)射器功率分配（擴(kuò)展）到更大的帶寬上之后，此時信號看起來更像隨機(jī)噪聲，這相當(dāng)于犧牲帶寬效率來換取可靠性和安全性。由于功率密度較低，這些系統(tǒng)對其它信號接收器干擾小，而且即便存在信號丟失頻段，數(shù)據(jù)也可以在其它頻率恢復(fù)，從而增強(qiáng)了對干擾和噪聲的抵抗能力。兩種最主要的擴(kuò)頻形式是跳頻（FHSS）和直接序列（DSSS），用原始數(shù)據(jù)對載波進(jìn)行調(diào)制并使用與每個鏈路端點(diǎn)跳頻代碼一致的頻率范圍發(fā)射時（圖2）使用FHSS系統(tǒng)。采用這種方式后，由于某個頻率干擾而丟失的數(shù)據(jù)可以通過另一個頻率發(fā)射，F(xiàn)HSS中的擴(kuò)展代碼生成器直接用GFSK調(diào)制技術(shù)對載波頻率進(jìn)行調(diào)制。
振蕩器自其誕生以來就一直在通信、電子、航海航空航天及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演重要的角色，具有廣泛的用途。在無線電技術(shù)發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機(jī)中用來產(chǎn)生高頻載波電壓，在超外差接收機(jī)中用作本機(jī)振蕩器，成為發(fā)射和接收設(shè)備的基本部件。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，振蕩器的用途也越來越廣泛，例如在無線電測量儀器中，它產(chǎn)生各種頻段的正弦信號電壓：在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設(shè)備中，它產(chǎn)生大功率的高頻電能對負(fù)載加熱;某些電氣設(shè)備用振蕩器做成的無觸點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行控制;電子鐘和電子手表中采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路作為定時部件等。尤其在通信系統(tǒng)電路中，壓控振蕩器（VCO）是其關(guān)鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復(fù)電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說在電子通信技術(shù)領(lǐng)域，VCO幾乎與電流源和運(yùn)放具有同等重要地位。
對振蕩器的研究未曾停止過。從早期的真空管時代到后期的晶體管時代，無論是理論上還是電路結(jié)構(gòu)和性能上，無論是體積上還是制作成本上無疑都取得了飛躍性的進(jìn)展，但在很長的一段時期內(nèi)都是處在用分離元件組裝而成的階段，其性能較差，成本相對較高，體積較大和難以大批量生產(chǎn)。隨著通信領(lǐng)域的不斷向前推進(jìn)，終端產(chǎn)品越來越要求輕、薄、短、小，越來越要求低成本、高性能、大批量生產(chǎn)，這對于先前的分離元件組合模式將不再勝任，并提出新的要求和挑戰(zhàn)。集成電路各項技術(shù)的發(fā)展迎合了這些要求，特別是主流CMOS工藝提供以上要求的解決方案，單片集成振蕩器的研制取得了極大的進(jìn)步。
然而，由于工藝條件的限制，RF電路的設(shè)計多采用GaAs， Bipolar， BiCMOS工藝實現(xiàn)，難以和主流的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成。因此，優(yōu)性能的標(biāo)準(zhǔn)的CMOS VCO設(shè)計成為RF電路設(shè)計的熱門課題。
vco振蕩器
VCO是一個簡單的LC振蕩器，可以采用直流輸入控制電壓改變其輸出頻率。可以使用變?nèi)荻O管來達(dá)到這個目的。這些二極管根據(jù)直流電壓來改變電容值。
當(dāng)被放在LC振蕩器的振蕩回路中時，振蕩回路的諧振頻率，也就是振蕩器的諧振頻率，在靜態(tài)頻率（或中心頻率）上下變化。靜態(tài)頻率由變?nèi)荻O管兩端的DC偏置產(chǎn)生，一般初始值被設(shè)置為某個中間值。因此，通過升高或降低靜態(tài)偏執(zhí)只，振蕩器的頻率可以在一個大范圍內(nèi)變動。
在VCO電路中，有兩種不同的變?nèi)荻O管。一種是突變性變?nèi)荻O管，具有很高的Q值和較低的相位噪聲，在整個電容值范圍內(nèi)其輸入電壓的調(diào)節(jié)范圍也很寬（0~50V）。這點(diǎn)說明變?nèi)荻O管的調(diào)諧靈敏度不高。另外，突變二極管的電容值變化范圍很小，可能失真也很小。
另一種是超圖變性變?nèi)荻O管，為了提高靈敏度，電壓調(diào)節(jié)范圍大約是0~20V，所以經(jīng)常應(yīng)用在寬帶和低電壓情況下。與突變二極管相比，超突變二極管具有較低的Q值和較大的相位噪聲。
兩種類型的變?nèi)荻O管都具有0V電容特性，但是由于非線性和Q值問題，二極管的兩端總是至少有0.1V的電壓，有時會更高。
壓控振蕩器（VCO）的設(shè)計
壓控振蕩器（以下簡稱VCO）已經(jīng)成為當(dāng)今無線收發(fā)器系統(tǒng)中不可缺少的模塊， 它是鎖相環(huán)中最重要的block， 他的噪聲性能直接決定了PLL輸出相位噪聲的噪聲性能。 有關(guān)PLL整體的分析和設(shè)計， 我們將在后期重點(diǎn)討論。 這里先重點(diǎn)討論一下VCO的理論， 設(shè)計以及對于廣大初學(xué)者最為關(guān)心的設(shè)計注意點(diǎn)。
根據(jù)參考書的理論， 振蕩器其實就是帶有”設(shè)計缺陷”的放大器， 分析振蕩器原理主要有兩個方法， 第一。 負(fù)反饋理論
ABS（H（jw））》1， 并且deg（H（jw）） =180度， 注意， 這里180度指的是反饋回路是與輸入信號相減再輸入到放大器A中的， 而放大器A的增益絕對值實際上要至少要為1dB， 而不是理論上的0dB.
第二， 負(fù)阻抗分析法， 這種方法原理簡單， 形象明了， 不僅用于振蕩器分析， 也經(jīng)常用于帶有反饋結(jié)構(gòu)電路的振蕩與否的分析。
振蕩器常用的類型有環(huán)形振蕩器， LC振蕩器， 前者主要應(yīng)用于低頻模擬設(shè)計中， 今天我們主要談一下LC振蕩器的設(shè)計， 現(xiàn)在IC芯片設(shè)計中， 比較流行的LC差分結(jié)構(gòu)， 核心差分管可以是MOS， 也可以是bipolar， biploar結(jié)構(gòu)一般頻率設(shè)計的可以較高， 相同電流下易起振（gm較大） ， 而MOS管還可以分為NMOS型和PMOS型， 在CMOS工藝下， 比如在64QAM以上的調(diào)制的系統(tǒng)中， 對相位噪聲的性能要求較高， 則一般設(shè)計成PMOS結(jié)構(gòu)。
圖2. NMOS型VCO
一般判斷NMOS型VCO是否起振的條件為Rp-2/gm》0， Rp為平行諧振回路的總阻抗（Rl//Rc//Rother）， gm為單個NMOS管子開環(huán)時的gm，
圖3 bipolar LC VCO
判斷bipolar型VCO是否起振的條件為Rp-1/gm》0， 注意與上式的區(qū)別， gm只要大于1/Rp即可起振， 而NMOS型， gm要大于2/Rp才能起振， 也就是說相同的振蕩頻率， 振蕩范圍， bipolar型VCO所需要的功率消耗是mos的一半， 這也是為什么在高頻振蕩電路中， 現(xiàn)在還往往選用bipolar型VCO結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在最流行的設(shè)計結(jié)構(gòu)即圖3所示， 筆者在VCO設(shè)計中， 有一定的經(jīng)驗和專利， 如果詳細(xì)談VCO的設(shè)計的話， 可能篇幅會很長， 這里主要談一下其設(shè)計要點(diǎn)。
1） 關(guān)于inductor的設(shè)計
一般受process工藝的限制， ind的選用也有諸多限制， 比如沒有全差分型的ind， 或者ind的寄生電阻值較大， 導(dǎo)致Rp變大， 增加設(shè)計難度。 如果有條件設(shè)計ind的話， 我們會碰到如何對ind參數(shù)抽出及仿真的問題， 這里我會另設(shè)一篇文章專門談?wù)刬nd的設(shè)計， 等效電路建立， 參數(shù)提取，以及如何通過S參數(shù)測試實際的電感值和Q值， R值。
總的來說， 在設(shè)計VCO的時候， 最好對ind先進(jìn)行AC仿真， 了解你所使用的ind的Q曲線， freq曲線等特性。
2） 圖3中基極電容的作用
基極電容可是使vco振蕩信號幅度加大， 使其在非放大區(qū)也能工作。 電容要取適當(dāng)， 太大相當(dāng)于增加寄生電容， 頻率下降， 太小隔離作用減小， 輸出信號幅度減少。
3） 關(guān)于varactor
Varactor一般也分MOS型和PN型， MOS型一般可變范圍在-0.5-+0.5V， 變化率較陡， 范圍較窄， 而PN型一般在0-Vdd之間都變法， 范圍較寬， 但是PN型由于要反向加偏壓的緣故， 需要與其串接一個電容（直流隔離）， 這個電容的大小又反過來影響了varactor的可變范圍。 PN還有一個缺點(diǎn)，就是它的溫度特性要比MOS來的大， 也就是用它來設(shè)計的VCO的溫度特性需要特別注意， 如果過大， 則需要采取一些溫度補(bǔ)償措施來防止溫度變化中PLL的失鎖問題的出現(xiàn)。
這里還有一點(diǎn)需要注意， 從Vctrl端看VCO， 往往存在較大的寄生電容， 所以在設(shè)計PLL的環(huán)形濾波器時， 需要把其考慮進(jìn)去
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類別：工控技術(shù) 2020-10-26 標(biāo)簽：振蕩器VCO結(jié)構(gòu)圖
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