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免調(diào)中頻VCO的實現(xiàn) MAXIM北京辦事處 徐繼紅 編譯 ---- 分立元件VCO能夠提供足夠的自由度來滿足大多數(shù)系統(tǒng)的性能要求（調(diào)諧范圍、輸出功率,、相位噪聲,、電流消耗等等）。然而,，對于具有較大批量、價格敏感的現(xiàn)代產(chǎn)品，振蕩頻率的生產(chǎn)線調(diào)整是不可接受的,。這迫使射頻工程師必須設(shè)計出一個不需要在安裝過程中調(diào)整的VCO，即免調(diào)節(jié)VCO,。這項設(shè)計任務(wù)并不簡單,，除了要掌握VCO的基本設(shè)計原理外，還需要射頻工程師花費大量精力來保證設(shè)計的一致性，而且在各種因素（如元件參數(shù),、溫度及電源電壓等）允許的變化范圍內(nèi),，振蕩器始終調(diào)諧在正確的頻率。本文試圖對這項任務(wù)的重要性給出一個評價,，同時解釋一些和免調(diào)節(jié)中頻VCO設(shè)計有關(guān)的問題,。
VCO結(jié)構(gòu)
----有多種可行的振蕩器結(jié)構(gòu)都可用于構(gòu)建一個實用的射頻VCO，其中一種已經(jīng)在許多商品化VCO模塊和不計其數(shù)的分立VCO電路中得到了成功應(yīng)用,，這就是Colpitts共集電極電路（圖1）,。該結(jié)構(gòu)可用于很寬的工作頻率范圍，從中頻直到射頻,。
圖1:基本Colpitts振蕩器 ---- 靈活,、廉價、并具有足夠高性能的VCO可基于一個由廉價的表貼電感和變?nèi)荻O管組成的電感-電容（LC）諧振槽路組成,。振蕩器槽路是一個并聯(lián)諧振電路,，控制著振蕩頻率，電感或電容的任何變化都會改變振蕩頻率,。電感和壓變電容能夠以并聯(lián)或串聯(lián)模式的網(wǎng)絡(luò)形式實現(xiàn)可變諧振,。并聯(lián)模式網(wǎng)絡(luò)（圖2）可用于較低頻率，因為大值壓變電容難以實現(xiàn)而電感可以做得比較大,。并聯(lián)模式配置還使于對振蕩器做直觀地分析,。
圖2:Colpitts結(jié)構(gòu)用于VCO ---- 對于Colpitts振蕩器可以采用一種簡化的、精確性稍差的方法來加以分析,，并得到一組更清晰,、更直觀的設(shè)計方程，有助于一階振蕩器的設(shè)計,。首先,，Colpitts振蕩器可重畫為一個帶有正反饋的LC放大器（圖3）。這個視點易于計算環(huán)路增益,、振蕩幅度和相位噪聲,。為了描述啟動過程和振蕩頻率，最初的電路也可重畫為一個負阻加諧振器結(jié)構(gòu)（圖4）,。從上述兩個視點得到的一系列方程聯(lián)合起來構(gòu)成一組Colpitts振蕩器的設(shè)計方程（Meyer 1998）,。
圖3：LC放大器模型
圖4：映像放大器模型 Colpitts振蕩器的基本設(shè)計方程
---- 在圖2中，不考慮分布參數(shù),，并假定CC>>C1和C2,，并有C1>Cπ（Cπ為三極管基-射結(jié)電容）。振蕩頻率可按下式計算：
----f0=1/(2π√(L*CT)), CT=CV+C12...........................(1)
----CV=(CVAR*C0)/(CVAR+C0), C12=(C1*C2)/(C1+C2)
----諧振電路的品質(zhì)因數(shù)（QT）可按下式計算：
----QV≌1/(2π*CV*RS*F0), RQC=QV2*RS..........................(2)
----QT≌REQ/(2π*L*F0), REQ=RQL‖RQC
----振蕩幅度可按下式估算：
---- V0=2*IQ*REQ*(J1(β)/J0(β)), V0=IQ*REQ*1.4.............(3)
----環(huán)路增益和起振條件按下式計算：
----環(huán)路增益=gm*REQ*1/n, 當n=(C1+C2)/C2.......................(4)
----起振條件：
---- gm/((2π*C1*f0)(2π*C2*f0))>>(REQ/QT2)....................(5)
----距離中心頻率一定頻偏（fm）處Colpitts振蕩器的相位噪聲（PN）可按下式計算：
---- PN=in2*(1/V02)*[f0/(2Q0)]2*(REQ2/fm).....................(6)
---- 上述公式中：Co=壓變電容耦合電容：CT=總諧振電容,；CVAR=壓變電容,；fm=以Hz為單位的相位噪聲頻偏,；fo=振蕩頻率；gm=雙極晶體管跨導(dǎo),；in=集電結(jié)散粒噪聲,；IQ=振蕩晶體管偏流；QL=電感Q,；QT=諧振電路Q,；QV=等效壓變電容Q；REQ=諧振電路等效并聯(lián)電阻,；RS=壓變電容串聯(lián)電阻,； VO=諧振電壓均方根值。
免調(diào)節(jié)VCO的設(shè)計考慮
---- 免調(diào)節(jié)VCO從概念上講非常簡單,。只要振蕩器具有足夠?qū)捲５恼{(diào)諧范圍來消除所有的誤差源（如元件容差）所引起的頻率偏移，振蕩頻率的調(diào)整就可以省去,。初看起來,，這項任務(wù)非常簡單明了，只需提供足夠的調(diào)諧范圍來覆蓋所有的誤差源即可,。然而,，對于一個給定的調(diào)諧電壓范圍，有限的可變電容限制了頻率調(diào)諧范圍,，而且,，VCO的電性能要求往往進一步將調(diào)諧范圍限制在更窄的區(qū)間內(nèi)。另外,，過大的調(diào)諧范圍還會給振蕩器帶來一些負面影響,。很寬的調(diào)諧范圍要求壓變電容至槽路間有很重的容性耦合，這會嚴重降低諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q,。所帶來的結(jié)果便是更大的相位噪聲,、對調(diào)諧線噪聲更為敏感、壓變電容兩端過大的電壓擺幅,、潛在的啟動問題等,，并給環(huán)路濾波器設(shè)計帶來很大的困難。
---- 較寬的調(diào)諧范圍可通過兩個容易理解的途徑增大振蕩器的相位噪聲：降低諧振電路Q值和調(diào)諧線噪聲的影響,。要獲得更寬的調(diào)諧范圍,，壓變電容必須通過一個更大的電容耦合到諧振電路。這會降低CV（等效可變電容）的Q值,，如方程（2）所示,。CV的Q值降低同時使諧振電路凈Q值也降低，因而導(dǎo)致相位噪聲增加,，如方程（6）所示,。致使相位噪聲增加的第二個因素是調(diào)諧輸入端的熱噪聲，它會產(chǎn)生頻率調(diào)制的邊帶噪聲。該項噪聲隨著調(diào)諧范圍而增加,，并有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可由下式計算：
PN=201og[√2*KV*Vn/(2*fm)], ---- 顯然，兩種情況的相位噪聲都隨著調(diào)諧范圍的增加而增大,。因此要便免調(diào)節(jié)VCO保持較低的相位噪聲,，至關(guān)重要的是設(shè)定一個恰當?shù)恼{(diào)諧范圍，保證帶寬要求并能容納各種可預(yù)見的誤差源,。由于壓變電容耦合的加重,，更多的諧振電壓擺幅會出現(xiàn)在壓變電容兩端，而壓變電容電壓的擺幅必須加以限制以防壓變電容被正向偏置,。這就限制了諧振電路中的信號功率,，因而也就影響到振蕩器的相位噪聲。最后,，當諧振電路的等效串聯(lián)電阻過大時還會帶來起振問題（參見基本方程）,。頻率調(diào)諧范圍過寬的VCO可能無法正常起振，尤其是在極限溫度下,。那么,，要實現(xiàn)恰當?shù)恼{(diào)諧范圍，首先碰到的問題就是確定恰當?shù)恼{(diào)諧范圍,。
影響振蕩率的誤差源
---- 為了適應(yīng)影響振蕩頻率的各種誤差源,，免調(diào)節(jié)VCO的頻率調(diào)諧范圍必須增加。這些誤差源可分為兩類：元件參數(shù)誤差和設(shè)計對準誤差,。設(shè)定振蕩頻率的LC元件當然是非理想的,，它們會帶來以下問題：
---- 附表列出了振蕩器中頻率設(shè)定元件的典型容差,。另一方面,，設(shè)計過程中在對準VCO調(diào)諧范圍時的不確定因素還會導(dǎo)致設(shè)計對準誤差。設(shè)計對準作為一個振蕩頻率建立中的誤差來源常常被忽視,。為了充分利用現(xiàn)有的頻率調(diào)諧范圍,，調(diào)諧邊界必須相對于預(yù)期的振蕩頻率相對稱。在建立這個中心點時的任何誤差,，主要是由元件模型的初始值或平均值的不精確性而引起,，都會降低可用的調(diào)諧范圍。為了在各種溫度,、電源電壓,、元件容差等條件下保證振蕩頻率,，調(diào)諧范圍必須足夠?qū)挘员闳菁{該誤差,?？梢岳谜袷庮l率公式計算出總的頻率誤差，只需對其中的每項元素乘以一個比例因子即可,。
頻率偏移和調(diào)諧范圍
---- 頻率調(diào)諧范圍可通過改變調(diào)諧電壓獲得,，從VTUNE（LOW）到VTUNE（HIGH），具有高,、低頻率邊界（fHIGH和flow）和一個位于fHIGH和fLOW中點的“中心”頻率（fcenter）（圖5）,。理想情況下，調(diào)諧范圍應(yīng)安排在使fCENTER恰好位于期望頻率的位置（圖5a）,。然而,，元件誤差和設(shè)計對準誤差可能會使頻率調(diào)諧區(qū)間發(fā)生偏移。如果在最差情況下,，系統(tǒng)提供的調(diào)諧電壓不足,，不能獲得足夠的頻率調(diào)諧范圍，則期望的振蕩頻率就無法達到（圖5b）,。顯然，仔細確定調(diào)諧范圍需求是很有必要的,。這可能過以下方法實現(xiàn),，首先計算出所有誤差源所引起的頻率偏差，然后確定最差情況下的fLOWfOSC且fHIGH>fOSC（圖5c）,。
設(shè)計驗證
---- 線路板布局和元件選擇完成之后,，還需要對設(shè)計進行驗證和測試。通常,，必須檢查調(diào)諧范圍,、啟動性能、相位噪聲等等性能是否符合設(shè)計要求,。此外,，測試必須基于一個統(tǒng)計有效的生產(chǎn)流程數(shù)量之上，以使確定調(diào)諧范圍和平均中心頻率,，以及它們相對于預(yù)期振蕩頻率的相對位置,。所有這些工作都是得到一個穩(wěn)定的、可重復(fù)生產(chǎn)并具有預(yù)期性能的設(shè)計所必需的,。Maxim公司已開發(fā)出新款VCO IC MAX2620,，解決了VCO的設(shè)計難題，同時顯著縮短了實現(xiàn)免調(diào)節(jié)中頻VCO所必需的時間,。 |
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