壓控振蕩器 （VCO） 的頻率隨施加到其調(diào)諧端口的電壓而變化。VCO 在鎖相環(huán) （PLL） 中工作，為超外差接收器的頻率轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的本振 （LO）。VCO 還用于發(fā)射鏈，將基帶信號上變頻為適合通過電波傳輸?shù)?a target="_blank">射頻 （RF）（圖 1）。

圖1.VCO作為PLL的一部分出現(xiàn)在這個(gè)典型的超外差接收器中。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

VCO 設(shè)計(jì)人員必須考慮幾個(gè)重要的性能參數(shù)：

輸出電平（dB 相對于 1mW ）

以dBc為單位的輸出諧波電平（相對于載波功率的dB）

調(diào)諧靈敏度（以 Hz/V 為單位）

以Hz p-p為單位的振蕩頻率負(fù)載牽引（對于給定負(fù)載電壓駐波比（VSWR）旋轉(zhuǎn)360°）

偏置電源變化的頻率推動（以 Hz/V 為單位）

給定失調(diào)頻率下的VCO相位噪聲，單位為dBc/Hz

以下段落將依次討論每個(gè)參數(shù)。

輸出電平

在典型的超外差接收器中，VCO輸出必須驅(qū)動混頻器以及PLL頻率合成器的RF預(yù)分頻器。緩沖放大器通常滿足這一要求，該放大器提供負(fù)載隔離以及更大的驅(qū)動能力。

輸出諧波電平

輸出諧波電平是振蕩頻率諧波處VCO能量的量度。這些諧波常見于低于-15dBc的水平，由振蕩器中有源器件的非線性自限幅產(chǎn)生。具有大量超額增益（大于抵消共振時(shí)所有損耗所需的量）的振蕩器將受到更嚴(yán)格的限制，從而在輸出波形中產(chǎn)生更大的諧波成分。設(shè)計(jì)人員必須在保持低諧波電平的需求與確保振蕩器啟動所需的足夠額外增益之間取得平衡。

調(diào)諧靈敏度

調(diào)諧靈敏度是一個(gè)系統(tǒng)級參數(shù)，它將最大可用調(diào)諧電壓與所需的調(diào)諧頻率范圍（以Hz/V為單位）相關(guān)聯(lián)。它與加載的Q成反比，Q是加載的振蕩器槽的質(zhì)量因數(shù)。更高的調(diào)諧靈敏度需要具有較低負(fù)載Qs的振蕩器。

調(diào)諧靈敏度在調(diào)諧頻率范圍內(nèi)的變化是另一個(gè)重要的考慮因素。如果VCO的調(diào)諧靈敏度在調(diào)諧頻帶上變化很大，PLL頻率合成器的性能就會受到影響。VCO 是典型 PLL 中增益最高的器件，調(diào)諧靈敏度在數(shù)十 MHz/V。這種增益量可能會在調(diào)諧端口產(chǎn)生不必要的調(diào)制邊帶，以響應(yīng)調(diào)諧端口的噪聲;因此，調(diào)諧端口噪聲必須最小化。

負(fù)載牽引

負(fù)載牽引測量自由運(yùn)行的VCO對VCO輸出端負(fù)載變化的靈敏度。測量需要負(fù)載阻抗不匹配和可變長度傳輸線。將VCO連接到不匹配的負(fù)載，并通過改變傳輸線的長度來改變相位角（VCO和負(fù)載之間）。測量由此產(chǎn)生的峰峰值頻率變化。VCO 負(fù)載牽引指定為給定負(fù)載 VSWR 下的最大峰峰值頻率偏移，旋轉(zhuǎn) 360°。公式1顯示了負(fù)載VSWR與負(fù)載阻抗失配之間的關(guān)系：

等式1：

其中：

駐波比 = 電壓駐波比
Γ0= 負(fù)載反射系數(shù)：入射電壓波與反射波
Z 的比值（在負(fù)載處）L= 負(fù)載阻抗
Z0= 傳輸線的特性阻抗

使用緩沖放大器是降低自由運(yùn)行VCO對負(fù)載變化的敏感性的最常用技術(shù)。

頻率推送

頻率推送測量自由運(yùn)行的VCO對其偏置電源電壓變化的敏感性。要測量VCO的靈敏度，請?jiān)跍y量VCO頻率的同時(shí)在給定范圍內(nèi)改變電源電壓。將此頻移除以電壓變化，以確定以Hz/V為單位的靈敏度。設(shè)計(jì)良好的VCO具有主調(diào)諧線靈敏度的5%至10%的推動因子。Maxim的MAX2620 VCO就是具有出色推壓性能的器件的一個(gè)例子，其調(diào)諧端口靈敏度為10.4MHz/V，推送靈敏度僅為71kHz/V。

VCO 相位噪聲

自由運(yùn)行的VCO中的相位噪聲將噪聲邊帶電平與載波功率電平相關(guān)聯(lián)。在典型測量中，觀察頻譜分析儀上的VCO輸出，同時(shí)在給定頻率偏移下測量1Hz帶寬內(nèi)的噪聲水平。配備特定固件選項(xiàng)的現(xiàn)代頻譜分析儀可以通過對各種偏移進(jìn)行多次測量，并在每種情況下對內(nèi)部IF帶寬進(jìn)行適當(dāng)?shù)母模娠@示單邊帶相位噪聲與偏移頻率的關(guān)系圖。

頻譜分析儀無法測量相位噪聲非常低的振蕩器（例如晶體振蕩器），因?yàn)槠銵O的相位噪聲限值太高。例如，惠普的 8561 RF 頻譜分析儀規(guī)定的相位噪聲限值為 100Hz 時(shí)的 -80dBc/Hz、1kHz 時(shí)的 -97dBc/Hz、10kHz 時(shí)的 -113dBc、30kHz 時(shí)的 -113dBc 和 100kHz 時(shí)的 -113dBc。另一方面，典型的晶體振蕩器在每個(gè)偏移頻率下的相位噪聲都低30dB至40dB。對于這種高質(zhì)量的振蕩器，精確的相位噪聲測量需要更復(fù)雜的技術(shù)。

有幾個(gè)關(guān)鍵因素會影響自由運(yùn)行的VCO的相位噪聲。所有這些都包含在公式2中，公式2是估計(jì)振蕩器單邊帶噪聲的公式。

等式2：

其中：

L（fM） = 單邊帶相位噪聲，單位為 dBc/Hz，作為 載波
F偏移頻率的函數(shù)O= 輸出頻率，單位為 Hz
QL= 加載諧振器 Q（諧振器諧振器電路） 帶有源負(fù)載和所有寄生元件）
fC= 以 Hz 為單位的轉(zhuǎn)折頻率，用于閃爍噪聲 有源振蕩裝置
FM= 與載波的偏移，單位為 Hz
PS= 有源振蕩器件的振蕩- 信號功率，單位為瓦特
F = 有源器件的在線噪聲因數(shù) （與諧振器諧振器諧振箱和所有寄生 元素）
k = 玻爾茲曼常數(shù)：~1.38 x 10-23J/°K T = 以開爾文 （°K
） 為單位的溫度

在該公式中，負(fù)載諧振器Q是影響相位噪聲的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。低噪聲設(shè)計(jì)要求最大化此參數(shù)以滿足可調(diào)諧性要求。高負(fù)載諧振器Q需要使用具有高空載Q值的諧振電路組件。在這些條件下，油箱的負(fù)載應(yīng)將足夠的能量耦合到電路的其余部分，以啟動和維持振蕩。諧振器的負(fù)載Q很容易小于其空載Q的十分之一。

閃爍噪聲的轉(zhuǎn)折頻率取決于器件;低噪聲設(shè)計(jì)要求器件具有低閃爍角。閃爍噪聲溝槽使雙極性工藝成為低噪聲振蕩器設(shè)計(jì)的最佳選擇。砷化鎵器件無法競爭，因?yàn)樗鼈兊脑肼暯潜裙桦p極器件高兩到三個(gè)數(shù)量級。

由于在線噪聲因數(shù)值取決于器件及其外部電路，因此低噪聲設(shè)計(jì)需要對兩者進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)整振蕩信號功率可以對相位噪聲進(jìn)行一定程度的控制，但當(dāng)今手持式無線電話中偏置電流的溢價(jià)通常會阻止振蕩器部分的電流消耗發(fā)生較大變化。

公式3描述了振蕩器固有的相位噪聲。除此之外，還有調(diào)諧線上噪聲產(chǎn)生的調(diào)制噪聲邊帶（見公式4）。

等式3：

其中：

LPUSH(fm)= 單邊帶相位噪聲（單位：dBc/Hz） 由于噪聲電壓通過偏置線
LMOD(fm)= 單邊帶相位噪聲（單位：dBc/Hz） 由于噪聲電壓通過調(diào)諧線
K2PUSH = 電源驅(qū)動靈敏度，單位為 Hz/V
K2TUNE = 振蕩器調(diào)諧增益，單位：Hz/V
VN2BIAS(f) = 偏置線上的噪聲-電壓密度為 頻率的函數(shù) （nV/Hz）
VN2TUNE(f)= 調(diào)諧線上的噪聲-電壓密度 作為頻率的函數(shù) （nV/Hz）

將等式2、3和4相加得出等式5，即VCO總單邊帶相位噪聲的估計(jì)值：

等式5：

前面提到的VCO參數(shù)的限制可能導(dǎo)致系統(tǒng)級性能下降。例如，蜂窩電話中的功率放大器 （PA） 僅在存在語音信號時(shí)激活。這種開關(guān)導(dǎo)致PA的輸入阻抗變化很大，這反過來又給驅(qū)動發(fā)射鏈的RF VCO帶來了問題。除非VCO與負(fù)載變化隔離（通常通過負(fù)載緩沖器），否則其頻率變化會導(dǎo)致PLL滑移周期甚至失去鎖相。

另一個(gè)問題是PA的關(guān)斷/導(dǎo)通循環(huán)引起的電源電流急劇變化。GSM、DCS1800 和 DCS1900 手機(jī)的典型 PA 可以消耗超過 1A 的電流，電流切換會導(dǎo)致 VCO 偏置線路上的電壓變化。這些偏置電壓變化和推動因子的結(jié)果是落在PLL頻率合成器環(huán)路帶寬之外的不需要的調(diào)制邊帶。VCO的偏置電壓必須穩(wěn)定才能消除這個(gè)問題。

數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的未衰減誤碼率（BER）受到發(fā)射和接收路徑中所有信號發(fā)生器的凈相位噪聲的限制，PLL頻率合成器中的RF VCO（通常）是主要因素。圖2中的經(jīng)典瀑布曲線顯示了相位噪聲的影響。超過一定水平的 Eb/NO（Eb 是每比特的能量;NO是加性白高斯噪聲密度），誤碼率基本保持不變。要獲得更可靠的通信鏈路，可通過降低PLL頻率合成器RF VCO中的相位噪聲來降低未褪色的BER。

圖2.對于較高的每比特能量值除以加性白高斯噪聲密度（Eb/NO），誤碼率（BER）基本上是恒定的。

相位噪聲是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的主要關(guān)注點(diǎn)，其中信息通過調(diào)制載波相位進(jìn)行編碼。其中一種技術(shù)是正交相移鍵控（QPSK）。與模擬域中的同相/正交調(diào)制類似，QPSK允許通過在四個(gè)不同相位中的每一個(gè)階段編碼位對，以一半的數(shù)據(jù)速率傳輸給定的比特流。每個(gè)相位（圖3a中的π/4、3π/4、5π/4和7π/4）表示為信號空間中的一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)通過系統(tǒng)中存在加性白高斯噪聲（AWGN）而擴(kuò)散到云中。

圖3.具有高斯噪聲 （a） 的 QPSK 信號的信號星座會因增加 5° RMS 相位方差 （b） 而降低，從而產(chǎn)生可能提高 BER 的失真。

圖3b顯示了具有相同AWGN的相同QPSK星座，但增加了5°的RMS相位差。相位方差將四個(gè)星座區(qū)域變形為弧形，從而縮短區(qū)域之間的距離。這種效應(yīng)增加了解調(diào)器上出現(xiàn)符號誤差的概率，而符號誤差的增加會增加BER。因此，可以容忍的相位變化量取決于解調(diào)器設(shè)計(jì)和通信鏈路所需的性能。公式6顯示了積分相位方差與相位噪聲之間的關(guān)系：

等式6：

其中：

F1， F2 = 評估積分的頻率（通常由解調(diào)器設(shè)計(jì)確定）
σ2Φ = 以弧度平方為單位的積分相位方差
SΦ（f） = 以弧度平方/Hz為單位的相位功率譜密度（小角度單邊帶相位噪聲的兩倍）
√σ2Φ= 積分有效值相位誤差，弧度單位

也許對LO相位噪聲最嚴(yán)格的限制是通過接收器脫敏來實(shí)現(xiàn)的。這種效應(yīng)發(fā)生在蜂窩電話和其他環(huán)境中，在這些環(huán)境中，接收器必須在存在強(qiáng)干擾源的情況下檢測到微弱的信號。在圖4中，強(qiáng)附近干擾源與LO的相位噪聲混合，產(chǎn)生噪聲邊帶，降低IF的信噪比，從而使接收器檢測微弱信號的能力脫敏。

圖4.通過與本振信號混合，強(qiáng)干擾信號會產(chǎn)生噪聲邊帶，從而掩蓋目標(biāo)信號。

早期版本的低噪聲VCO由分立元件組成：專用雙極晶體管，具有用于閃爍噪聲的低轉(zhuǎn)折頻率，偏置電壓電源和緩沖放大器，用于提供負(fù)載隔離和附加輸出驅(qū)動。分立電路中的許多無源芯片元件需要大量的印刷電路板空間，這在當(dāng)今的小型無線手機(jī)中非常寶貴。

集成解決方案

Maxim的MAX2620（圖5）將分立元件的所有有源功能集成到一個(gè)纖巧的8引腳μMAX封裝中。它包括一個(gè)關(guān)鍵的雙極晶體管，具有低轉(zhuǎn)折頻率，用于閃爍噪聲，采用Maxim獨(dú)有的硅雙極性工藝制造，具有27GHz f?T.更高級別的集成節(jié)省了 PC 板面積，簡化了 PC 板布局和屏蔽。

圖5.該典型工作電路顯示了MAX2620在構(gòu)建VCO中的應(yīng)用。

除低噪聲晶體管外，MAX2620還包括一個(gè)帶兩路輸出的雙緩沖器（用于負(fù)載隔離）、一個(gè)偏置發(fā)生器和方便的關(guān)斷功能。該器件采用+2.7V至+5.5V單電源供電，在3V時(shí)功耗僅為27mW。當(dāng)工作頻率為900MHz時(shí)，負(fù)載VSWR為1.75：1，旋轉(zhuǎn)360°會產(chǎn)生小于163kHz的頻率偏移。MAX2620的內(nèi)部偏置電壓發(fā)生器大大降低了偏置電壓變化對振蕩頻率的影響。在 900MHz 中心頻率和 3V 至 4V 電源電壓變化時(shí)，該器件可實(shí)現(xiàn) 71kHz/V 的推壓靈敏度。

MAX2620具有兩路輸出。一個(gè)輸出在50Ω負(fù)載中產(chǎn)生-2dBm，通常驅(qū)動混頻器的LO輸入。另一個(gè)在 50Ω 負(fù)載中產(chǎn)生 -12.5dBm，通常驅(qū)動集成 PLL 頻率合成器的 RF 預(yù)分頻器輸入。MAX2620及其低噪聲內(nèi)部晶體管采用高Q值諧振電路工作在900MHz，產(chǎn)生低相位噪聲：25kHz時(shí)為-110dBc/Hz，300kHz時(shí)為-132dBc/Hz。外部諧振電路允許設(shè)計(jì)人員針對給定應(yīng)用優(yōu)化可調(diào)諧性和單邊帶相位噪聲。

為確保振蕩啟動，諧振電路的實(shí)阻抗幅度應(yīng)等于振蕩器器件負(fù)實(shí)阻抗幅度的三分之一至二分之一，諧振電路的電抗分量應(yīng)與振蕩器器件的無功分量在符號上相反。啟動后，增益壓縮會降低振蕩器的負(fù)電阻，直到其與諧振電路的負(fù)電阻達(dá)到平衡。

在諧振電路中添加變?nèi)?a target="_blank">二極管（電壓調(diào)諧可變電容器）可實(shí)現(xiàn)振蕩器頻率調(diào)諧，只要振蕩器器件在所需調(diào)諧范圍內(nèi)表現(xiàn)出足夠的負(fù)電阻。MAX2620設(shè)計(jì)在這方面進(jìn)行了優(yōu)化。

MAX2620振蕩器還針對低相位噪聲工作進(jìn)行了優(yōu)化。要實(shí)現(xiàn)盡可能低的相位噪聲，需要使用高Q值元件，例如陶瓷傳輸線諧振器（典型空載Q值為400）和高Q值電感器（典型空載Q值為180）。為了最大化圖5中的負(fù)載Q值，C5和C17應(yīng)具有與所需頻率和調(diào)諧范圍兼容的最低值。對于900MHz工作頻率，陶瓷諧振器電路的C6應(yīng)為1pF，電感電路的C6應(yīng)為1.5pF。由于高Q值電感的空載Q值低于陶瓷諧振器的Q值，因此使用高Q值電感器（與陶瓷諧振器相比）往往會略微降低相位噪聲。基于電感的諧振電路的相位噪聲在25kHz時(shí)為-107dBc/Hz，在300kHz時(shí)為-127dBc/Hz。

MAX2620輸出均具有集電極開路，需要外部元件上拉至電源電壓。50Ω電阻與50Ω系統(tǒng)的輸出相匹配，但電阻會破壞輸出功率。要獲得最大輸出功率，請使用上拉電感，如圖5中的緩沖器輸出所示。電感電路的集電極開路輸出阻抗應(yīng)通過適當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)與所需的負(fù)載阻抗相匹配。

實(shí)現(xiàn)最佳振蕩器性能的一個(gè)關(guān)鍵因素是印刷電路板布局。為了盡量減少寄生元件的影響，請移除構(gòu)成諧振電路的元件下方和周圍的印刷電路板接地層。為了盡量減少寄生電感，走線長度應(yīng)盡可能短。將去耦電容（引腳1、4和7接地）盡可能靠近MAX2620封裝，直接連接到接地層。圖5中的電容必須具有0805或更小的基底面。

MAX2620作為當(dāng)今無線耳機(jī)中RF VCO的高性價(jià)比、低功耗振蕩器，提供了過去需要許多分立元件的特性。其雙緩沖輸出提供負(fù)載隔離，其內(nèi)部調(diào)節(jié)單元提供與電源波動隔離。采用+3V電源供電時(shí)的功耗僅為27mW。MAX2620實(shí)現(xiàn)了極低的相位噪聲，其外部諧電流允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)給定應(yīng)用定制振蕩器電路。

審核編輯：郭婷