用緩沖放大器解決VCO問題

振蕩電路輸出的不良隔離會造成許多負(fù)面影響，本文描述了圍繞VCO電路出現(xiàn)的關(guān)鍵問題，如：負(fù)載牽引、電源推進、相位噪聲和鄰近功率放大器(PA)輻射能量的影響。說明了如何利用VCO緩沖器隔離振蕩器緩解上述問題。文中給出了MAX2472/MAX2473 VCO緩沖器的應(yīng)用電路和測試數(shù)據(jù)。

一般的設(shè)計慣例是通過引入緩沖放大器對兩個電路進行級間隔離。隔離可以將射頻(RF)中的許多不利影響減到最小。不夠好的輸出隔離會擾亂振蕩器的性能，所以振蕩器的輸出通常包括緩沖級。

在討論增加緩沖放大器之前，我們考慮一些典型的VCO特性以及隔離問題是如何降低其性能的。例如，很普遍的一個問題是負(fù)載條件的變化會使VCO的頻率發(fā)生變化(頻率牽引)。從VCO輸出看到的阻抗變化會引起VCO的有源器件結(jié)上DC電壓的變化。例如，雙極型器件集電極到基極電壓(Vcb)的變化會影響集電極與基極之間的電容(Ccb)，從而通過影響整個槽路的諧振改變振蕩器頻率(圖1)。

圖1. 從這個Colpitts VCO輸出反射回來的信號功率能引起耗盡電流和偏置點的波動。其結(jié)果是晶體管Vcb的波動改變了Ccb，最終影響到振蕩器的頻率和相位噪聲。

另一個頻率牽引的現(xiàn)象有時被稱為注入捕獲或注入牽引。它考慮的是距離VCO工作頻率非常近的一個干擾信號帶來的影響。當(dāng)VCO輸出端的干擾信號幅度足夠大時，將導(dǎo)致VCO為匹配干擾頻率而使其振蕩頻率產(chǎn)生漂移¹。

另一個會被糟糕的輸出隔離影響到的關(guān)鍵因數(shù)是相位噪聲。在過去的幾年中做了大量的研究以更好的描述振蕩器中相位噪聲的產(chǎn)生。產(chǎn)生相位噪聲的原因包括負(fù)載阻抗的變化、反射回VCO輸出端的功率、過量的地電流和由于粗劣的RF電路板設(shè)計造成的輻射耦合。由這些因素引起的感應(yīng)電壓變化能夠?qū)е掠性雌骷衅秒娏鞯牟▌印cb的調(diào)制效應(yīng)、幅度的波動和其它能夠降低性能的細(xì)微問題²。

足夠的VCO隔離也要依賴于電路板的布板設(shè)計，無論這個VCO是分立元件的、集成的還是模塊。VCO的工作狀態(tài)能夠被任何耦合到它的輻射RF能量干擾。能量可以直接耦合到VCO或者通過其它連接到VCO的電路或?qū)Ь€耦合。即使是沒有與VCO連接只是在距離VCO很近的地方經(jīng)過的導(dǎo)線也可以像天線一樣捕捉到輻射能量后再將其輻射給VCO。如果VCO的噪聲性能很重要，就應(yīng)該時刻注意板面設(shè)計是否合適。

在信號通道中傳導(dǎo)并反射回VCO輸出的RF能量也可以產(chǎn)生上面討論的問題。這種信號傳導(dǎo)引起的性能降低的一個原因是RF功率放大器(PA)的開、關(guān)操作，這些操作可以引起信號通道或其他電路上阻抗的變化，于是將捕獲到輻射的RF能量并通過信號通道將其反向傳送。好的PC板面設(shè)計可以幫助將輻射和傳導(dǎo)引起的VCO波動降低至最小。接地、屏蔽和VCO附近的布線方式都會影響VCO的工作和VCO緩沖電路能夠?qū)崿F(xiàn)的隔離量。

既然已經(jīng)指出了一些引起性能降低的原理，了解它們在無線電工作中的具體表現(xiàn)是同樣重要的。當(dāng)反射信號到達(dá)VCO時輸出隔離不好會降低PLL的鎖定時間。為緩解這一問題，將相位檢測器輸入與接收機或發(fā)射機之間隔離是必要的。無論是在發(fā)射模式還是接收模式，相位噪聲的增加還會降低鄰信道保護。糟糕的VCO隔離還可能造成發(fā)射期間的調(diào)制失真。

解決輻射干擾問題通常需要大量的思考和試驗，但我們只需增加一個VCO緩沖放大器就可以解決傳導(dǎo)干擾的問題。如MAX2472這種集成的緩沖器能夠節(jié)約電路板的資源并為VCO提供完美的隔離。它的電路拓?fù)鋵τ诮oLO和相位檢測器提供輸入信號同時保持它們和VCO之間的隔離是十分理想的。

表1中給出的S參數(shù)的簡明分析體現(xiàn)了MAX2472的特點，這些特點使MAX2472成為解決糟糕的VCO輸出隔離問題的完美方案³(圖2)。VCO和混頻器之間隔離的典型值在900MHz約為44dB，在1900MHz約為30dB。本器件在這些頻率還分別提供10dB和8dB的高穩(wěn)定度增益。

表1. MAX2472典型的S參數(shù)

Frequency (MHz)	900	1900
S₁₁ (mag, phase)	0.68786, -21.6	0.529663, -44.1
S₂₁ (mag, phase)	1.764006, -80.4	1.592209, -117.6
S₁₂ (mag, phase)	0.005821, 137.5	0.031189, 173.4
S₂₂ (mag, phase)	0.810028, -29.4	0.776247, -61.6

圖2. 在900MHz, 這款I(lǐng)C (MAX2472)緩沖放大器具有約10dB的增益并為VCO與混頻器之間提供44dB的隔離。

當(dāng)VCO的輸出只有一個信號通道時，MAX2473也是很好的VCO緩沖器，它能提供更大的反向隔離并使用同樣小的SOT23-6封裝。作為附加的特點，它的可調(diào)節(jié)偏置電流使蜂窩電話和其它電池供電應(yīng)用中的耗用電流降至最小。

各種各樣的機理都可以降低移動無線環(huán)境中VCO的性能，但這些問題已經(jīng)有解決的辦法。一些問題需要大量的分析和精細(xì)的解決方法，另一些問題則可以容易地解決。小尺寸，集成的VCO緩沖器MAX2472/MAX2473能夠為這些VCO問題提供簡單的解決方案。

備注

B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall 1998, pp225-226.
T.H. Lee、A. Hajimiri, Oscillator Phase Noise: A Tutorial, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 第35卷, 3月. 2000.
MAX2472/MAX2473數(shù)據(jù)資料, Maxim Integrated Products. 最新版本可從www.maxim-ic.com.cn獲得。

本文的相似版本發(fā)表在2002年11月的Microwave & RF雜志上

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