有多種可行的振蕩器拓?fù)涠伎捎糜跇?gòu)建一個(gè)實(shí)用的RF VCO，其中一種已經(jīng)在許多商品化VCO模塊和不計(jì)其數(shù)的分立VCO電路中得到了成功應(yīng)用，這就是Colpitts共集電極拓?fù)?圖1)。該拓?fù)淇捎糜诤軐挼墓ぷ黝l率范圍，從IF直到RF。

圖1. 基本Colpitts振蕩器

一個(gè)靈活、廉價(jià)、并具有足夠高性能的VCO可基于一個(gè)由廉價(jià)的表貼電感和變?nèi)?a target="_blank">二極管組成的電感-電容(LC)諧振槽路組成。振蕩器槽路是一個(gè)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(huì)改變振蕩頻率。電感和壓變電容可以并聯(lián)或串聯(lián)模式的網(wǎng)絡(luò)形式實(shí)現(xiàn)可變諧振。

并聯(lián)模式網(wǎng)絡(luò)可用于較低頻率，因?yàn)榇笾祲鹤冸娙蓦y以實(shí)現(xiàn)而電感可以做得比較大。并聯(lián)模式配置還便于對(duì)振蕩器做直觀地分析。在本文余下的篇幅中，借助并聯(lián)模式LC槽路的Colpitts振蕩器對(duì)免調(diào)節(jié)IF VCO的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述(圖2)。

圖2. Colpitts拓?fù)溆糜赩CO

Colpitts振蕩器在很多教科書(shū)中都有論述(Clarke和Hess 1978，Hayward 1994，Rohde 1998)，并已推導(dǎo)出一些通用的和專(zhuān)用于Colpitts拓?fù)涞姆匠蹋捎脕?lái)描述振蕩器的工作機(jī)理。振蕩器在電路中被抽象為一個(gè)反饋放大器模型。精確的振蕩頻率表達(dá)可通過(guò)此模型中阻抗的平衡而得到，但所得表達(dá)式往往很復(fù)雜且無(wú)助于振蕩器的設(shè)計(jì)。

另一方面，對(duì)于Colpitts振蕩器可以采用一種簡(jiǎn)化的、精確性稍差的方法來(lái)加以分析，并得到一組更清晰、更直觀的設(shè)計(jì)方程，非常有助于一階振蕩器的設(shè)計(jì)。首先，Colpitts振蕩器可重畫(huà)為一個(gè)帶有正反饋的LC放大器(圖3)。這個(gè)視點(diǎn)易于計(jì)算環(huán)路增益、振蕩幅度和相位噪聲。為了描述啟動(dòng)過(guò)程和振蕩頻率，最初的電路也可重畫(huà)為一個(gè)負(fù)阻加諧振器結(jié)構(gòu)(圖4)。從上述兩個(gè)視點(diǎn)得到的一系列方程聯(lián)合起來(lái)構(gòu)成一組Colpitts振蕩器的設(shè)計(jì)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(jì)方程

不考慮分布參數(shù)，并假定CC > C1和C2和C1 > Cπ (Cπ 為三極管基-射結(jié)電容)。振蕩頻率可按下式計(jì)算：

諧振電路的品質(zhì)因數(shù)(QT)可按下式計(jì)算：

振蕩幅度可按下式估算：

環(huán)路增益和起振條件按下式計(jì)算：

?

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(jì)算：

免調(diào)節(jié)VCO的設(shè)計(jì)考慮

免調(diào)節(jié)VCO從概念上講非常簡(jiǎn)單。只要振蕩器具有足夠?qū)捲５恼{(diào)諧范圍來(lái)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(lái)，這項(xiàng)任務(wù)非常簡(jiǎn)單明了，只需提供足夠的調(diào)諧范圍來(lái)覆蓋所有的誤差源即可。然而，對(duì)于一個(gè)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(jìn)一步將調(diào)諧范圍限制在更窄的區(qū)間內(nèi)。

不幸的是，過(guò)大的調(diào)諧范圍還會(huì)給振蕩器帶來(lái)一些負(fù)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(huì)嚴(yán)重降低諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q。所帶來(lái)的結(jié)果便是更大的相位噪聲(諧振幅度與晶體管噪聲之比降低)；對(duì)調(diào)諧線噪聲更高的靈敏度(這將直接轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制)；壓變電容兩端過(guò)大的電壓擺幅；潛在的啟動(dòng)問(wèn)題；以及給環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難等。這些因素導(dǎo)致的結(jié)論就是，過(guò)量的調(diào)諧范圍不受歡迎。事實(shí)上，它不應(yīng)大于吸收所有誤差因素的最低需要。

Glossary?
CO?= varactor coupling capacitance?
CT?= total tank capacitance?
CVAR?= varactor capacitance?
fm?= offset frequency of PN in Hz?
fO?= frequency of oscillation?
gm?= bipolar transistor (oscillator) transconductance?
in?= collector shot noise?
IQ?= oscillator transistor bias current?
QL?= inductor Q?
QT?= tank Q?
QV?= effective varactor Q?
REQ?= equivalent tank parallel resistance?
RS?= varactor series resistance?
VO?= RMS tank voltage?

較寬的調(diào)諧范圍可通過(guò)兩個(gè)容易理解的途徑增大振蕩器的相位噪聲：降低諧振電路Q(chēng)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(guò)一個(gè)更大的電容耦合到諧振電路。這會(huì)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(shí)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(gè)因素是調(diào)諧輸入端的熱噪聲，它會(huì)產(chǎn)生頻率調(diào)制的邊帶噪聲。該項(xiàng)噪聲隨著調(diào)諧范圍而增加，并有可能超過(guò)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(jì)算：

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。因此要使免調(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(gè)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)諧范圍，保證帶寬要求并能容納各種可預(yù)見(jiàn)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(huì)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(hào)功率，因而也就影響到振蕩器的相位噪聲。最后，當(dāng)諧振電路的等效串聯(lián)電阻過(guò)大時(shí)還會(huì)帶來(lái)起振問(wèn)題(參見(jiàn)基本方程)。頻率調(diào)諧范圍過(guò)寬的VCO可能無(wú)法正常起振，尤其是在極限溫度下。那么，要實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)諧范圍，首先碰到的問(wèn)題就是—多少為恰當(dāng)?

影響振蕩頻率的誤差源

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(lèi)：元件參數(shù)誤差和設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)誤差。設(shè)定振蕩頻率的LC元件當(dāng)然是非理想的，它們會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：

·元件之間的差異(容差)
·不理想的性能(由于電感、電容以及引線串聯(lián)電阻等造成有限的頻率響應(yīng))
·電路布線中的分布電容和電感造成的誤差

另一方面，設(shè)計(jì)過(guò)程中在對(duì)準(zhǔn)VCO調(diào)諧范圍時(shí)的不確定因素還會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)誤差。

元件容差

LC振蕩器中影響振蕩頻率的每個(gè)容性和感性元件都具有有限的元件到元件精確度，而這種容許誤差會(huì)給振蕩頻率帶來(lái)誤差。表1列出了振蕩器中頻率設(shè)定元件的典型容差。

表1. 振蕩頻率設(shè)置元件的容差

Component?Tolerance?
Varactor?±15%at VTUNE?= 0.4V,
±10% at VTUNE?= 2.4V?
Inductor?±5%?
Capacitors?±5%?
Parasitic Capacitance?±10%?
Parasitic Inductance?±6%?
Oscillator-Device Impedance?±15%?

設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)誤差

設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)作為一個(gè)振蕩頻率建立中的誤差來(lái)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(duì)于預(yù)期的振蕩頻率相對(duì)稱(chēng)。在建立這個(gè)中心點(diǎn)時(shí)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(huì)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。

可以利用振蕩頻率公式計(jì)算出總的頻率誤差，只需對(duì)其中的每項(xiàng)元素乘以一個(gè)比例因子即可：?

還有一個(gè)最簡(jiǎn)單的辦法可以計(jì)算出各種不同誤差所造成的頻率偏移，那就是利用一個(gè)電子數(shù)據(jù)表程序，其中包含了詳細(xì)的基于L、C電路參數(shù)的振蕩頻率公式。

頻率偏移和調(diào)諧范圍

頻率調(diào)諧范圍可通過(guò)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(gè)位于fHIGH和fLOW中點(diǎn)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(jì)對(duì)準(zhǔn)誤差可能會(huì)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(wú)法達(dá)到(圖5b)。顯然，仔細(xì)確定調(diào)諧范圍需求是很有必要的。這可通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)，首先計(jì)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fLOW < fOSC且fHIGH > fOSC (圖5c)。

圖5. 調(diào)諧范圍和頻率偏移

設(shè)計(jì)驗(yàn)證

線路板布局和元件選擇完成之后，還需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試(項(xiàng)目甚至超過(guò)多數(shù)RF電路)。通常，你必須檢查調(diào)諧范圍、啟動(dòng)性能、相位噪聲等等性能是否符合設(shè)計(jì)要求。此外，測(cè)試必須基于一個(gè)統(tǒng)計(jì)有效的生產(chǎn)流程數(shù)量之上，以便確定調(diào)諧范圍和平均中心頻率，以及它們相對(duì)于預(yù)期振蕩頻率的相對(duì)位置。

所有這些工作都是得到一個(gè)穩(wěn)定的、可重復(fù)生產(chǎn)并具有預(yù)期性能的設(shè)計(jì)所必需的。這項(xiàng)任務(wù)通常需要多次反復(fù)，因此，往往要花費(fèi)數(shù)月的時(shí)間才能得到一個(gè)可以接受、并具有生產(chǎn)價(jià)值的分立元件設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)一個(gè)免調(diào)節(jié)IF VCO要求仔細(xì)的電路設(shè)計(jì)、各種誤差源的周詳考慮、電路板的驗(yàn)證以及生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等，以確保設(shè)計(jì)的可實(shí)施性。現(xiàn)在，Maxim已開(kāi)發(fā)出新款I(lǐng)C來(lái)迎接這個(gè)挑戰(zhàn)(將在第二部分中介紹)，解決了VCO的設(shè)計(jì)難題，同時(shí)顯著縮短了實(shí)現(xiàn)免調(diào)節(jié)IF VCO所必需的時(shí)間。

本文的第二部分將介紹這種IC及其開(kāi)發(fā)，并就其應(yīng)用及性能情況加以詳細(xì)討論(工程期刊，版本40)。同時(shí)包括一個(gè)簡(jiǎn)潔、小巧、廉價(jià)的應(yīng)用實(shí)例。