免调节中频VCO: 第一部分: 设计考虑

摘要

本文力图探索实现一个免调节、固定频率的中频(IF)压控振荡器(VCO)所需了解的基本设计原理，同时指出保证电路正常工作所需面临的挑战。在多数无线系统的架构中，VCO都是一个关键部件。两次变换系统需要一个固定频率的IF VCO，用来控制中频到基带和/或基带到中频的频率转换。

附加信息请参考：免调节中频VCO：第二部分：新型IC简化设计

全文由两部分组成，前一部分力图探索实现一个免调节、固定频率的中频压控振荡器(VCO)所需了解的基本设计原理，同时指出保证电路正常工作所需面临的挑战。在多数无线系统的架构中，VCO都是一个关键部件。两次变换系统需要一个固定频率的IF VCO，用来控制中频到基带和/或基带到中频的频率转换。

两次变换系统需要两个振荡器。典型地，第一个振荡器(RF VCO)可在整个输入波段内调谐，第二个振荡器(IF VCO)工作在预先设定好的单一频率下。RF VCO有现成的模块、IC或分立元件电路可用，以模块或IC更为普遍。而就IF VCO来讲，小体积、低成本的模块几乎无法从市场上找到。这可能是由于中频频率的多变性以及制造过程中无法进行激光微调(调节)的大数值电感所致。因此，IF VCO常常采用分立电路或部分IC的方式实现。

为此，Maxim首创了一种全新概念的VCO IC，应用于无线系统正好可以弥补其他板级RF/IF IC在这项功能上的不足。本文的第二部分将介绍这种IC及其开发情况，并详细阐述它所能实现的简单、价廉的应用。

分立元件VCO能够提供足够的自由度来满足大多数系统的性能要求(调谐范围、输出功率、相位噪声、电流消耗、成本等等)。然而，对于具有较大批量、价格敏感的现代产品，震荡频率的生产线调整是不可接受的。这迫使RF工程师必须设计出一个不需要在安装过程中调整的VCO，即免调整VCO。这项设计任务并不简单，除了要掌握VCO的基本设计原理外，还需要RF工程师花费大量精力来保证设计的一致性，而且在各种变化因素(如元件参数、温度及电源电压等)允许的改变范围内，振荡器始终调谐在正确的频率。下面的讨论试图对这项任务的重要性给出一个评价，同时解释一些和免调节中频VCO设计有关的问题。

VCO拓扑

有多种可行的振荡器拓扑都可用于构建一个实用的RF VCO，其中一种已经在许多商品化VCO模块和不计其数的分立VCO电路中得到了成功应用，这就是Colpitts共集电极拓扑(图1)。该拓扑可用于很宽的工作频率范围，从IF直到RF。

图1. 基本Colpitts振荡器

一个灵活、廉价、并具有足够高性能的VCO可基于一个由廉价的表贴电感和变容二极管组成的电感-电容(LC)谐振槽路组成。振荡器槽路是一个并联谐振电路，控制着振荡频率，电感或电容的任何变化都会改变振荡频率。电感和压变电容可以并联或串联模式的网络形式实现可变谐振。

并联模式网络可用于较低频率，因为大值压变电容难以实现而电感可以做得比较大。并联模式配置还便于对振荡器做直观地分析。在本文余下的篇幅中，借助并联模式LC槽路的Colpitts振荡器对免调节IF VCO的设计进行阐述(图2)。

图2. Colpitts拓扑用于VCO

Colpitts振荡器在很多教科书中都有论述(Clarke和Hess 1978，Hayward 1994，Rohde 1998)，并已推导出一些通用的和专用于Colpitts拓扑的方程，可用来描述振荡器的工作机理。振荡器在电路中被抽象为一个反馈放大器模型。精确的振荡频率表达可通过此模型中阻抗的平衡而得到，但所得表达式往往很复杂且无助于振荡器的设计。

另一方面，对于Colpitts振荡器可以采用一种简化的、精确性稍差的方法来加以分析，并得到一组更清晰、更直观的设计方程，非常有助于一阶振荡器的设计。首先，Colpitts振荡器可重画为一个带有正反馈的LC放大器(图3)。这个视点易于计算环路增益、振荡幅度和相位噪声。为了描述启动过程和振荡频率，最初的电路也可重画为一个负阻加谐振器结构(图4)。从上述两个视点得到的一系列方程联合起来构成一组Colpitts振荡器的设计方程(Meyer 1998)。

图3. LC放大器模型

图4. 映像放大器模型

Colpitts振荡器的基本设计方程

不考虑分布参数，并假定C_C > C₁和C₂和C₁ > Cπ (Cπ 为三极管基-射结电容)。振荡频率可按下式计算：

谐振电路的品质因数(Q_T)可按下式计算：

振荡幅度可按下式估算：

环路增益和起振条件按下式计算：

距离中心频率一定频偏(f_m)处Colpitts振荡器的相位噪声(PN)可按下式计算：

免调节VCO的设计考虑

免调节VCO从概念上讲非常简单。只要振荡器具有足够宽裕的调谐范围来消除所有的误差源(如元件容差)所引起的频率偏移，振荡频率的调整就可以省去。初看起来，这项任务非常简单明了，只需提供足够的调谐范围来覆盖所有的误差源即可。然而，对于一个给定的调谐电压范围，有限的可变电容限制了频率调谐范围，而且，VCO的电性能要求往往进一步将调谐范围限制在更窄的区间内。

不幸的是，过大的调谐范围还会给振荡器带来一些负面影响。很宽的调谐范围要求压变电容至槽路间有很重的容性耦合，这会严重降低谐振电路的品质因数Q。所带来的结果便是更大的相位噪声(谐振幅度与晶体管噪声之比降低)；对调谐线噪声更高的灵敏度(这将直接转换为频率调制)；压变电容两端过大的电压摆幅；潜在的启动问题；以及给环路滤波器设计带来很大的困难等。这些因素导致的结论就是，过量的调谐范围不受欢迎。事实上，它不应大于吸收所有误差因素的最低需要。

致使相位噪声增加的第二个因素是调谐输入端的热噪声，它会产生频率调制的边带噪声。该项噪声随着调谐范围而增加，并有可能超过振荡器的固有相位噪声。由热噪声引起的相位噪声可由下式计算：

显然，两种情况的相位噪声都随着调谐范围的增加而增大。因此要使免调节VCO保持较低的相位噪声，至关重要的是设定一个恰当的调谐范围，保证带宽要求并能容纳各种可预见的误差源。

由于压变电容耦合的加重，更多的谐振电压摆幅会出现在压变电容两端，而压变电容电压的摆幅必须加以限制以防压变电容被正向偏置。这就限制了谐振电路中的信号功率，因而也就影响到振荡器的相位噪声。最后，当谐振电路的等效串联电阻过大时还会带来起振问题(参见基本方程)。频率调谐范围过宽的VCO可能无法正常起振，尤其是在极限温度下。那么，要实现恰当的调谐范围，首先碰到的问题就是—多少为恰当?

影响振荡频率的误差源

为了适应影响振荡频率的各种误差源，免调节VCO的频率调谐范围必须增加。这些误差源可分为两类：元件参数误差和设计对准误差。设定振荡频率的LC元件当然是非理想的，它们会带来以下问题：