壓控振蕩器的工作原理，壓控振蕩器如何工作

　　許多電子應(yīng)用需要根據(jù)其他信號(hào)的幅值來改變某個(gè)信號(hào)的頻率。調(diào)頻信號(hào)便是一個(gè)很好的例子，其中的載波頻率隨著調(diào)制源幅值的變化而變化。此外，還有鎖相環(huán) （PLL）：這種電路使用控制系統(tǒng)來改變振蕩器的頻率和/或相位，以匹配輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率/相位。

　　設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是：確定如何盡可能以高效、低成本的方式實(shí)現(xiàn)該功能，同時(shí)確保精度、可靠性以及不受時(shí)間和溫度影響的穩(wěn)定性。

　　這就是壓控振蕩器 （VCO） 的功能。這類器件專用于提供一種頻率會(huì)在合理的范圍內(nèi)隨輸入信號(hào)的電壓幅值變化而變化的輸出信號(hào)。壓控振蕩器可用于 PLL、頻率和相位調(diào)制器、雷達(dá)和許多其他電子系統(tǒng)中。

　　本文將說明為什么 VCO 往往是設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)這一功能的最佳選擇，然后簡(jiǎn)要介紹 VCO 的工作原理，以及從分立元器件設(shè)計(jì)到單片 VCO IC 的各種 VCO 設(shè)計(jì)。然后，通過來自不同供應(yīng)商的實(shí)際案例來探討如何指定 VCO，以匹配特定應(yīng)用。這些廠商包括 Maxim Integrated、Analog Devices、Infineon Technologies、NXP Semiconductors、Skyworks Solutions 和 Crystek Corporation 等，

　　VCO 的作用是什么？

　　如前所述，許多電子應(yīng)用需要根據(jù)另一個(gè)信號(hào)的幅值來改變或控制某個(gè)信號(hào)的頻率或相位。典型應(yīng)用包括通信系統(tǒng)、雷達(dá)中的頻率啁啾、PLL 中的相位跟蹤以及遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入等跳頻應(yīng)用（圖 1）。

圖 1：需要通過施加電壓信號(hào)來控制頻率或相位變化的應(yīng)用實(shí)例包括：通信系統(tǒng)中的調(diào)頻（上圖）、雷達(dá)中的頻率啁啾（下圖第二張）、鎖相環(huán)路中的相位跟蹤（下圖第三張）以及跳頻應(yīng)用，如遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)（下圖）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　VCO 專門用于產(chǎn)生一種頻率會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)的幅值在合理范圍內(nèi)變化的輸出信號(hào)。

　　VCO 如何工作

　　VCO 分為分立、模塊化和單片形式，但通過對(duì)分立式 VCO 的討論有助于讀者從基本上了解其工作原理以及為什么某些指標(biāo)非常重要。隨后簡(jiǎn)要介紹模塊化和單片解決方案。

　　使用 VCO 分立式方法，設(shè)計(jì)者能夠極其靈活地滿足定制指標(biāo)。這種方法在自己動(dòng)手 （DIY） 項(xiàng)目中尤為常見，特別是在業(yè)余無線電領(lǐng)域。這類設(shè)計(jì)旨在用于高頻無線電項(xiàng)目，基于經(jīng)典的振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括 Hartley 和 Colpitts 電感電容 （LC） 振蕩器（圖 2）。

圖 2：經(jīng)典振蕩器包括 Hartley 和 Colpitts LC 振蕩器，可以作為 VCO 的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　所有的振蕩器都是基于使用正反饋來實(shí)現(xiàn)持續(xù)振蕩的。Hartley 和 Colpitts 振蕩器是基本設(shè)計(jì)，用不同方式產(chǎn)生正反饋。正反饋要求振蕩器輸出的信號(hào)返回到輸入端，總相移為 360°。放大器提供 180° 倒相，360° 的另一半來自振蕩電路的 LC。振蕩電路決定了標(biāo)稱振蕩頻率。在 Hartley 振蕩器電路中，振蕩電路由 L1、L2 和 Ct 組成；在 Colpitts 振蕩器中，振蕩電路由 L1、Ct1 和 Ct2 組成。

　　Hartley 振蕩器采用電感耦合方式，通過電路中所示的雙電感或分接電感（L1 和 L2）來實(shí)現(xiàn)倒相。Colpitts 振蕩器在相應(yīng)電路中采用了由 Ct1 和 Ct2 組成的容性分壓器。從這些基本設(shè)計(jì)衍生出許多設(shè)計(jì)，每個(gè)設(shè)計(jì)都有自己的名稱。這些衍生設(shè)計(jì)嘗試將振蕩電路與放大器隔離，以防止負(fù)載造成頻率偏移。這樣的衍生設(shè)計(jì)有很多，設(shè)計(jì)者可以從中挑選自己喜歡的。

　　通過采用變?nèi)?a target="_blank">二極管為這些設(shè)計(jì)增加頻率控制功能，從而改變振蕩電路的諧振頻率，變?nèi)荻O管有時(shí)也稱為變?nèi)萜鞫O管，是專門用來提供可變電容的結(jié)型二極管。P-N 結(jié)經(jīng)過反向偏置，并且可以通過改變所施加的直流偏置電壓來改變二極管的電容。變?nèi)荻O管的電容與所施加的直流偏置電壓成反比：反向偏置越高，二極管的耗盡區(qū)越大，因而電容也越小。這種變化可以從 Skyworks Solutions 的 SMV1232_079LF 超突變結(jié)變?nèi)荻O管的電容反向電壓圖中看出（圖 3）。這種二極管在零電壓下的電容為 4.15 皮法拉 （pF），在 8 V 下的電容為 0.96pF。

圖 3：Skyworks Solution 的 SMV1232 變?nèi)荻O管的電壓電容圖清楚地顯示了電容是如何隨著所施加的直流偏置電壓而發(fā)生反向變化的。（圖片來源：Skyworks Solutions）

　　變?nèi)荻O管的電容范圍決定了 VCO 的調(diào)諧范圍。振蕩器的電壓控制是通過增加變阻器與振蕩電路并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，如圖 4 所示。圖中所示為一個(gè)中心頻率為 1 千兆赫 （GHz）、調(diào)諧范圍約為 100 兆赫 （MHz） 的 Colpitts 振蕩器 VCO 的評(píng)估板參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)集成了一個(gè)射極跟隨器緩沖器，以隔離 VCO 的負(fù)載變化。本設(shè)計(jì)中的諧振電路包括電感 L3 和電容 C4、C7、C8。變?nèi)荻O管 VC1 與振蕩電路并聯(lián)。電容器 C4 控制給定變?nèi)荻O管的頻率變化范圍，而 C7 和 C8 則提供維持振蕩所需的反饋。

圖 4：Colpitts 振蕩器 VCO 的評(píng)估板參考設(shè)計(jì)，其中心頻率為 1 GHz，調(diào)諧范圍約 100 MHz。變?nèi)荻O管 VC1（左下）與振蕩電路并聯(lián)，由電感 L3 和電容 C4、C7、C8 組成。（圖片來源：NXP Semiconductors）

　　變?nèi)荻O管和雙極結(jié)晶體管的選擇取決于振蕩器頻率。對(duì)于 1 GHz 的標(biāo)稱頻率，可以使用諸如 NXP Semiconductor 的 BFU520WX 或 Infineon Technologies 的 BFP420FH6327XTSA1 之類的射頻晶體管。BFU520WX 的過渡頻率為 10GHz，增益為 18.8 分貝 （dB），BFP420FH6327XTSA1 的過渡頻率為 25GHz，增益為 19.5dB。兩者在 1GHz 時(shí)都有足夠的增益帶寬積來適應(yīng)該電路。

　　總之，分立式 VCO 的設(shè)計(jì)靈活性最大，但與模塊化或單片器件相比，則其體積更大且 PC 板占用面積更多。

　　指定 VCO

　　主要的 VCO 指標(biāo)通常從標(biāo)稱頻率范圍開始，即可獲得的最低和最高頻率。另外，這些參數(shù)也可以被指定為標(biāo)稱頻率或中心頻率以及調(diào)諧范圍。

　　輸入調(diào)諧電壓范圍對(duì)應(yīng)于輸入電壓擺動(dòng)，在調(diào)諧范圍內(nèi)對(duì) VCO 進(jìn)行調(diào)諧（圖 5）。

圖 5：輸出頻率作為輸入調(diào)諧電壓函數(shù)時(shí)的調(diào)諧曲線圖，可以讓您基本了解相比線性擬合的 VCO 線性度。輸出頻率與調(diào)諧電壓的斜率就是調(diào)諧靈敏度。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　調(diào)諧增益或靈敏度就是頻率電壓曲線的斜率，以 MHz/volt （V） 為單位。這是衡量調(diào)諧線性的標(biāo)準(zhǔn)。在 VCO 處于控制環(huán)路中的應(yīng)用中，如 PLL，調(diào)諧靈敏度是 VCO 元件的增益，可能會(huì)影響控制環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。

　　VCO 的輸出功率規(guī)定了向指定阻抗負(fù)載輸送的功率，對(duì)于 RF VCO 來說通常是 50 歐姆 （Ω）。輸出功率以 dB 為單位，參考 1 毫瓦 （mW） （dBm）。在 VCO 的頻率范圍內(nèi)，功率輸出的平坦度也是值得關(guān)注的。

　　負(fù)載牽引是指由于負(fù)載阻抗變化而引起的 VCO 輸出頻率變化，測(cè)量單位為 MHz 峰峰值 （pk-pk）。通常，通過使用類似圖 4 所示的發(fā)射極跟隨器之類的緩沖放大器來提高負(fù)載隔離度。

　　電源推進(jìn)是指由于電源電壓的變化而導(dǎo)致 VCO 輸出頻率變化的現(xiàn)象。其單位是 MHz/V。

　　相位噪聲規(guī)格是 VCO 信號(hào)的純度指標(biāo)。理想振蕩器的頻譜是振蕩器頻率下的窄譜線。相位噪聲代表了振蕩器不需要的調(diào)制，且擴(kuò)大了頻譜響應(yīng)。相位噪聲是由振蕩器電路內(nèi)的熱源和其他噪聲源造成的，用載波下分貝每赫茲 （dBc/Hz） 表示。頻域的相位噪聲會(huì)導(dǎo)致時(shí)域出現(xiàn)時(shí)序抖動(dòng)，表現(xiàn)為時(shí)間間隔誤差 （TIE）。

　　模塊化 VCO

　　模塊化 VCO 代表了電路集成的下一個(gè)最高水平。這類 VCO 被封裝在小型模塊化外殼中，可以象組件一樣使用。模塊化 VCO 通常比分立式 VCO 具有更高的封裝密度。這類器件具有一系列輸出頻率、調(diào)諧范圍和功率輸出水平。例如 Crystek Corporation 的 CRBV55BE-0325-0775 VCO（圖 6）。該器件的尺寸為 1.25 x 0.59 英寸 （in.）（31.75 x 14.99 毫米 （mm）），高度為 1.25 in.，輸入電壓范圍為 0 - 12 伏，調(diào)諧范圍為 325 - 775MHz。其輸出功率水平為 +7 dBm（典型值），10 千赫茲 （kHz） 載波偏移時(shí)相位噪聲為 -98 dBc/Hz，100 kHz 時(shí)為 -118 dBc/Hz。

圖 6 ：Crystek CRBV55BE VCO 的外形圖顯示了其外形緊湊，具體為 1.25 x 1.25 x 0.59 in.。（圖片來源：Crystek Corporation）

　　在動(dòng)態(tài)控制方面，Crystek VCO 的典型調(diào)諧靈敏度為 45 MHz/V。電源推進(jìn)指定為 0.5 MHz/V（典型值），最大 1.5 MHz/V。負(fù)載牽引最大為 5.0 MHz pk-pk。

　　單片 VCO

　　VCO 可以作為單片 IC 實(shí)施。單片 IC 的體積密度最高。與模塊化 VCO 一樣，單片 VCO 也是為特定的工作頻段設(shè)計(jì)的。這種器件如 Maxim Integrated 的 MAX2623EUA+T。這是一款自足式 VCO，在 8 引腳 mMax 單封裝中集成了振蕩器和輸出緩沖器（圖 7）。

圖 7：Maxim Integrated 的 MAX2623 VCO 的框圖和引腳配置。該器件是一款基于 LC 的傳統(tǒng) VCO，通過雙變?nèi)荻O管控制電壓。該器件在其 8 針封裝內(nèi)置了一個(gè)輸出緩沖器。（圖片源：Maxim Integrated）

　　該設(shè)計(jì)包括片載振蕩器電感和變?nèi)荻O管。該器件的工作電源為 +2.7 至 +5.5 V，電流消耗僅 8 毫安 （mA）。MAX2623 是該產(chǎn)品系列中的三款 VCO 之一，每款 VCO 都有不同的預(yù)期工作頻率，因此各不相同。MAX2623 的調(diào)諧范圍為 885 - 950 MHz，涵蓋了 902 - 928 MHz 的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段，可用作本地振蕩器。該 VCO 向 50 Ω 負(fù)載輸送的輸出功率水平為 -3 dBm，且在100 kHz 偏移下的典型相位噪聲為 -101 dBc/Hz?？刂齐妷悍秶鸀?0.4 - 2.4 V，負(fù)載牽引一般為 0.75 MHz （pk-pk）。電源推進(jìn)為 280 kHz/V（典型值）。封裝尺寸為 0.12×0.12×0.043 in.（3.03 x 3.05 x 1.1 mm）。

　　另一個(gè)單片 VCO 的例子是 Analog Devices 的 HMC512LP5ETR。該 VCO 的頻率范圍為 9.6 - 10.8 GHz，調(diào)諧電壓范圍為 2 - 13 V。該器件專用于衛(wèi)星通信、多點(diǎn)無線電和軍事應(yīng)用（圖 8）。

圖 8：Analog Devices 的 HMC512LPETR VCO 的框圖，顯示了集成變?nèi)荻O管和具有集成諧振器的振蕩器內(nèi)核。（圖片來源：Analog Devices）

　　這種單片微波集成電路 （MMIC） VCO 采用 GaAs 和 InGaP 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，使用 5 伏直流電源，可實(shí)現(xiàn)寬帶寬和對(duì) 50Ω 負(fù)載的 +9dBm 輸出功率水平。在 100 kHz 偏移下，相位噪聲為 -110 dBc/Hz。負(fù)載牽引一般為 5 MHz 峰峰（典型值）。電源推進(jìn)通常是 5 V 電壓下 30 MHz/V（典型值）。該器件采用 QFN 5 x 5 mm 表面貼裝封裝。請(qǐng)注意，該 VCO 還包括半頻和四分之一頻輔助輸出。這些小數(shù)頻率輸出可用于驅(qū)動(dòng) PLL 合成器，以便在需要時(shí)鎖定 VCO 初級(jí)輸出，或同步其他時(shí)序鏈信號(hào)。

　　體積小巧既是這兩種單片 VCO 器件的特點(diǎn)，也是其主要優(yōu)勢(shì)。

　　總結(jié)

　　無論是分立式、模塊化還是單片式 VCO，都能滿足許多應(yīng)用對(duì)基于電壓的頻率控制的需求。這些器件用于函數(shù)發(fā)生器、PLL、頻率合成器、時(shí)鐘發(fā)生器和模擬音樂合成器。雖然這些器件都相對(duì)簡(jiǎn)單，但正確使用則需要充分了解其工作方式和主要指標(biāo)。一旦了解了這些知識(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多設(shè)計(jì)和供應(yīng)商可供選擇。