中頻壓控振蕩器的IC簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)

新的集成電路系列可以簡(jiǎn)化為IF應(yīng)用開發(fā)緊湊型固定頻率壓控振蕩器（VCO）的任務(wù)。

設(shè)計(jì)用于固定中頻 （IF） 的 VCO 可能令人望而生畏。幸運(yùn)的是，Maxim的VCO IC （MAX2605-MAX2609）可以簡(jiǎn)化任務(wù)。與傳統(tǒng)的分立器件VCO相比，Maxim器件成本更低，需要的印刷電路板空間更小。

在傳統(tǒng)的 IF VCO 設(shè)計(jì)中，振蕩器內(nèi)核和輸出緩沖級(jí)由分立晶體管、電阻、電容器和電感組成（圖 1）。該諧振箱由頻率設(shè)置電感器、變?nèi)?a target="_blank">二極管、耦合電容器和反饋電容器組成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。輸出級(jí)使用電抗元件將輸出阻抗與特定負(fù)載阻抗相匹配。

圖1.該原理圖顯示了使用分立電路元件實(shí)現(xiàn)的IF VCO。

為了確保設(shè)計(jì)成功，元件值不僅必須建立所需的標(biāo)稱振蕩頻率，而且還必須保證足夠的調(diào)諧范圍、適當(dāng)?shù)钠谩⒄袷幤髟谒袟l件下的啟動(dòng)以及適當(dāng)?shù)妮敵黾?jí)性能。即使采用良好的一階設(shè)計(jì)，也會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流消耗、啟動(dòng)裕量、頻率調(diào)諧范圍和相位噪聲之間存在權(quán)衡。

分立式中頻VCO設(shè)計(jì)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是所需的PCB面積很大。必須花費(fèi)大量精力將布局優(yōu)化到6mm x 10mm以下。此外，印刷電路板布局對(duì)VCO的性能和設(shè)計(jì)精度也有著關(guān)鍵的影響。布局包含影響振蕩頻率的寄生電容和電感，因此必須考慮在內(nèi)才能正確實(shí)現(xiàn)振蕩器。寄生元件通常會(huì)在標(biāo)稱振蕩頻率中帶來不希望的偏移，從而導(dǎo)致更大的設(shè)計(jì)中心誤差，并最終迫使需要更大的調(diào)諧范圍來解釋這些誤差。

MAX2605-MAX2609 IF VCO系列提供了更好的選擇。這五款I(lǐng)C專為中頻頻率在45MHz至650MHz范圍內(nèi)的低功耗、固定和單頻便攜式無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。大部分所需電路都包含在片內(nèi);只有諧振電感器（建立振蕩頻率）是外部的。

一旦選擇了正確的外部電感值，IC就會(huì)保證調(diào)諧電壓范圍內(nèi)（+0.4VDC至+2.4VDC）中的某個(gè)電平將調(diào)諧到相應(yīng)的頻率。IC的調(diào)諧電壓輸入可直接從鎖相環(huán)（PLL）之后的環(huán)路濾波器輸出驅(qū)動(dòng)。MAX2605-MAX2609 IC設(shè)計(jì)用于+2.7VDC至+5.5VDC范圍的電源電壓，電源電壓連接無需特殊調(diào)節(jié)即可正常工作。每個(gè) IC 均采用纖巧的 6 引腳塑料 SOT23 封裝（圖 2）。

圖2.MAX2605-MAX2609 IF VCO IC采用6引腳表貼SOT23封裝，設(shè)計(jì)占用最小的印刷電路板空間。

MAX2605的調(diào)諧頻率范圍為45MHz至70MHz，載波在100kHz時(shí)相位噪聲為-117dBc/Hz。對(duì)于其他器件，這些參數(shù)包括：載波100kHz時(shí)調(diào)諧為70MHz至150MHz、相位噪聲為-112dBc/Hz（MAX2606）、150MHz至300MHz（-107dBc/Hz）（MAX2607）、300MHz至500MHz（-100dBc/Hz）（MAX2608）和500MHz至650MHz（-93dBc/Hz）（MAX2609）。

頻率調(diào)諧范圍、偏置、啟動(dòng)和其他振蕩器特性都在IC內(nèi)進(jìn)行管理，消除了通常與VCO設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)難題。片內(nèi)變?nèi)荻O管和電容無需外部調(diào)諧元件，簡(jiǎn)化了IF VCO設(shè)計(jì)。電感與振蕩頻率的關(guān)系圖（參見MAX2605-MAX2609數(shù)據(jù)資料）進(jìn)一步簡(jiǎn)化了選擇外部電感的任務(wù)。

MAX2605系列為RF設(shè)計(jì)人員提供了幾個(gè)重要的新優(yōu)勢(shì)。IC設(shè)計(jì)用于創(chuàng)建無需微調(diào)且無需外部調(diào)整的VCO。為了適應(yīng)雙變頻系統(tǒng)中的預(yù)期系統(tǒng)IF范圍，它們被設(shè)計(jì)為涵蓋廣泛的應(yīng)用頻率。此外，它們還具有靈活的輸出接口，有助于降低中頻VCO的成本并縮小最終設(shè)計(jì)的尺寸。

由于MAX2605-MAX2609代表了VCO中的一個(gè)新概念，因此它們需要一種全新的電路方法來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品目標(biāo)。Maxim設(shè)計(jì)了一種基于可靠靈活的Colpitts振蕩器結(jié)構(gòu)的振蕩器方案。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過調(diào)整，使得所有振蕩器電路元件（電感器除外）都可以集成到IC中。在片上集成幾乎整個(gè)振蕩器可提供良好VCO所需的所有工作目標(biāo)：適當(dāng)?shù)恼袷幤鲉?dòng)、寬頻率范圍、無微調(diào)操作所需的調(diào)諧特性、受控的電流消耗以及獨(dú)立于溫度和電源電壓的偏置。

片外電感器允許VCO在非常寬的工作頻率范圍內(nèi)應(yīng)用。片內(nèi)電容保持不變，但改變外部電感值會(huì)改變振蕩器諧振電路的諧振頻率。如果電感具有最小品質(zhì)因數(shù)（Q），則可以保證相位噪聲和啟動(dòng)行為（圖3）。

圖3.MAX2605-MAX2609 VCO IC的簡(jiǎn)化電路圖顯示，只需一個(gè)外部電感即可完成振蕩頻率的振蕩電路。

為了實(shí)現(xiàn)這種新方法，IC技術(shù)需要完整的有源和無源元件，以支持所示振蕩器電路的構(gòu)建。具體而言，工藝技術(shù)必須提供高頻晶體管、高Q值電容器、具有高電容比的高Q值變?nèi)荻O管以及PNP或PMOS器件。

MAX2605-MAX2609采用硅BiCMOS工藝制造，專為RF集成電路開發(fā)，包括單芯片振蕩器結(jié)構(gòu)。該工藝的特點(diǎn)是PNP，NMOS和PMOS器件，具有轉(zhuǎn)換頻率（fT） 的 25GHz、電容比優(yōu)于 2：1 的低串聯(lián)電阻變?nèi)荻O管（適用于 0.4V 至 2.4V 的調(diào)諧電壓）、超高 Q 值金屬絕緣體金屬 （MIM） RF 電容器、精密薄膜電阻器和三層金屬。

這些完整的器件補(bǔ)充允許實(shí)現(xiàn)完整的IC。VCO設(shè)計(jì)需要仔細(xì)和廣泛的計(jì)算機(jī)仿真，包括性能各個(gè)方面之間的多次設(shè)計(jì)迭代，以確保在所有操作條件下都能保證所有規(guī)格和要求。

最后，為了保證振蕩器具有足夠的頻率調(diào)諧范圍，以應(yīng)對(duì)元件容差引起的工作頻率偏移，Maxim選擇對(duì)器件進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試，并保證一組頻率限值。這些限值為MAX2605-MAX2609用戶提供了一組有保證的高頻和低頻調(diào)諧限值（f.MAX和 f最低），其中通過的IC具有振蕩頻率（f理學(xué)學(xué)士。)

MAX2605-MAX2609應(yīng)用高度簡(jiǎn)化，易于理解。涉及兩個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：

選擇并實(shí)現(xiàn)外部電感以設(shè)置所需的振蕩 頻率。

將輸出級(jí)與負(fù)載進(jìn)行電阻或電抗匹配（圖 4）。

圖4.這個(gè)簡(jiǎn)單的原理圖代表了MAX2605-MAX2609 VCO IC的典型應(yīng)用。

標(biāo)稱工作頻率（f名詞）所需的VCO僅由IND（引腳1）處的有效外部電感值決定，該值由曲線確定（圖5）。

圖5.該圖包含所需的總調(diào)諧電感值（LF），作為MAX2607 VCO IC所需振蕩頻率（150MHz至300MHz）的函數(shù)。

電感值（LF），所需工作頻率所需的值不一定與表面貼裝技術(shù)（SMT）電感器的任何標(biāo)準(zhǔn)值一致，后者通常以相差約1.2倍的步長(zhǎng)增加。在這種情況下，為了達(dá)到所需的值，電感必須由兩個(gè)電感構(gòu)成：LF1和 LF2.LF1應(yīng)選擇為低于所需值的最接近的標(biāo)準(zhǔn)值。然后，選擇 LF2作為最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，剛好小于LF， mF1.LF1應(yīng)遵守最低 Q 要求，但 LF2可以作為低成本的薄膜SMT類型實(shí)現(xiàn)。由于它的值小于總量的 20%，因此其較低的 Q 對(duì)整體 Q 的影響很小。

還允許通過實(shí)現(xiàn)帶有PC板走線的少量電感來調(diào)整總電感值。對(duì)于MAX2608/MAX2609電路，電感值為L(zhǎng)F2有時(shí)作為接地短路的 PC 板走線比作為 SMT 電感器更精確地實(shí)現(xiàn)。一旦在引腳IND處建立了所需的電感值，VCO就可以保證在所有元件變化、工作溫度和電源電壓范圍內(nèi)調(diào)諧到該振蕩頻率。

MAX2605-MAX2609VCO在振蕩器內(nèi)核之后包括一個(gè)差分輸出放大器。放大器級(jí)提供有價(jià)值的隔離，并為混頻器和/或PLL預(yù)分頻器等IF功能提供靈活的接口。輸出可以是單端或差分，但在差分輸出模式下可實(shí)現(xiàn)最大輸出功率和最低諧波輸出。集電極開路輸出（OUT- 和 OUT+）都需要一個(gè)上拉元件至集電極電壓 （Vcc).輸出級(jí)可采用上拉電阻器或電感器。上拉電阻是形成輸出接口的最直接方法，適用于工作頻率較低或只需要適度電壓擺幅的應(yīng)用。

當(dāng)工作頻率高于負(fù)載電阻/電容網(wǎng)絡(luò)的3dB帶寬和/或需要更大的電壓擺幅或輸出功率時(shí)，需要無功功率匹配。匹配網(wǎng)絡(luò)是帶有并聯(lián)電感器和串聯(lián)電容器的簡(jiǎn)單電路。為了給輸出級(jí)提供直流偏置，電感器從OUT和OUT+連接到V抄送，串聯(lián)電容器從 OUT- 和 OUT+ 連接到負(fù)載。電感和電容器的值根據(jù)工作頻率和負(fù)載阻抗進(jìn)行選擇。輸出與任何常規(guī)差分輸出一樣應(yīng)用。唯一的限制是需要上拉到 V抄送以及 OUT- 和 OUT+ 處的電壓擺幅限制。

比較應(yīng)用每種方法所需的設(shè)計(jì)時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)存在巨大差異。所示的經(jīng)典/分立式方法非常耗費(fèi)設(shè)計(jì)資源，分立式中頻VCO的成功開發(fā)可能需要數(shù)周時(shí)間。在達(dá)到穩(wěn)健、可制造的設(shè)計(jì)之前，可能需要多次迭代。另一方面，MAX2605-MAX2609可以在幾分鐘內(nèi)設(shè)計(jì)出VCO，然后在一個(gè)下午進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試！

由于MAX2605-MAX2609解決了頻率調(diào)諧范圍、偏置和啟動(dòng)等問題，因此完全消除了VCO設(shè)計(jì)通常涉及的困難任務(wù)。您只需根據(jù)所需的振蕩頻率和輸出負(fù)載選擇外部電感值。通過從MAX2605-MAX2609數(shù)據(jù)資料中給出的圖表中讀取所需的電感值，可以輕松完成此任務(wù)。

在物料清單成本方面，MAX2605-MAX2609與傳統(tǒng)的分立式中頻VCO相當(dāng)。在制造方面，Maxim的器件可以支持更便宜的IF VCO，因?yàn)樾枰胖玫脑?，每個(gè)元件節(jié)省0.03美元。

審核編輯：郭婷