免調(diào)節(jié)中頻VCO:新型IC簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

本文介紹了覆蓋45MHz至650MHz頻率范圍的IF壓控振蕩器(VCO)家族產(chǎn)品。這些IC采用6引腳SOT23封裝。MAX2608在300MHz至500MHz的范圍內(nèi)相位噪聲為-100dBc/Hz。使用一個(gè)片外電感設(shè)置工作頻率。輸出級(jí)可以用電阻或者其它無損耗技術(shù)匹配。

新的集成電路家族產(chǎn)品可以使開發(fā)緊湊、固定頻率的IF壓控振蕩器(VCO)變得很容易。

設(shè)計(jì)一個(gè)固定中頻(IF)的VCO是非常困難的。幸運(yùn)的是，Maxim的VCO IC (MAX2605-MAX2609)可以使這項(xiàng)任務(wù)變得簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)的分立元件VCO相比，Maxim器件的成本更低，占用的PCB面積更小。

在傳統(tǒng)的IF VCO設(shè)計(jì)中，振蕩器的核心部分和輸出緩沖級(jí)是由分立的晶體管、電阻、電容和電感組成的(圖1)。整個(gè)諧振回路由包括設(shè)置頻率的電感、變?nèi)?a target="_blank">二極管、耦合電容和反饋電容的網(wǎng)絡(luò)組成。輸出級(jí)使用電抗性元件將輸出阻抗與特定的負(fù)載阻抗匹配。

圖1. 使用分立元件實(shí)現(xiàn)的IF VCO原理圖。

為了保證設(shè)計(jì)的成功，元件的取值不僅必須能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的額定振蕩頻率，還要具有足夠的調(diào)諧范圍、合理的偏置、在任何條件下起振的能力以及適當(dāng)?shù)妮敵黾?jí)特性。由于要為電流消耗、起振裕量、頻率調(diào)諧范圍和相位噪聲等方面的矛盾進(jìn)行權(quán)衡，即使是一個(gè)很好的一階設(shè)計(jì)也會(huì)存在問題。

分立元件IF VCO的主要缺點(diǎn)是所需的PCB面積較大。為使其占用面積在6mm ×10mm以下，需要花費(fèi)大量的工作優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)。此外，PCB的設(shè)計(jì)對(duì)VCO的性能和設(shè)計(jì)精度具有關(guān)鍵性的影響。布局設(shè)計(jì)要考慮到影響振蕩頻率的寄生電容和電感，在振蕩器的實(shí)現(xiàn)過程中必需把它們考慮進(jìn)去。寄生元件經(jīng)常導(dǎo)致不希望的額定振蕩頻率漂移，這一漂移使設(shè)計(jì)的中心頻率誤差更大，最終不得不通過實(shí)現(xiàn)更大的調(diào)諧范圍彌補(bǔ)這些誤差。

MAX2605-MAX2609 IF VCO家族產(chǎn)品提供了一種更好的選擇。這5款I(lǐng)C是為低功率、固定的單一頻率、可移動(dòng)無線應(yīng)用設(shè)計(jì)的，具有45MHz至650MHz的IF頻率范圍。大多數(shù)必需的電路在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)，只有諧振回路電感(由它設(shè)置振蕩頻率)是片外的。

一旦選擇了正確的外部電感值，在調(diào)諧電壓范圍內(nèi)(+0.4VDC至+2.4VDC)的某值一定能夠?qū)C調(diào)諧至相應(yīng)的頻率。IC的調(diào)諧電壓輸入可以直接由鎖相環(huán)(PLL)后面的環(huán)路濾波器輸出驅(qū)動(dòng)。MAX2605-MAX2609 IC設(shè)計(jì)為使用+2.7VDC至+5.5VDC的電壓供電，與電源的連接不需要特殊的規(guī)則。每一款I(lǐng)C都使用小型的6引腳塑膠SOT23封裝(圖2)。

圖2. MAX2605-MAX2609 IF VCO IC采用6引腳表貼SOT23封裝，所占PCB面積被降至最小。

MAX2605可以從45MHz調(diào)諧至70MHz，在距離載波100kHz處的相位噪聲為-117dBc/Hz。對(duì)于其它器件，這些參數(shù)分別為，70MHz至150MHz，距離載波100kHz處的相位噪聲-112dBc/Hz (MAX2606)，150MHz至300MHz，相位噪聲-107dBc/Hz (MAX2607)，300MHz至500MHz，相位噪聲-100dBc/Hz (MAX2608)， 500MHz至650MHz，相位噪聲-93dBc/Hz (MAX2609)。

頻率調(diào)諧范圍、偏置、起振和其它的振蕩器特性都在IC內(nèi)部管理，消除了VCO設(shè)計(jì)中常見的難題。由于使用片內(nèi)變?nèi)荻O管和電容器，不需要外部調(diào)諧元件，從而簡(jiǎn)化了IF VCO設(shè)計(jì)。電感與振蕩頻率關(guān)系的曲線圖(見MAX2605-MAX2609數(shù)據(jù)資料)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了選擇外部電感的工作。

MAX2605家族產(chǎn)品對(duì)于RF設(shè)計(jì)者來說具有幾個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。這些IC組成的VCO是無需微調(diào)的，因此不需要外部調(diào)節(jié)。為了給雙變頻系統(tǒng)提供所需的IF頻率，它們能覆蓋很寬的應(yīng)用頻率范圍。除此之外，它們擁有靈活的輸出接口幫助降低IF VCO的成本并縮小最終電路占用的面積。

MAX2605-MAX2609體現(xiàn)了VCO的一種全新的概念，它們需要完全新的電路方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品目標(biāo)。Maxim設(shè)計(jì)了一種基于可靠而且靈活的Colpitts結(jié)構(gòu)的振蕩器。采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使所有的振蕩器電路元件(除了電感)都可以集成到IC里面去。將幾乎整個(gè)振蕩器都集成到芯片內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)好的VCO所有期望的目標(biāo)：合適的起振、寬頻率范圍、無調(diào)節(jié)應(yīng)用中必要的調(diào)諧特性、可控制的電流消耗和不依賴于溫度與電源電壓的偏置。

片外電感使VCO能夠?qū)崿F(xiàn)很寬的工作頻率范圍。在片內(nèi)電容不變的情況下，僅改變外部電感就能修改振蕩器諧振回路的諧振頻率。如果電感的品質(zhì)因數(shù)(Q)得到保證，相位噪聲和起振的性能就能得到保證(圖3)。

圖3. 這幅簡(jiǎn)化的MAX2605-MAX2609 VCO IC電路圖表明只需要一個(gè)外部電感器就能組成整個(gè)諧振電路并設(shè)置振蕩器的頻率。

為了實(shí)現(xiàn)這種新的方法，在IC技術(shù)中需要利用有源和無源元件的相互補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)圖中所示的振蕩器電路。特別地，制造工藝必須要提供高頻晶體管、高Q值電容、具有高電容比和高Q值的變?nèi)荻O管以及PNP或PMOS器件。

MAX2605-MAX2609是使用硅BiCMOS工藝制造的，這種工藝是為包含單片振蕩器結(jié)構(gòu)的RF IC專門開發(fā)的。這種工藝能夠制造PNP、NMOS和PMOS器件，如具有25GHz特征頻率(fT)的NPN晶體管、電容比優(yōu)于2:1的低串聯(lián)阻抗變?nèi)荻O管(調(diào)諧電壓為0.4V至2.4V)、非常高Q值的金屬-絕緣體-金屬(MIM) RF電容、精密的細(xì)薄膜電阻和三層金屬。

這種器件的完全互補(bǔ)使用才能實(shí)現(xiàn)完整的IC。VCO設(shè)計(jì)需要仔細(xì)和大量的計(jì)算機(jī)仿真，還包括為了不同方面的性能而進(jìn)行的多次反復(fù)設(shè)計(jì)，這樣才能確保在所有的工作條件下滿足所有的規(guī)范和要求。

最后，為保證振蕩器具有足夠的頻率調(diào)諧范圍以補(bǔ)償由元件公差造成的工作頻率漂移，Maxim選擇進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試并得出一組可靠的頻率極限數(shù)據(jù)。這些極限頻率給MAX2605-MAX2609用戶提供了一組可靠的最高和最低調(diào)諧頻率值(fMAX和fMIN)，通過檢測(cè)的IC在調(diào)諧電壓(VTUNE)為0.4V時(shí)的振蕩頻率(fOSC) ≤ fMIN ，VTUNE = 2.4V時(shí)fOSC ≤ fMAX 。假設(shè)外部電感具有±2%的誤差，包括溫度漂移和很小的設(shè)計(jì)中心誤差(<0.5%)，這一測(cè)試結(jié)果說明不用調(diào)節(jié)外部電感值VCO也可以保證調(diào)諧到由電感確定的工作電壓。最終的結(jié)果即實(shí)現(xiàn)了無需微調(diào)的VCO設(shè)計(jì)。

MAX2605-MAX2609的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單和容易理解，只包括兩個(gè)很簡(jiǎn)單的步驟:

選擇并安裝外部電感設(shè)置預(yù)期的振蕩頻率。

對(duì)輸出級(jí)負(fù)載進(jìn)行電阻或電抗匹配(圖4)。

圖4. 這幅簡(jiǎn)單的原理圖給出了MAX2605-MAX2609 VCO IC的典型應(yīng)用。

VCO的額定工作頻率(fNOM)由IND (pin 1)的外部電感值唯一確定，如下面的曲線所示(圖5)。

圖5. 本圖為MAX2607 VCO IC的預(yù)期振蕩頻率與所需的總調(diào)諧電感值(LF)的函數(shù)關(guān)系(150MHz至300MHz)。

為實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作頻率選擇的電感值(LF)不需與表貼電感元件的標(biāo)準(zhǔn)值保持一致，表貼元件標(biāo)準(zhǔn)值的變化臺(tái)階一般以大約1.2的因數(shù)增大。在這種情況下為了得到想要的電感值，必需用兩個(gè)電感實(shí)現(xiàn)：LF1和LF2。LF1是小于且最接近預(yù)期值的標(biāo)準(zhǔn)值。LF2是小于LF - LF1并且最接近它的標(biāo)準(zhǔn)值。LF1應(yīng)該符合最小的Q值要求，而LF2可以使用成本較低的薄膜SMT型元件實(shí)現(xiàn)。由于它的值占總值的20%還要少，所以其較低的Q值對(duì)總Q值的影響很小。

還可以使用PCB導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)小電感以調(diào)節(jié)總電感值。對(duì)于MAX2608/MAX2609電路來說，使用PCB上與地短接的導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)LF2比用SMT元件具有更精確的電感值。一旦在IND引腳實(shí)現(xiàn)了所需的電感值，VCO一定可以在所有的元件誤差、工作溫度和供電電壓范圍內(nèi)調(diào)諧到其振蕩頻率。

MAX2605-MAX2609 VCO在振蕩器核心電路之后是差分輸出放大器。放大級(jí)提供寶貴的隔離并為IF功能電路如混頻器和PLL預(yù)定標(biāo)電路(PLL prescaler)提供靈活的接口。輸出可以采用單端形式或差分形式，但是最大輸出功率和最低諧波輸出只在差分輸出模式才能得到。兩個(gè)集電極開路輸出(OUT-與OUT+)都需要上拉元件才能達(dá)到集電極電壓(VCC)。輸出級(jí)可以使用上拉電阻或電感。使用上拉電阻是實(shí)現(xiàn)輸出接口的最直接的辦法，它在較低的工作頻率或者對(duì)電壓擺動(dòng)的需要很小的應(yīng)用中效果很好。

當(dāng)需要更大的電壓擺動(dòng)或輸出功率時(shí)，要為大于負(fù)載電阻/電容網(wǎng)絡(luò)的3dB帶寬的頻率進(jìn)行無功功率匹配。匹配網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有并聯(lián)電感和串聯(lián)電容的簡(jiǎn)單電路。為了給輸出級(jí)提供DC偏置，用電感把OUT-和OUT+與VCC連接起來，在OUT-和OUT+與負(fù)載之間串聯(lián)上電容。電感和電容的取值根據(jù)工作頻率和負(fù)載阻抗決定。輸出和任何傳統(tǒng)的差分輸出都一樣。唯一的約束條件是需要VCC上拉器件和對(duì)OUT-、OUT+電壓擺動(dòng)的限制。

比較使用這兩種方法所需的設(shè)計(jì)時(shí)間就能看出其中的巨大差別。經(jīng)典的/分立元件方法要進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，成功地開發(fā)出分立IF VCO需要幾個(gè)星期的時(shí)間，在實(shí)現(xiàn)可靠的、能夠投產(chǎn)的設(shè)計(jì)之前可能需要多次的反復(fù)。另一方面，MAX2605-MAX2609可以使VCO的設(shè)計(jì)在數(shù)分鐘內(nèi)完成，而驗(yàn)證和測(cè)試僅僅需要一個(gè)下午的時(shí)間。

由于MAX2605-MAX2609解決了頻率調(diào)諧范圍、偏置和起振的問題，它們徹底地消除了在以往的VCO設(shè)計(jì)中遇到的難題。只需根據(jù)想要的振蕩頻率選擇一個(gè)外部電感和輸出負(fù)載。閱讀MAX2605-MAX2609數(shù)據(jù)資料中提供的圖表得到想要的電感值就能輕松地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

在材料成本方面，MAX2605-MAX2609可以比得上傳統(tǒng)的分立元件IF VCO。對(duì)于制造來說，由于需要很少的元件，Maxim能夠?qū)崿F(xiàn)更便宜的IF VCO，其中每一元件可節(jié)省$0.03。

審核編輯：郭婷