VCO電壓控制振蕩器的原理、選型和應(yīng)用

許多電子應(yīng)用需要根據(jù)其他信號(hào)的幅值來(lái)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(lái)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(shuō)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(guò)來(lái)自不同供應(yīng)商的實(shí)際案例來(lái)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(lái)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(wú)鑰匙進(jìn)入等跳頻應(yīng)用（圖1）。

圖1：需要通過(guò)施加電壓信號(hào)來(lái)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(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)（下圖）。（圖片來(lái)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(guò)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。之后，我們會(huì)簡(jiǎn)要介紹模塊化和單片解決方案。

使用分立式VCO，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(jiàn)，特別是在業(yè)余無(wú)線電領(lǐng)域。這類設(shè)計(jì)用于高頻無(wú)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(lái)源：Digi-Key Electronics）

所有的振蕩器都是基于使用正反饋來(lái)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(lái)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(guò)電路中所示的雙電感或分接電感（L1和L2）來(lái)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(guò)采用變?nèi)荻O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(lái)提供可變電容的結(jié)型二極管。P-N結(jié)經(jīng)過(guò)反向偏置，并且可以通過(guò)改變所施加的直流偏置電壓來(lái)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8V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(lái)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(guò)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1GHz，調(diào)諧范圍約100MHz。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(lái)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1GHz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(guò)渡頻率為10GHz，增益為18.8分貝 (dB)，BFP420FH6327XTSA1的過(guò)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(lái)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PCB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(kāi)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(lái)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(lái)說(shuō)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(guò)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(lái)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-0325-0775VCO（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1.25in.，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+7dBm（典型值），10千赫茲(kHz) 載波偏移時(shí)相位噪聲為-98dBc/Hz，100kHz時(shí)為-118dBc/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 0.59in.。（圖片來(lái)源：Crystek Corporation）

在動(dòng)態(tài)控制方面，Crystek VCO的典型調(diào)諧靈敏度為45MHz/V。電源推進(jìn)指定為0.5MHz/V（典型值），最大1.5MHz/V。負(fù)載牽引最大為5.0MHz 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(guò)雙變?nèi)荻O管控制電壓。該器件在其8針?lè)庋b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+5.5V，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 - 950MHz，涵蓋了902 - 928MHz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50Ω負(fù)載輸送的輸出功率水平為-3dBm，且在100kHz偏移下的典型相位噪聲為-101dBc/Hz。控制電壓范圍為0.4 - 2.4V，負(fù)載牽引一般為0.75MHz (pk-pk)。電源推進(jìn)為280kHz/V（典型值）。封裝尺寸為0.12 × 0.12 × 0.043in.(3.03 x 3.05 x 1.1mm)。

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 - 10.8GHz，調(diào)諧電壓范圍為2 - 13V。該器件專用于衛(wèi)星通信、多點(diǎn)無(wú)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(lái)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100kHz偏移下，相位噪聲為-110dBc/Hz。負(fù)載牽引一般為5MHz峰峰（典型值）。電源推進(jìn)通常是5V電壓下30MHz/V（典型值）。該器件采用QFN 5 x 5mm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)。

本文小結(jié)

無(wú)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(lè)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。