【導讀】許多電子應用需要根據其他信號的幅值來改變某個信號的頻率。調頻信號便是一個很好的例子，其中的載波頻率隨著調制源幅值的變化而變化。此外，還有鎖相環 (PLL)：這種電路使用控制系統來改變振蕩器的頻率和/或相位，以匹配輸入參考信號的頻率/相位。
設計者的目標是：確定如何盡可能以高效、低成本的方式實現該功能，同時確保精度、可靠性以及不受時間和溫度影響的穩定性。
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在合理的范圍內隨輸入信號的電壓幅值變化而變化的輸出信號。壓控振蕩器可用于PLL、頻率和相位調制器、雷達和許多其他電子系統中。
本文將說明為什么VCO往往是設計者實現這一功能的最佳選擇，然后簡要介紹VCO的工作原理，以及從分立元器件設計到單片VCO IC的各種VCO設計。然后，通過來自不同供應商的實際案例來探討如何指定VCO，以匹配特定應用。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，許多電子應用需要根據另一個信號的幅值來改變或控制某個信號的頻率或相位。典型應用包括通信系統、雷達中的頻率啁啾、PLL中的相位跟蹤以及遠程無鑰匙進入等跳頻應用（圖1）。
圖1：需要通過施加電壓信號來控制頻率或相位變化的應用實例包括：通信系統中的調頻（上圖）、雷達中的頻率啁啾（下圖第二張）、鎖相環路中的相位跟蹤（下圖第三張）以及跳頻應用，如遠程無鑰匙進入系統（下圖）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
VCO專門用于產生一種頻率會根據輸入信號的幅值在合理范圍內變化的輸出信號。
VCO如何工作
VCO分為分立、模塊化和單片形式，但通過對分立式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非常重要。之后，我們會簡要介紹模塊化和單片解決方案。
使用分立式VCO，設計者能夠極其靈活地滿足定制指標。這種方法在自己動手 (DIY) 項目中尤為常見，特別是在業余無線電領域。這類設計用于高頻無線電項目，基于經典的振蕩器拓撲結構，包括Hartley和Colpitts電感電容 (LC) 振蕩器（圖2）。
圖2：經典振蕩器包括Hartley和Colpitts LC振蕩器，可以作為VCO的設計基礎。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
所有的振蕩器都是基于使用正反饋來實現持續振蕩的。Hartley和Colpitts振蕩器是基本設計，用不同方式產生正反饋。正反饋要求振蕩器輸出的信號返回到輸入端，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）來實現倒相。Colpitts振蕩器在相應電路中采用了由Ct1和Ct2組成的容性分壓器。從這些基本設計衍生出許多設計，每個設計都有自己的名稱。這些衍生設計嘗試將振蕩電路與放大器隔離，以防止負載造成頻率偏移。這樣的衍生設計有很多，設計者可以從中挑選自己喜歡的。
通過采用變容二極管為這些設計增加頻率控制功能，從而改變振蕩電路的諧振頻率，變容二極管有時也稱為變容器二極管，是專門用來提供可變電容的結型二極管。P-N結經過反向偏置，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。變容二極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超突變結變容二極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變容二極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生反向變化的。（圖片來源：Skyworks Solutions）
變容二極管的電容范圍決定了VCO的調諧范圍。振蕩器的電壓控制是通過增加變阻器與振蕩電路并聯實現的，如圖4所示。圖中所示為一個中心頻率為1千兆赫(GHz)、調諧范圍約為100兆赫 (MHz) 的Colpitts振蕩器VCO的評估板參考設計。該參考設計集成了一個射極跟隨器緩沖器，以隔離VCO的負載變化。本設計中的諧振電路包括電感L3和電容C4、C7、C8。變容二極管VC1與振蕩電路并聯。電容器C4控制給定變容二極管的頻率變化范圍，而C7和C8則提供維持振蕩所需的反饋。
圖4：Colpitts振蕩器VCO的評估板參考設計，其中心頻率為1GHz，調諧范圍約100MHz。變容二極管VC1（左下）與振蕩電路并聯，由電感L3和電容C4、C7、C8組成。（圖片來源：NXP Semiconductors）
變容二極管和雙極結晶體管的選擇取決于振蕩器頻率。對于1GHz的標稱頻率，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時都有足夠的增益帶寬積來適應該電路。
總之，分立式VCO的設計靈活性最大，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指標通常從標稱頻率范圍開始，即可獲得的最低和最高頻率。另外，這些參數也可以被指定為標稱頻率或中心頻率以及調諧范圍。
輸入調諧電壓范圍對應于輸入電壓擺動，在調諧范圍內對VCO進行調諧（圖5）。
圖5：輸出頻率作為輸入調諧電壓函數時的調諧曲線圖，可以讓您基本了解相比線性擬合的VCO線性度。輸出頻率與調諧電壓的斜率就是調諧靈敏度。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
調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。這是衡量調諧線性的標準。在VCO處于控制環路中的應用中，如PLL，調諧靈敏度是VCO元件的增益，可能會影響控制環路的動態性能和穩定性。
VCO的輸出功率規定了向指定阻抗負載輸送的功率，對于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，功率輸出的平坦度也是值得關注的。
負載牽引是指由于負載阻抗變化而引起的VCO輸出頻率變化，測量單位為MHz峰峰值 (pk-pk)。通常，通過使用類似圖4所示的發射極跟隨器之類的緩沖放大器來提高負載隔離度。
電源推進是指由于電源電壓的變化而導致VCO輸出頻率變化的現象。其單位是MHz/V。
相位噪聲規格是VCO信號的純度指標。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制，且擴大了頻譜響應。相位噪聲是由振蕩器電路內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。頻域的相位噪聲會導致時域出現時序抖動，表現為時間間隔誤差(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) 載波偏移時相位噪聲為-98dBc/Hz，100kHz時為-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.。（圖片來源：Crystek Corporation）
在動態控制方面，Crystek VCO的典型調諧靈敏度為45MHz/V。電源推進指定為0.5MHz/V（典型值），最大1.5MHz/V。負載牽引最大為5.0MHz pk-pk。
單片VCO
VCO可以作為單片IC實施。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計的。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VCO，通過雙變容二極管控制電壓。該器件在其8針封裝內置了一個輸出緩沖器。（圖片源：Maxim Integrated）
該設計包括片載振蕩器電感和變容二極管。該器件的工作電源為+2.7至+5.5V，電流消耗僅8毫安 (mA)。MAX2623是該產品系列中的三款VCO之一，每款VCO都有不同的預期工作頻率，因此各不相同。MAX2623的調諧范圍為885 - 950MHz，涵蓋了902 - 928MHz的工業、科學和醫療 (ISM) 頻段，可用作本地振蕩器。該VCO向50Ω負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，負載牽引一般為0.75MHz (pk-pk)。電源推進為280kHz/V（典型值）。封裝尺寸為0.12 × 0.12 × 0.043in.(3.03 x 3.05 x 1.1mm)。
另一個單片VCO的例子是Analog Devices的HMC512LP5ETR。該VCO的頻率范圍為9.6 - 10.8GHz，調諧電壓范圍為2 - 13V。該器件專用于衛星通信、多點無線電和軍事應用（圖8）。
圖8：Analog Devices的HMC512LPETR VCO的框圖，顯示了集成變容二極管和具有集成諧振器的振蕩器內核。（圖片來源：Analog Devices）
這種單片微波集成電路 (MMIC) VCO采用GaAs和InGaP異質結雙極晶體管，使用5伏直流電源，可實現寬帶寬和對50Ω負載的+9dBm輸出功率水平。在100kHz偏移下，相位噪聲為-110dBc/Hz。負載牽引一般為5MHz峰峰（典型值）。電源推進通常是5V電壓下30MHz/V（典型值）。該器件采用QFN 5 x 5mm表面貼裝封裝。請注意，該VCO 還包括半頻和四分之一頻輔助輸出。這些小數頻率輸出可用于驅動PLL合成器，以便在需要時鎖定VCO初級輸出，或同步其他時序鏈信號。
體積小巧既是這兩種單片VCO器件的特點，也是其主要優勢。
本文小結
無論是分立式、模塊化還是單片式VCO，都能滿足許多應用對基于電壓的頻率控制的需求。這些器件用于函數發生器、PLL、頻率合成器、時鐘發生器和模擬音樂合成器。雖然這些器件都相對簡單，但正確使用則需要充分了解其工作方式和主要指標。一旦了解了這些知識，就會發現有很多設計和供應商可供選擇。
來源：DigiKey
作者：Art Pini
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