分立元件VCO能夠提供足夠的自由度來(lái)滿足大多數(shù)系統(tǒng)的性能要求（調(diào)諧范圍、輸出功率、相位噪聲、電流消耗等等）。然而，對(duì)于具有較大批量、價(jià)格敏感的現(xiàn)代產(chǎn)品，振蕩頻率的生產(chǎn)線調(diào)整是不可接受的。這迫使射頻工程師必須設(shè)計(jì)出一個(gè)不需要在安裝過(guò)程中調(diào)整的VCO，即免調(diào)節(jié)VCO。這項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)并不簡(jiǎn)單，除了要掌握VCO的基本設(shè)計(jì)原理外，還需要射頻工程師花費(fèi)大量精力來(lái)保證設(shè)計(jì)的一致性，而且在各種因素（如元件參數(shù)、溫度及電源電壓等）允許的變化范圍內(nèi)，振蕩器始終調(diào)諧在正確的頻率。本文試圖對(duì)這項(xiàng)任務(wù)的重要性給出一個(gè)評(píng)價(jià)，同時(shí)解釋一些和免調(diào)節(jié)中頻VCO設(shè)計(jì)有關(guān)的問題。 VCO結(jié)構(gòu) ----有多種可行的振蕩器結(jié)構(gòu)都可用于構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的射頻VCO，其中一種已經(jīng)在許多商品化VCO模塊和不計(jì)其數(shù)的分立VCO電路中得到了成功應(yīng)用，這就是Colpitts共集電極電路（圖1）。該結(jié)構(gòu)可用于很寬的工作頻率范圍，從中頻直到射頻。
靈活、廉價(jià)、并具有足夠高性能的VCO可基于一個(gè)由廉價(jià)的表貼電感和變?nèi)?a href="http://m.54549.cn/keyword/二極管" target="_blank" class="relatedlink">二極管組成的電感-電容（LC）諧振槽路組成。振蕩器槽路是一個(gè)并聯(lián)諧振電路，控制著振蕩頻率，電感或電容的任何變化都會(huì)改變振蕩頻率。電感和壓變電容能夠以并聯(lián)或串聯(lián)模式的網(wǎng)絡(luò)形式實(shí)現(xiàn)可變諧振。并聯(lián)模式網(wǎng)絡(luò)（圖2）可用于較低頻率，因?yàn)榇笾祲鹤冸娙蓦y以實(shí)現(xiàn)而電感可以做得比較大。并聯(lián)模式配置還使于對(duì)振蕩器做直觀地分析。
對(duì)于Colpitts振蕩器可以采用一種簡(jiǎn)化的、精確性稍差的方法來(lái)加以分析，并得到一組更清晰、更直觀的設(shè)計(jì)方程，有助于一階振蕩器的設(shè)計(jì)。首先，Colpitts振蕩器可重畫為一個(gè)帶有正反饋的LC放大器（圖3）。這個(gè)視點(diǎn)易于計(jì)算環(huán)路增益、振蕩幅度和相位噪聲。為了描述啟動(dòng)過(guò)程和振蕩頻率，最初的電路也可重畫為一個(gè)負(fù)阻加諧振器結(jié)構(gòu)（圖4）。從上述兩個(gè)視點(diǎn)得到的一系列方程聯(lián)合起來(lái)構(gòu)成一組Colpitts振蕩器的設(shè)計(jì)方程（Meyer 1998）。
在圖2中，不考慮分布參數(shù)，并假定CC>>C1和C2，并有C1>Cπ（Cπ為三極管基-射結(jié)電容）。振蕩頻率可按下式計(jì)算： f0=1/(2π√(L*CT)), CT=CV+C12...........................(1) CV=(CVAR*C0)/(CVAR+C0), C12=(C1*C2)/(C1+C2) 諧振電路的品質(zhì)因數(shù)（QT）可按下式計(jì)算： QV≌1/(2π*CV*RS*F0), RQC=QV2*RS..........................(2) QT≌REQ/(2π*L*F0), REQ=RQL‖RQC 振蕩幅度可按下式估算： V0=2*IQ*REQ*(J1(β)/J0(β)), V0=IQ*REQ*1.4.............(3) 環(huán)路增益和起振條件按下式計(jì)算： 環(huán)路增益=gm*REQ*1/n, 當(dāng)n=(C1+C2)/C2.......................(4) 起振條件： gm/((2π*C1*f0)(2π*C2*f0))>>(REQ/QT2)....................(5) 距離中心頻率一定頻偏（fm）處Colpitts振蕩器的相位噪聲（PN）可按下式計(jì)算： PN=in2*(1/V02)*[f0/(2Q0)]2*(REQ2/fm).....................(6) 上述公式中：Co=壓變電容耦合電容：CT=總諧振電容；CVAR=壓變電容；fm=以Hz為單位的相位噪聲頻偏；fo=振蕩頻率；gm=雙極晶體管跨導(dǎo)；in=集電結(jié)散粒噪聲；IQ=振蕩晶體管偏流；QL=電感Q；QT=諧振電路Q；QV=等效壓變電容Q；REQ=諧振電路等效并聯(lián)電阻；RS=壓變電容串聯(lián)電阻； VO=諧振電壓均方根值。 免調(diào)節(jié)VCO的設(shè)計(jì)考慮 免調(diào)節(jié)VCO從概念上講非常簡(jiǎn)單。只要振蕩器具有足夠?qū)捲５恼{(diào)諧范圍來(lái)消除所有的誤差源（如元件容差）所引起的頻率偏移，振蕩頻率的調(diào)整就可以省去。初看起來(lái)，這項(xiàng)任務(wù)非常簡(jiǎn)單明了，只需提供足夠的調(diào)諧范圍來(lái)覆蓋所有的誤差源即可。然而，對(duì)于一個(gè)給定的調(diào)諧電壓范圍，有限的可變電容限制了頻率調(diào)諧范圍，而且，VCO的電性能要求往往進(jìn)一步將調(diào)諧范圍限制在更窄的區(qū)間內(nèi)。另外，過(guò)大的調(diào)諧范圍還會(huì)給振蕩器帶來(lái)一些負(fù)面影響。很寬的調(diào)諧范圍要求壓變電容至槽路間有很重的容性耦合，這會(huì)嚴(yán)重降低諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q。所帶來(lái)的結(jié)果便是更大的相位噪聲、對(duì)調(diào)諧線噪聲更為敏感、壓變電容兩端過(guò)大的電壓擺幅、潛在的啟動(dòng)問題等，并給環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難。 較寬的調(diào)諧范圍可通過(guò)兩個(gè)容易理解的途徑增大振蕩器的相位噪聲：降低諧振電路Q值和調(diào)諧線噪聲的影響。要獲得更寬的調(diào)諧范圍，壓變電容必須通過(guò)一個(gè)更大的電容耦合到諧振電路。這會(huì)降低CV（等效可變電容）的Q值，如方程（2）所示。CV的Q值降低同時(shí)使諧振電路凈Q值也降低，因而導(dǎo)致相位噪聲增加，如方程（6）所示。致使相位噪聲增加的第二個(gè)因素是調(diào)諧輸入端的熱噪聲，它會(huì)產(chǎn)生頻率調(diào)制的邊帶噪聲。該項(xiàng)噪聲隨著調(diào)諧范圍而增加，并有可能超過(guò)振蕩器的固有相位噪聲。由熱噪聲引起的相位噪聲可由下式計(jì)算： PN=201og[√2*KV*Vn/(2*fm)], Kv=VCO增益(Hz/V),Vn=噪聲密度(V/√(Hz).........................(7) 顯然，兩種情況的相位噪聲都隨著調(diào)諧范圍的增加而增大。因此要便免調(diào)節(jié)VCO保持較低的相位噪聲，至關(guān)重要的是設(shè)定一個(gè)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)諧范圍，保證帶寬要求并能容納各種可預(yù)見的誤差源。由于壓變電容耦合的加重，更多的諧振電壓擺幅會(huì)出現(xiàn)在壓變電容兩端，而壓變電容電壓的擺幅必須加以限制以防壓變電容被正向偏置。這就限制了諧振電路中的信號(hào)功率，因而也就影響到振蕩器的相位噪聲。最后，當(dāng)諧振電路的等效串聯(lián)電阻過(guò)大時(shí)還會(huì)帶來(lái)起振問題（參見基本方程）。頻率調(diào)諧范圍過(guò)寬的VCO可能無(wú)法正常起振，尤其是在極限溫度下。那么，要實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)諧范圍，首先碰到的問題就是確定恰當(dāng)?shù)恼{(diào)諧范圍。 影響振蕩率的誤差源 為了適應(yīng)影響振蕩頻率的各種誤差源，免調(diào)節(jié)VCO的頻率調(diào)諧范圍必須增加。這些誤差源可分為兩類：元件參數(shù)誤差和設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)誤差。設(shè)定振蕩頻率的LC元件當(dāng)然是非理想的，它們會(huì)帶來(lái)以下問題：
附表列出了振蕩器中頻率設(shè)定元件的典型容差。另一方面，設(shè)計(jì)過(guò)程中在對(duì)準(zhǔn)VCO調(diào)諧范圍時(shí)的不確定因素還會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)誤差。設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)作為一個(gè)振蕩頻率建立中的誤差來(lái)源常常被忽視。為了充分利用現(xiàn)有的頻率調(diào)諧范圍，調(diào)諧邊界必須相對(duì)于預(yù)期的振蕩頻率相對(duì)稱。在建立這個(gè)中心點(diǎn)時(shí)的任何誤差，主要是由元件模型的初始值或平均值的不精確性而引起，都會(huì)降低可用的調(diào)諧范圍。為了在各種溫度、電源電壓、元件容差等條件下保證振蕩頻率，調(diào)諧范圍必須足夠?qū)挘员闳菁{該誤差�？梢岳谜袷庮l率公式計(jì)算出總的頻率誤差，只需對(duì)其中的每項(xiàng)元素乘以一個(gè)比例因子即可。
頻率偏移和調(diào)諧范圍 頻率調(diào)諧范圍可通過(guò)改變調(diào)諧電壓獲得，從VTUNE（LOW）到VTUNE（HIGH），具有高、低頻率邊界（fHIGH和flow）和一個(gè)位于fHIGH和fLOW中點(diǎn)的“中心”頻率（fcenter）（圖5）。理想情況下，調(diào)諧范圍應(yīng)安排在使fCENTER恰好位于期望頻率的位置（圖5a）。然而，元件誤差和設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)誤差可能會(huì)使頻率調(diào)諧區(qū)間發(fā)生偏移。如果在最差情況下，系統(tǒng)提供的調(diào)諧電壓不足，不能獲得足夠的頻率調(diào)諧范圍，則期望的振蕩頻率就無(wú)法達(dá)到（圖5b）。顯然，仔細(xì)確定調(diào)諧范圍需求是很有必要的。這可能過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)，首先計(jì)算出所有誤差源所引起的頻率偏差，然后確定最差情況下的fLOWfOSC且fHIGH>fOSC（圖5c）。 設(shè)計(jì)驗(yàn)證 線路板布局和元件選擇完成之后，還需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。通常，必須檢查調(diào)諧范圍、啟動(dòng)性能、相位噪聲等等性能是否符合設(shè)計(jì)要求。此外，測(cè)試必須基于一個(gè)統(tǒng)計(jì)有效的生產(chǎn)流程數(shù)量之上，以使確定調(diào)諧范圍和平均中心頻率，以及它們相對(duì)于預(yù)期振蕩頻率的相對(duì)位置。所有這些工作都是得到一個(gè)穩(wěn)定的、可重復(fù)生產(chǎn)并具有預(yù)期性能的設(shè)計(jì)所必需的。Maxim公司已開發(fā)出新款VCO IC MAX2620，解決了VCO的設(shè)計(jì)難題，同時(shí)顯著縮短了實(shí)現(xiàn)免調(diào)節(jié)中頻VCO所必需的時(shí)間。 | |||||||||||||||||||||
