用于压控振荡器(VCO)的低噪声调谐二极管

用于压控振荡器(VCO)的低噪声调谐二极管

几乎所有的射频振荡器都是电压控制的。主要的单边带噪声来自晶体管的固有噪声源和调谐二极管的噪声。已公布的晶体管闪烁噪声指数（AF）和闪烁噪声系数（KF）值通常是在μV射频水平和正常直流工作条件下确定的。由于振荡器中的射频水平要高得多，在电路分析中必须考虑这一点。

由于数字应用的要求，大多数半导体公司改变了调谐二极管的生产工艺，其结果是振荡器相位噪声恶化。另外，没有一家二极管制造商规定振荡器的相位噪声，因为有太多的振荡器电路的变化。

为了开发和鉴定低噪声调谐二极管，有必要描述适当的振荡器，分析其关键的半导体元件，最后将调谐二极管与固定电容器的理想情况进行比较。

三电抗振荡器的分析

图1显示了一个振荡器的一般电路。这通常被称为Colpitts振荡器1。它有一个电容分压器、Z1和Z2、以及一个电感Z3。它的相位噪声可以用微波仿真器确定。然而，通过这些程序，不可能区分出对输出信号的各个噪声贡献。因此，这里提出了对振荡器电路方程的直接分析。有源器件是一个三端器件，通常是一个晶体管2。

图1 使用放大器模型的通用振荡器电路。ZL是负载。

图2 Colpitts振荡器的基极引线电感Lp以及封装电容Cp。3, p.132

图2显示了Colpitts振荡器，包括引线和封装寄生电容。在实践中，调谐电路的损耗部分是电感。Rs1是谐振器的损耗。将Colpitts振荡器的输入阻抗ZIN（图1）拆分为实部和虚部，得到：

其中：

RN：不含引线电感和封装电容的负电阻

RNEQ：带基极引线电感和封装电容的负电阻

CEQ：带基极引线电感和封装电容的等效电容。

所示方法是基于单口振荡器的结构。3,4,5 ZIN的负实部补偿了平行调谐电路的电阻损耗。

方程（1b）可以解出CEQ，见方程（2a），虚部。补偿调谐电路损耗所需的电阻ZIN,package的"噪声"负实部的精确计算由以下公式给出：

左边部分是"噪声"输入电阻的负值部分。本征值RN是：

这是一个嘈杂的电子产生的负电阻。它结合了所有内部噪声源，在振荡器载波频率上进行调制。

Leeson的经验相位噪声模型

E.J.Baghdady等人6首先给出了相位噪声的定义。单边带相位噪声方程式（3）是David Leeson7、Scherer和Rohde8给出的。Scherer是第一个将闪烁效应引入Leeson方程的人，Rohde是第一个加入AM-PM（VCO，方程中的最后一项）转换效应的人，该效应由有源器件的非线性电容引起。

Leeson的完整相位噪声方程由以下公式给出：

其中：

£(fm)=1Hz带宽内fm的边带功率与总功率之比，单位为dB

fm=频率偏移，或调制频率

f0=中心频率

fc=闪烁角频率

QL=调谐电路的负载Q，应是无负载谐振器Q0的一半（功率匹配）

F=大信号噪声系数

kT=4.1×10-21，在300K（室温）下

Psav=振荡器输出的平均功率

R=调谐二极管的等效噪声电阻（通常为200Ω至10kΩ]。

K0=振荡器电压增益

k=玻尔兹曼常数。

方程（3）的图形显示在图3中。问题是必要的数据，如输出功率、大信号噪声系数、加载的Q值和闪烁噪声，都不是预先知道的。另一个问题是，它没有提供半导体器件的实际噪声贡献。下面显示，VCO中调谐二极管的相位噪声贡献是关键部分，而不是晶体管本身。固定频率振荡器是最好的相位噪声例子。

图3 振荡器相位噪声的等效反馈模型。3,8

根据fc和f0/2QL之间的关系，有两种情况值得关注。对于低Q值的情况，频谱相位噪声不受谐振器Q值的影响，但£(fm)谱密度将显示在靠近载波的地方有1/f3和

　　审核编辑：汤梓红