中频压控振荡器的IC简化实现

新的集成电路系列可以简化为IF应用开发紧凑型固定频率压控振荡器（VCO）的任务。

设计用于固定中频 （IF） 的 VCO 可能令人望而生畏。幸运的是，Maxim的VCO IC （MAX2605-MAX2609）可以简化任务。与传统的分立器件VCO相比，Maxim器件成本更低，需要的印刷电路板空间更小。

在传统的 IF VCO 设计中，振荡器内核和输出缓冲级由分立晶体管、电阻、电容器和电感组成（图 1）。该谐振箱由频率设置电感器、变容二极管、耦合电容器和反馈电容器组成的网络构成。输出级使用电抗元件将输出阻抗与特定负载阻抗相匹配。

图1.该原理图显示了使用分立电路元件实现的IF VCO。

为了确保设计成功，元件值不仅必须建立所需的标称振荡频率，而且还必须保证足够的调谐范围、适当的偏置、振荡器在所有条件下的启动以及适当的输出级性能。即使采用良好的一阶设计，也会出现问题，因为电流消耗、启动裕量、频率调谐范围和相位噪声之间存在权衡。

分立式中频VCO设计的一个主要缺点是所需的PCB面积很大。必须花费大量精力将布局优化到6mm x 10mm以下。此外，印刷电路板布局对VCO的性能和设计精度也有着关键的影响。布局包含影响振荡频率的寄生电容和电感，因此必须考虑在内才能正确实现振荡器。寄生元件通常会在标称振荡频率中带来不希望的偏移，从而导致更大的设计中心误差，并最终迫使需要更大的调谐范围来解释这些误差。

MAX2605-MAX2609 IF VCO系列提供了更好的选择。这五款IC专为中频频率在45MHz至650MHz范围内的低功耗、固定和单频便携式无线应用而设计。大部分所需电路都包含在片内;只有谐振电感器（建立振荡频率）是外部的。

一旦选择了正确的外部电感值，IC就会保证调谐电压范围内（+0.4VDC至+2.4VDC）中的某个电平将调谐到相应的频率。IC的调谐电压输入可直接从锁相环（PLL）之后的环路滤波器输出驱动。MAX2605-MAX2609 IC设计用于+2.7VDC至+5.5VDC范围的电源电压，电源电压连接无需特殊调节即可正常工作。每个 IC 均采用纤巧的 6 引脚塑料 SOT23 封装（图 2）。

图2.MAX2605-MAX2609 IF VCO IC采用6引脚表贴SOT23封装，设计占用最小的印刷电路板空间。

MAX2605的调谐频率范围为45MHz至70MHz，载波在100kHz时相位噪声为-117dBc/Hz。对于其他器件，这些参数包括：载波100kHz时调谐为70MHz至150MHz、相位噪声为-112dBc/Hz（MAX2606）、150MHz至300MHz（-107dBc/Hz）（MAX2607）、300MHz至500MHz（-100dBc/Hz）（MAX2608）和500MHz至650MHz（-93dBc/Hz）（MAX2609）。

频率调谐范围、偏置、启动和其他振荡器特性都在IC内进行管理，消除了通常与VCO设计相关的设计难题。片内变容二极管和电容无需外部调谐元件，简化了IF VCO设计。电感与振荡频率的关系图（参见MAX2605-MAX2609数据资料）进一步简化了选择外部电感的任务。

MAX2605系列为RF设计人员提供了几个重要的新优势。IC设计用于创建无需微调且无需外部调整的VCO。为了适应双变频系统中的预期系统IF范围，它们被设计为涵盖广泛的应用频率。此外，它们还具有灵活的输出接口，有助于降低中频VCO的成本并缩小最终设计的尺寸。

由于MAX2605-MAX2609代表了VCO中的一个新概念，因此它们需要一种全新的电路方法来实现产品目标。Maxim设计了一种基于可靠灵活的Colpitts振荡器结构的振荡器方案。这种拓扑结构经过调整，使得所有振荡器电路元件（电感器除外）都可以集成到IC中。在片上集成几乎整个振荡器可提供良好VCO所需的所有工作目标：适当的振荡器启动、宽频率范围、无微调操作所需的调谐特性、受控的电流消耗以及独立于温度和电源电压的偏置。

片外电感器允许VCO在非常宽的工作频率范围内应用。片内电容保持不变，但改变外部电感值会改变振荡器谐振电路的谐振频率。如果电感具有最小品质因数（Q），则可以保证相位噪声和启动行为（图3）。

图3.MAX2605-MAX2609 VCO IC的简化电路图显示，只需一个外部电感即可完成振荡频率的振荡电路。

为了实现这种新方法，IC技术需要完整的有源和无源元件，以支持所示振荡器电路的构建。具体而言，工艺技术必须提供高频晶体管、高Q值电容器、具有高电容比的高Q值变容二极管以及PNP或PMOS器件。

MAX2605-MAX2609采用硅BiCMOS工艺制造，专为RF集成电路开发，包括单芯片振荡器结构。该工艺的特点是PNP，NMOS和PMOS器件，具有转换频率（fT） 的 25GHz、电容比优于 2：1 的低串联电阻变容二极管（适用于 0.4V 至 2.4V 的调谐电压）、超高 Q 值金属绝缘体金属 （MIM） RF 电容器、精密薄膜电阻器和三层金属。

这些完整的器件补充允许实现完整的IC。VCO设计需要仔细和广泛的计算机仿真，包括性能各个方面之间的多次设计迭代，以确保在所有操作条件下都能保证所有规格和要求。

最后，为了保证振荡器具有足够的频率调谐范围，以应对元件容差引起的工作频率偏移，Maxim选择对器件进行生产测试，并保证一组频率限值。这些限值为MAX2605-MAX2609用户提供了一组有保证的高频和低频调谐限值（f.MAX和 f最低），其中通过的IC具有振荡频率（f理学学士。)

MAX2605-MAX2609应用高度简化，易于理解。涉及两个简单的步骤：

选择并实现外部电感以设置所需的振荡 频率。

将输出级与负载进行电阻或电抗匹配（图 4）。

图4.这个简单的原理图代表了MAX2605-MAX2609 VCO IC的典型应用。

标称工作频率（f名词）所需的VCO仅由IND（引脚1）处的有效外部电感值决定，该值由曲线确定（图5）。

图5.该图包含所需的总调谐电感值（LF），作为MAX2607 VCO IC所需振荡频率（150MHz至300MHz）的函数。

电感值（LF），所需工作频率所需的值不一定与表面贴装技术（SMT）电感器的任何标准值一致，后者通常以相差约1.2倍的步长增加。在这种情况下，为了达到所需的值，电感必须由两个电感构成：LF1和 LF2.LF1应选择为低于所需值的最接近的标准值。然后，选择 LF2作为最接近的标准值，刚好小于LF， mF1.LF1应遵守最低 Q 要求，但 LF2可以作为低成本的薄膜SMT类型实现。由于它的值小于总量的 20%，因此其较低的 Q 对整体 Q 的影响很小。

还允许通过实现带有PC板走线的少量电感来调整总电感值。对于MAX2608/MAX2609电路，电感值为LF2有时作为接地短路的 PC 板走线比作为 SMT 电感器更精确地实现。一旦在引脚IND处建立了所需的电感值，VCO就可以保证在所有元件变化、工作温度和电源电压范围内调谐到该振荡频率。

MAX2605-MAX2609VCO在振荡器内核之后包括一个差分输出放大器。放大器级提供有价值的隔离，并为混频器和/或PLL预分频器等IF功能提供灵活的接口。输出可以是单端或差分，但在差分输出模式下可实现最大输出功率和最低谐波输出。集电极开路输出（OUT- 和 OUT+）都需要一个上拉元件至集电极电压 （Vcc).输出级可采用上拉电阻器或电感器。上拉电阻是形成输出接口的最直接方法，适用于工作频率较低或只需要适度电压摆幅的应用。

当工作频率高于负载电阻/电容网络的3dB带宽和/或需要更大的电压摆幅或输出功率时，需要无功功率匹配。匹配网络是带有并联电感器和串联电容器的简单电路。为了给输出级提供直流偏置，电感器从OUT和OUT+连接到V抄送，串联电容器从 OUT- 和 OUT+ 连接到负载。电感和电容器的值根据工作频率和负载阻抗进行选择。输出与任何常规差分输出一样应用。唯一的限制是需要上拉到 V抄送以及 OUT- 和 OUT+ 处的电压摆幅限制。

比较应用每种方法所需的设计时间，可以发现存在巨大差异。所示的经典/分立式方法非常耗费设计资源，分立式中频VCO的成功开发可能需要数周时间。在达到稳健、可制造的设计之前，可能需要多次迭代。另一方面，MAX2605-MAX2609可以在几分钟内设计出VCO，然后在一个下午进行验证和测试！

由于MAX2605-MAX2609解决了频率调谐范围、偏置和启动等问题，因此完全消除了VCO设计通常涉及的困难任务。您只需根据所需的振荡频率和输出负载选择外部电感值。通过从MAX2605-MAX2609数据资料中给出的图表中读取所需的电感值，可以轻松完成此任务。

在物料清单成本方面，MAX2605-MAX2609与传统的分立式中频VCO相当。在制造方面，Maxim的器件可以支持更便宜的IF VCO，因为需要放置的元件更少，每个元件节省0.03美元。

审核编辑：郭婷