MAX2360的中频谐振箱设计

介绍

本应用笔记介绍了三种压控振荡器（VCO）设计，适用于130MHz、165MHz和380MHz的常用IF频率。这些设计减少了优化结果所需的迭代次数。分析可以通过简单的电子表格程序完成。

VCO设计

图2所示为MAX2360 IF VCO的差分电路。出于分析目的，必须将油箱电路简化为等效的简化模型。图 1 显示了基本的 VCO 模型。振荡频率可以用EQN1来表征：

EQN1

FOSC = 振荡频率

L = 油箱回路中线圈的电感

Cint = MAX2360储罐端口的内部电容

Ct = 谐振电路的总等效电容

图1.基本VCO模型。

Rn = MAX2360油箱端口的等效负电阻

Cint = MAX2360储罐端口的内部电容

Ct = 谐振电路的总等效电容

L = 油箱回路中线圈的电感

图2.MAX2360油箱电路。

电感L与谐振器的总等效电容和振荡器的内部电容（Ct+ C国际）（请参阅图 1）。C政变提供直流模块并将变容二极管的可变电容耦合到谐振电路。C分用于将储罐的振荡频率居中到标称值。它不是必需的，但允许您微调电感值之间的谐振，从而增加了一定程度的自由度。电阻 （R） 通过调谐电压线 （V调整）。它们的值应选择足够大，以免影响装载的油箱Q，但又要足够小，以便4kTBR噪声可以忽略不计。电阻的噪声电压由K调制维科，产生相位噪声。电容 CV是坦克中的可变调谐组件。变容二极管的电容（CV） 是反向偏置电压的函数（变容二极管模型参见附录 A）。V调整是锁相环 （PLL） 的调谐电压。

图 3 显示了集总 C流浪VCO 模型。寄生电容和电感困扰着每个RF电路。为了预测振荡频率，必须考虑寄生元件。图3中的电路将寄生元件集中在一个称为C的电容中流浪。振荡频率可以用EQN2来表征：

EQN2

L = 油箱回路中线圈的电感

Cint = MAX2360储罐端口的内部电容

Ccent = 用于居中振荡频率的谐振电容器

杂散 = 集总杂散电容

Ccoup = 用于将变容二极管耦合到谐振二极管的谐振电容器

CV = 变容二极管的净可变电容（包括串联电感）

Cvp = 变容二极管焊盘电容

图3.集总 C流浪型。

图 4 描述了详细的 VCO 模型。它考虑了焊盘的电容，但为简单起见，不包括串联电感的影响。C流浪定义为：

EQN3

CL= 电感

C的电容LP= 电感焊盘

C 的电容差异= 由平行走线产生的电容

图4.详细的VCO模型。

Rn = MAX2360油箱端口的等效负电阻

Cint = MAX2360储罐端口的内部电容

LT = 电感器电路串联走线的电感

CDIFF = 由并行走线引起的电容

L = 油箱回路中线圈的电感

CL = 电感的电容

CLP = 电感焊盘的电容

Ccent = 用于居中振荡频率的谐振电容器

Ccoup = 用于将变容二极管耦合到谐振二极管的谐振电容器

Cvar = 变容二极管的可变电容

Cvp = 变容二极管焊盘电容

LS = 变容二极管的串联电感

R = 变容二极管反向偏置电阻的电阻

为了简化分析，电感LT在此设计中被忽略。L的影响T在较高频率下更明显。对L引起的频率偏移进行数学建模T对于下面的电子表格，C 的值差异可以适当增加。电感最小LT以防止不需要的串联共振。这可以通过缩短迹线来实现。

调谐增益

调谐增益（K维科）必须最小化以获得最佳闭环相位噪声。环路滤波器中的电阻以及电阻“R”（图2）会产生宽带噪声。宽带热噪声 （

） 将调制 VCO 的 K维科，以兆赫/伏为单位。有两种方法可以最小化K维科。一种是最小化VCO必须调谐的频率范围。第二种方法是最大化可用的调谐电压。为了最小化VCO必须调谐的频率范围，必须使用严格的容差元件，如图所示。为了最大限度地提高调谐电压，需要具有较大顺从范围的电荷泵。这通常是通过使用更大的V来实现的抄送.MAX2360的顺从范围为0.5V至Vcc-0.5V。在电池供电应用中，顺从范围通常由电池电压或稳压器固定。

无边角设计的基本概念

VCO设计可制造性与实际组件将需要误差预算分析。为了设计一个以固定频率振荡的VCO（fOSC），必须考虑组件的公差。调谐增益（K维科），必须设计到VCO中，以考虑这些元件容差。元件容差越严格，调谐增益越小，闭环相位噪声越低。对于最坏情况下的误差预算设计，我们将研究三种VCO模型：

1. 最大值分量 （EQN5）

2.公称油箱，所有组件完美（EQN2）

3.最小值组件 （EQN4）

所有三种VCO型号都必须覆盖所需的标称频率。图5显示了三种设计必须如何融合以提供可制造的设计解决方案。对EQN1和图5的观察表明，最小值分量将振荡频率移得更高，最大值分量将振荡频率移得更低。

图5.最坏情况和标称坦克居中。

必须使用最小调谐范围才能设计出具有最佳闭环相位噪声的谐振器。因此，标称谐振电路应设计为覆盖中心频率，并考虑器件公差。最坏情况下的高调谐谐振电路和最坏情况下的低调谐谐电路应仅调谐到所需振荡频率的边缘。EQN2 可以通过组件公差进行修改，以产生最坏情况下的高调谐罐 EQN4 和最坏情况下的低调谐罐 EQN5。

EQN4

EQN5

TL = 电感的公差 % （L）

TCINT = 电容器容差百分比 （CINT）

TCCENT = 电容器容差百分比 （CCENT）

TCCOUP = 电容容差百分比 （CCOUP）

TCV = 变容二极管电容容差 （CV） %

EQN4 和 EQN5 假设流浪者没有公差。

一般设计程序

步骤 1

估计或测量焊盘电容和其他杂散。MAX2360 Rev A评估板上的杂散电容用Boonton Model 72BD电容计测量。CLP= 0.981pF， C副总裁= 0.78pF， C差异= 0.118pF。

步骤 2

确定电容C的值国际。这可以在第2360页的MAX2362/MAX2364/MAX5数据资料中找到。TANK 1/S11 与频率的典型工作特性显示了几种常用 LO 频率的等效并联 RC 值。请记住，LO频率是IF频率的两倍。

例：

对于130MHz的IF频率，LO的工作频率为260MHz。从 1/s11 图表中，Rn= -1.66kΩ 和 C国际= 0.31pF。

步骤 3

选择电感器。一个好的起点是使用几何平均值。这是一个迭代过程。

EQN6

该等式假设 L in （nH） 和 C in （pF） （1x10-9x 1x10-12= 1x10-21）.L = 19.3nH 对于 fOSC= 260.76兆赫。这意味着总谐振电容C = 19.3pF。电感器的适当初始选择是 18nH 线艺 0603CS-18NXGBC 2% 容差。

选择步长有限的电感时，以下公式EQN6.1很有用。对于固定振荡频率f f，总产品LC应为恒定OSC.

EQN6.1

LC = 372.5 对于 fOSC= 260.76兆赫。表1中电子表格的试错法过程得出的电感值为39nH 5%，总谐振电容为9.48pF。

图6

中储罐的LC产物为369.72，与所需的LC产品372.5足够接近。人们可以看到这是一个有用的关系。为了获得最佳相位噪声，请选择高Q值电感器，如线艺0603CS系列。或者，如果公差和Q可以合理控制，则可以使用微带电感器。

图6.130.38MHz 中频谐振电路原理图。

步骤 4

确定PLL一致性范围。这是VCO调谐电压的范围（V调整） 旨在重新工作。对于MAX2360，顺从范围为0.5V至V抄送-0.5V.对于 V抄送= 2.7V，这会将顺从范围设置为 0.5 至 2.2V。电荷泵输出设置此限值。油箱上的电压摆幅为1VP-P中心电压为1.6VDC。即使 C 的值很大政变，变容二极管不是正向偏置的。这是需要避免的情况，因为二极管整流了谐振电路引脚上的交流信号，在闭环PLL中产生不希望的杂散响应和锁定丢失。

步骤 5

选择一个变容二极管。寻找在指定顺应性范围内具有良好的容差的变容二极管。保持较小的串联电阻。为了获得品质因数，请检查变容二极管的自谐振频率是否高于所需的工作点。看CV（2.5V）/CV（0.5V） 比率，在您的电压顺从范围内。如果耦合电容C政变如果选择大，则可以使用 EQN2 计算最大调谐范围。电容器 C 的较小值政变减小此有效频率调谐范围。选择变容二极管时，它应该在您给定的顺应范围内中点和终点指定公差。选择超陡变容二极管，例如 Alpha SMV1763-079 作为线性调谐范围。取总谐振电路电容的值，并将其用于变容二极管的Cjo。请记住，C政变降低耦合到油箱的净电容。

步骤 6

为 C 选择一个值政变.C 的大值政变通过在储罐中耦合更多的变容二极管来增加调谐范围，但代价是降低储罐负载Q。政变以减小调谐范围为代价，增加耦合变容二极管的有效Q值和谐振二极管的负载Q值。通常，选择尽可能小的此值，同时仍获得所需的调谐范围。为 C 选择小值的另一个好处政变是它降低了变容二极管两端的电压摆幅。这有助于阻止变容二极管的前向偏置。

步骤 7

为 C 选择一个值分，通常约为 2pF 或更高，以实现公差目的。使用 C分使VCO的频率居中。

步骤 8

使用电子表格进行迭代。

MAX2360VCO谐振电路设计，用于130.38MHz、165MHz和380MHz的IF频率

下图显示了MAX2360几种常用IF频率的设计。请记住，LO以所需IF频率的两倍振荡。

表 1.130.38MHz 中频谐振谐振电路 设计

 

MAX2360 针对 130.38MHz IF 频率的谐振电路设计和调谐范围
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	10.9296pF	10.1242pF	11.6870pF
1.375V		Ct mid	9.4815pF	8.4068pF	10.4077pF
2.2V		Ct low	8.0426pF	6.9014pF	9.0135pF
Tank Components		Tolerance
C coup		18pF	0.9pF	5%
C cent		2.7pF	0.1pF	4%
C stray		0.69pF
L		39nH	5.00%
C int		0.31pF	10.00%
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.08pF
Ind. pad	C Lp	0.981pF
Due to ||	C diff	0.118pF
Var. pad	C vp	0.78pF
Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo	82pF		Varactor Tolerance
Vj	17V		0.5V	19.00%
M	14		1.5V	29.00%
Cp	0pF		2.5V	35.00%
Rs	1Ω		Reactance
Ls	1.7nH		X Ls	2.79
Freq	260.76MHz
Nominal Varactor		X c	Net Cap
Cv high	54.64697pF	-11.16897	72.80216pF
Cv mid	27.60043pF	-22.11379	31.57772pF
Cv low	14.92387pF	-40.89758	16.01453pF
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high	44.26404pF	-13.78885	55.46841pF
Cv mid	19.59631pF	-31.14619	21.52083pF
Cv low	9.700518pF	-62.91935	10.14983pF
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high	65.02989pF	-9.385688	92.47168pF
Cv mid	35.60456pF	-17.14248	42.51182pF
Cv low	20.14723pF	-30.2945	22.18712pF
	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range
						F low	243.77MHz	129.93MHz	121.89MHz	115.03MHz
						F mid	261.73MHz	142.59MHz	130.86MHz	121.90MHz
F high	284.18MHz	157.37MHz	142.09MHz	130.98MHz
BW	40.40MHz	27.44MHz	20.20MHz	15.95MHz
% BW	15.44%	19.24%	15.44%	13.09%
Nominal IF Frequency			130.38MHz
Design Constraints
Condition for bold number			=IF	> IF
						Delta		0.45	-0.48	0.60
						Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-0.48	MHz
Inc or dec BW			-1.05	MHz
Cent adj for min BW			130.46	MHz
K vco	23.77兆赫/V

 

图7.165MHz 中频谐振电路原理图。

表 2.165兆赫 中频储罐设计
 

 

MAX2360 针对 165MHz IF 频率的谐振电路设计和调谐范围
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	10.0836pF	9.2206pF	10.8998pF
1.375V		Ct mid	8.5232pF	7.3878pF	9.5095pF
2.2V		Ct low	7.0001pF	5.8130pF	8.0193pF
Tank Components		Tolerance
C coup		18pF	0.9pF	5%
C cent		1.6pF	0.1pF	6%
C stray		0.62pF
L		27nH	5.00%
C int		0.34pF	10.00%
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.011pF
Ind. pad	C Lp	0.981pF
Due to ||	C diff	0.118pF
Var. pad	C vp	0.78pF
Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo	82pF		Varactor Tolerance
Vj	17V		0.5V	19.00%
M	14		1.5V	29.00%
Cp	0pF		2.5V	35.00%
Rs	1ohm		Reactance
Ls	1.7nH		X Ls	3.52
Freq	330.00MHz
Nominal Varactor		X c	Net Cap
Cv high	54.646968pF	-8.8255163	90.986533pF
Cv mid	27.600432pF	-17.473919	34.574946pF
Cv low	14.923873pF	-32.316524	16.750953pF
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high	44.264044pF	-10.895699	65.431921pF
Cv mid	19.596307pF	-24.611153	22.872103pF
Cv low	9.7005176pF	-49.717729	10.440741pF
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high	65.029892pF	-7.4164003	123.93257pF
Cv mid	35.604558pF	-13.545673	48.128632pF
Cv low	20.147229pF	-23.938166	23.626152pF
	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range
						F low	305.02MHz	163.63MHz	152.51MHz	143.15MHz
						F mid	331.77MHz	182.81MHz	165.88MHz	153.26MHz
F high	366.09MHz	206.08MHz	183.04MHz	166.90MHz
BW	61.07MHz	42.45MHz	30.53MHz	23.74MHz
% BW	18.41%	23.22%	18.41%	15.49%
Nominal IF Frequency			165MHz
Design Constraints
Condition for bold number		< IF	= IF	> IF
						Delta		1.37	-0.88	1.90
						Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-0.88	MHz
Inc or dec BW			-3.26	MHz
Cent adj for min BW			165.26	MHz
K vco	35.92兆赫/V

 

图8.380MHz 中频谐振电路原理图。

表 3.380MHz 中频谐振谐波 设计
 

 

MAX2360 针对 380MHz IF 频率的谐振电路设计和调谐范围
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	6.9389pF	6.6119pF	7.2679pF
1.35V		Ct mid	6.2439pF	5.9440pF	6.5449pF
2.2V		Ct low	5.7813pF	5.5040pF	6.0593pF
Tank Components		Tolerance
C coup		15pF	0.8pF	5%
C cent		2.4pF	0.1pF	4%
C stray		1.42pF
L		6.8nH	2.00%
C int		0.43pF	10.00%
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.08pF
Ind. pad	C Lp	0.981pF
Due to ||	C diff	0.85pF
Var. pad	C vp	0.78pF
Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo	8.2pF		Varactor Tolerance
Vj	15V		0.5V	7.50%
M	9.5		1.5V	9.50%
Cp	0.67pF		2.5V	11.50%
Rs	0.5Ω		Reactance
Ls	0.8nH		X Ls	3.82
Freq	760.00MHz
Nominal Varactor		X c	Net Cap
CV high	6.67523pF	-31.37186	7.600784pF
CV mid	4.286281pF	-48.8569	4.649858pF
CV low	2.904398pF	-72.10251	3.06689pF
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
CV high	6.174588pF	-33.91552	6.958364pF
CV mid	3.879084pF	-53.98553	4.174483pF
CV low	2.570392pF	-81.47176	2.696846pF
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
CV high	7.175873pF	-29.18313	8.256705pF
CV mid	4.693477pF	-44.61818	5.132957pF
CV low	3.238404pF	-64.66593	3.441726pF
	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range
						F low	732.69MHz	379.11MHz	366.35MHz	354.43MHz
						F mid	772.40MHz	399.84MHz	386.20MHz	373.50MHz
F high	802.70MHz	415.51MHz	401.35MHz	388.17MHz
BW	70.00MHz	36.41MHz	35.00MHz	33.74MHz
% BW	9.06%	9.11%	9.06%	9.03%
Nominal IF Frequency			380MHz
Design Constraints
Condition for bold number		< IF	= IF	> IF
						Delta		0.89	-6.20	8.17
						Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-6.20	MHz
Inc or dec BW			-9.07	MHz
Cent adj for min BW			383.64	MHz
K vco	41.18兆赫/V

 

附录A

图9.变容二极管模型。

Alpha应用笔记AN1004提供了有关变容二极管模型的更多信息。变容二极管电容在 EQN7 中定义。

 

EQN7

Alpha SMV1255-003	Alpha SMV1763-079
Cjo = 82 pF	Cjo = 8.2 pF
Vj =17 V	Vj =15 V
M = 14	M = 9.5
Cp = 0	Cp = 0.67
Rs = 1Ω	Rs = 0.5Ω
Ls = 1.7 nH	Ls = 0.8 nH

 

变容二极管的串联电感通过背衬考虑在内 找出感抗并计算新的有效电容 CV.

 

EQN8

 

审核编辑：郭婷