跟踪VCO技术的进步

本应用笔记回顾了大约1910年以来压控振荡器（VCO）的历史，并提供了VCO在RF IC中的集成示例。它追溯了技术，并讨论了产品性能和尺寸的演变。预测未来趋势。

压控振荡器 （VCO） 常见于无线系统和其他必须在频带上进行调谐的通信系统。VCO可从众多制造商处获得，具有各种封装样式和性能水平。然而，现代表面贴装和射频集成电路（RFIC）VCO的遗产归功于近百年前开始的工程发展。在此期间，VCO技术的改进一直在继续，产生了更小的源，具有增强的相位噪声和调谐线性度。

振荡器电路的演变

自埃德温·阿姆斯特朗发现外差原理*以来，振荡器一直是必不可少的组件。在此应用中，振荡器将正弦信号馈送到非线性混频元件，通过将振荡器的信号与其他输入信号相乘来实现频率转换。当然，阿姆斯特朗意识到，控制频率转换所需要的是一个电路，它产生具有相应频率的稳定正弦时变电压（或电流）。大约在同一时间，他发现可以配置一个Audion（早期的真空管）来产生振荡，他有效地设计了第一个电子振荡器**（而不是早期无线发射器中使用的粗糙的火花隙振荡器）。

回想起来，阿姆斯壮掀起了振荡器技术的革命，很快就使火花发射器过时了，从而导致了高性能无线电接收器的发展。从 1910 年代阿姆斯壮的发现到现代，VCO 技术已经从真空管振荡器发展到晶体管振荡器，再到振荡器模块解决方案，最后发展到今天的基于 RFIC 的振荡器。VCO技术的面貌再次迅速变化，很快在许多系统中，在基本拓扑和/或数学上将只类似于早期振荡器。

阿姆斯特朗的发现很快被拉尔夫·哈特利（Ralph V. L. Hartley）改进，发明了振荡器电路拓扑（图1）。哈特利利用真空管技术的改进，设计了一种振荡器电路，其中真空管充当放大装置，并施加感应反馈以产生再生振荡。振荡频率由线圈电感和电路电容确定。该电路是产生正弦信号的突破;它通过改变线圈或电容器的值来提供更大范围的可能频率。哈特利振荡器电路在发射器中很受欢迎，并很快被改编用于第一次世界大战。发射器和接收器都使用新的基于电子管的振荡器电路。振荡器电路创新激增，并导致了今天仍在使用的主要电路拓扑，例如Hartley，Colpitts，Clapp，Armstrong，Pierce和其他拓扑。

图1.哈特利振荡器的示例：（a）三极管实现和（b）JFET实现。

在阿姆斯壮的超外差接收器原理中，输入信号与振荡器信号混合以产生恒定的中频（IF）。为了保持恒定的IF，振荡器必须随着输入信号的变化频率而改变频率。使用变频振荡器，可以将频率转换电路调谐到宽范围的输入RF信号，从而实现多通道通信，例如调幅（AM）无线电。这种变频振荡器是对基本谐振电路振荡器的改编，其中其中一个谐振元件（电感器或电容器）会发生变化。大多数情况下，电容器是可变的。高质量的可变电容器由联动多板金属气隙电容器构成。

随着无线电技术的进步，振荡器电路的实施出现了持续的创新。工程师设计了无数类型的线圈、可变电容器、反馈技术和真空管来实现振荡器和频率转换电路。设计了许多精心而优雅的方案，通过收音机正面的机械拨盘提供精确、高质量的振荡器频率调谐。图 2 是重建的 1929 年老式哈特利式发射器的图片（由业余无线电爱好者 W9QZ 重新创建）。与许多早期的电子实现一样，该电路体积庞大且昂贵，并且需要高电源电压。

图2.复古 1929 年哈特利式发射器。

双极晶体管和变容二极管

多年来，真空管振荡器广泛用于商业和军用无线电接收器应用，例如AM和调频（FM）无线电，电视和军事语音通信。然而，半导体放大器件（如晶体管和变容二极管）的发现导致了VCO技术的下一个巨大变化。

第一个双极晶体管于 1940 年代后期在贝尔实验室（新泽西州霍姆德尔）发现，晶体管在 1950 年代作为真空管的替代品可用。与电子管相比，新晶体管更小，功耗更低，工作电压要求更低，最终成本更低。晶体管取代了真空管作为振荡器中的有源元件，并显着改变了为振荡器拓扑建立的实际实现。

可以说，变容二极管（具有由反向偏置PN结产生的电压可变电容）的引入对VCO方向的影响比晶体管更大。在1960年代初期，对变容二极管技术进行了大量研究，变容二极管迅速取代了机械可调元件作为VCO中的可变电容元件。变容二极管在开发锁相环（PLL）电路方面被证明是无价的，用于对频率源进行精确电子控制。在此期间，电视的快速增长极大地促进了向基于变容二极管和晶体管的VCO的迁移。现在，具有固有电子调谐和易于重新配置的频率范围的具有成本效益、低功耗、高质量VCO。分立晶体管和基于变容二极管的VCO主导了1960年代至1980年代的电子设计。但是，在 1980 年代，两项新技术影响了 VCO 的发展：模块化方法和单片 VCO 集成电路 （IC）。图 3 显示了过去 80 年 VCO 技术发展的时间表。

图3.VCO 技术生命周期与年份的关系图。

模块化方法

变容二极管、电容器和电感器的尺寸不断缩小，使得模块形式的VCO成为可能。VCO 模块本质上是分立元件振荡器的微型版本，该振荡器构建在安装在金属外壳中的基板上。该模块是独立的，只需要接地、电源电压、调谐电压和输出负载。此类模块首次出现在 1960 年代，主要用于军事应用。它们相当大（几平方英寸）并且相对昂贵。VCO的分立晶体管和变容二极管实现仍然用于商业产品。直到移动电话的出现，VCO模块才出现了商业市场。

虽然分立式VCO可以针对任何频率和调谐范围进行定制设计，但它们通常需要对频率设置元件进行劳动密集型的生产调整，以补偿组件的变化。此外，分立式VCO需要良好的屏蔽，以最大限度地减少辐射并减少牵引效应。但随着1980年代末和1990年代初移动电话销量的增长，对“封闭式”振荡器模块的需求增加。一些日本公司越来越精通小型化，开发了小型的、具有成本效益的移动电话VCO模块。随着新的无线应用的出现，VCO模块制造商开发了具有每个应用独特频率计划的产品。随着表面贴装元件变得越来越小（1206、0805、0603、0402、0201），新的更小、成本更低的VCO模块被开发出来。图4显示了“典型”最先进的商用VCO模块随时间推移的尺寸减小情况。

如今，这些不同的设计改进最终形成了紧凑的（4mm×5mm×2mm）模块，大批量售价接近1.00美元。VCO模块体积缩小的15年周期确实是尺寸的惊人减小，并满足了新型移动无线设备（如蜂窝电话）带来的苛刻空间限制。然而，到1990年代末，将出现一种更小、更具成本效益的VCO技术：单片VCO IC技术。

图4.VCO 模块大小随时间的缩放。

单片式 VCO（单片式 VCO）

单片VCO技术被定义为一种VCO实现，其中LC（电感电容）VCO的所有电路元件（即晶体管、电容器、电阻器、电感器和变容二极管）都集成在一个芯片上。与VCO模块一样，这些器件被配置为形成一个完整的VCO，只需要连接到电源、接地、输出、调谐输入和任何数字控制线。（注意：压控环形振荡器电路已被排除在VCO的这个定义之外，因为它们的相位噪声要差得多，因此无法在大多数无线电系统中使用。

单片VCO的第一个实例恰逢砷化镓（GaAs）IC技术和单片微波IC（MMIC）的发展。文献中出现了单片VCO1,2在1980年代初期，在对MMIC的商业和军事应用进行深入研究的时期（主要由美国资助）。DARPA模仿程序）。早期的MMIC VCO采用GaAs IC工艺制造，使用2英寸直径的晶圆。这些MMIC VCO的区域效率不是特别高，因此成本效益不高。通常，这些VCO在与目标应用，卫星接收器和雷达系统一致的多GHz频率下工作。

DARPA MIMIC研究开发的大多数早期单片GaAs VCO对商业市场几乎没有影响。在1980年代，硅IC技术仍然被降级为低频，缺乏千兆赫频率单片VCO所需的带宽。但到了1990年代，硅IC技术已经发展到足够高的转换频率（fT）和合适的单片元件（高Q值电感器、高频电容器和变容二极管），以便开发高频硅单片VCO。与此同时，无线市场已经出现，具有足够的规模和增长潜力，以刺激对800MHz至2500MHz频段低成本VCO的需求。

在 1990 年代的这些发展之前，大多数商业无线电系统都在低频下运行，因此构建单片 VCO IC 是不切实际的;片内电感值太大。文献中硅单片VCO IC的第一个明显实例来自1992年的加州大学伯克利分校。3该VCO采用了一种独特的非正统拓扑结构：通过在两个独立的谐振电路之间进行电“插值”来改变频率。尽管如此，从技术上讲，它仍然是单片硅VCO IC技术的实现。可以说，罗伯特·迈耶（Robert Meyer）教授及其研究生在伯克利校区的这项工作和进一步研究似乎开创了对整体VCO研究增加的时期。

到1995年，领先大学的研究人员在技术文献中报道了硅单片VCO IC的工作。4,5在这些报告中，研究人员披露了现代单片LC谐振器VCO IC的一些首批示例。在1996年至1997年期间，出现了许多论文，描述了单片VCO的不同实现工作。6–11这一时期有效地标志着商业上可行的单片VCO IC的出现。

单片VCO IC正在采用高频双极晶体管IC技术和硅CMOS IC技术进行开发。学术研究人员通常使用CMOS技术来利用IC技术的广泛可用性，而工业研究人员则使用RFIC特定的双极/ BiCMOS工艺技术。图5显示了采用CMOS和双极性/BiCMOS工艺技术实现的典型单芯片VCO电路。

图5.MOS和双极性的典型单片VCO内核电路。

通常，这些早期VCO IC实现的整体性能不如分立式实现和VCO模块。具体而言，相位噪声和调谐特性不如分立式设计或VCO模块中常规实现的特性。这一不足主要是由于该代IC技术中常见的低Q值电感器和粗糙的变容二极管。

然而，单片VCO被证明非常小，具有成本效益，并且可以在实现RF收发器功能的同一过程中使用。这意味着VCO可以与其他RF和IF功能集成，例如混频器、低噪声放大器（LNA）和锁相环（PLL）。将VCO与其他接收器和发射器功能经济高效地集成的能力有助于使单片VCO IC成为商业现实。一个很好的早期例子是商用900MHz扩频无绳电话芯片组。12

在1990年代后期，对VCO IC技术的研究大大加强。13–19这在很大程度上是由于无线市场的爆炸式增长以及高频双极、CMOS和BiCMOS工艺技术的激增。工业界和学术界都进行了重大的研究和开发。研究人员专注于改善相位噪声性能，延长工作频率，并调整VCO的片上调谐范围。这些进步提供了有用的性能改进，实现了电气规范，使VCO可用于无绳电话，蓝牙®，WLAN，GPS和DBS应用的RFIC。表 1 总结了一些包含单片 VCO 的商业 RFIC。

表 1.集成在商业 RFIC 中的单片 VCO 示例

 

单位	频率范围（兆赫）	源	应用
MAX2622/MAX2623/MAX2624	855 到 998	Maxim	通用，900MHz ISM
MAX2750/MAX2751/MAX2752	2025 到 2500	Maxim	通用，2.4GHz ISM频段
MAX2754	1145 到 1250	Maxim	2.4GHz 无绳电话
MAX2114	925 到 2175	Maxim	DBS
MAX3580	170 到 230， 470 到 878	Maxim	DVB-T
MAX3540	54 到 100， 100 到 300， 300 到 860	格言	模拟/数字地面接收器
MAX2900	902 到 928	格言	900MHz ISM 频段（无线抄表）
MAX2820	2400 到 2500	格言	802.11b 无线局域网
MAX2830	2400 到 2500	格言	802.11g 无线局域网
MAX2837	2300 到 2700	格言	802.16e 移动无线上网唰唰��
MAX2838	3300 到 3900	格言	802.16e 移动无线上网
MAX2839	2300 到 2700	格言	802.11n 无线局域网，带 MIMO 下行链路
射频105	902 到 928	科胜讯™	900MHz 无绳电话
SA2400	2400 到 2500	飞利浦®	802.11b 无线局域网
蓝芯-01	2400 到 2500	.CSR	蓝牙
成绩单	2400 到 2500	二世	蓝牙
GRF2i/LP	1575	暴徒	全球定位系统
AR5111	5.2GHz 至 5.8GHz	阿特罗斯®	802.11a 无线局域网

 

这些VCO IC及其集成解决方案比VCO模块更小，更具成本效益。它们比分立式解决方案更容易、更快速地应用。与以前的技术相比，单片VCO IC具有显著提高的价值。

由于这一代VCO技术的性能足以满足无绳电话、无线数据无线电和DBS接收器等系统的需求，因此该技术正被广泛应用于这些系统。然而，相位噪声性能目前约为5dB至10dB，无法满足更高日期速率移动电话系统（如GSM、IS-136、CDMA）的要求。低电感Q值和过偏置噪声都有助于限制VCO相位噪声。尽管一些研究表明，使用键合线电感器取得了有希望的结果，但低相位噪声性能仍然难以实现，对于单片VCO IC技术来说遥不可及。然而，从1999年到2001年，VCO设计方面的许多重大进展已经报道，并表明了一些有希望的未来明确趋势。

主要趋势

一些趋势正在影响具有改善相位噪声的单芯片VCO的开发。例如，基本的RFIC工艺技术不断改进。半导体工艺的先进质量正在提高，有源和无源器件的性能也在提高。即使采用硅工艺，晶体管现在也可以用T性能超过50GHz;高Q值变容二极管具有宽电容比调谐范围（低串联电阻）。这些工艺采用损耗更低的基板，金属化层较厚，Q值较高的电感。这些工艺产生的器件寄生元件更少，从而使VCO具有更低的相位噪声、更高的工作频率和更低的电流。

设计技术也在进步。VCO研究人员正在利用IC技术的力量，设计更复杂的电路来提高性能。研究人员正在引入以前在分立式VCO或模块化VCO实现中不切实际的技术。示例包括差分振荡器拓扑、幅度控制、二次谐波陷阱、用于改进耦合的 IC 变压器、具有多个振荡器的拓扑以及能够实现更高频率操作的架构。

设计工程师也对VCO理论有了更好的理解。他们建立在过去的数学模型之上，例如范德波尔和李森的方程。他们正在为振荡器行为（如调谐特性和相位噪声性能）设计新的分析表达式。电路设计人员正在用Abidi的关系修改Leeson的噪声方程。此外，随着个人和工作站计算机处理能力的提高，计算机辅助工程（CAE）工具的功能和复杂性也在不断提高。工程师现在可以试验 VCO 行为模型，以发现性能增强。

单片VCO技术继续出现在越来越多的新产品中，高质量的VCO现在被集成到收发器电路中。例如，用于WLAN、WiMAX、电视调谐器、GPS和蓝牙市场的最新无线IC将VCO集成到IC中，与分立元件相比，尺寸大幅减小。在更高性能的 WLAN 无线电（2.4GHz IEEE 802.11b 和 5GHz 802.11a 版本）和 WiMAX 无线电（IEEE® 802.16e 移动 WiMAX 和 802.16-2004/802.16d 固定 WiMAX）中，系统要求需要具有极低相位噪声的更高性能 VCO，以实现所需的分组数据速率和阻塞性能水平。

RFIC VCO 技术的改进使这些集成源对越来越多的商业射频应用更具吸引力，包括卫星接收器、有线电视机顶盒、无线数据应用、无绳电话和移动电话。显然，与分立式和模块化VCO解决方案相比，单片VCO在大批量应用中的份额越来越大。

单片VCO将成为所有大容量商用无线系统中的主要振荡器方法的时代即将到来。因此，VCO已经走过了一条从笨重的基于电子管的电路到1毫米见方的硅<非凡的道路。

审核编辑：郭婷