缓冲放大器解决VCO问题

振荡器电路输出隔离不良会导致不利影响。本文介绍了围绕VCO电路的关键应用问题，例如负载牵引、电源推动、相位噪声以及附近功率放大器（PA）的辐射能量的影响。本文展示了如何使用VCO缓冲器隔离振荡器来缓解这些问题。介绍MAX2472/MAX2473 VCO缓冲器以及应用电路和测量数据。

常见的设计做法是通过在两个电路级之间引入缓冲放大器来隔离它们。隔离可最大限度地减少许多不利影响，并在射频（RF）下。较差的输出隔离会干扰振荡器性能，因此振荡器输出端通常包括缓冲级。

在讨论增加缓冲放大器级之前，我们先考虑一些典型的VCO特性，以及隔离问题如何降低性能。例如，一个常见的问题是VCO响应负载条件变化（频率牵引）而表现出的频率变化。VCO输出看到的阻抗变化会导致VCO有源器件结端的直流电压发生变化。例如，双极性器件的集电极至基极电压 （Vcb） 的变化会影响集电极至基极电容 （Ccb），而后者又会影响整个谐振电路，从而改变振荡频率（图 1）。

图1.在该Colpitts VCO输出端反射的信号功率会在电流消耗和偏置点中产生波动。因此，晶体管中的Vcb波动会调制Ccb，从而影响振荡器的频率和相位噪声。

另一种频率牵引现象有时称为注入锁定或注入牵引。它涉及非常接近VCO工作频率的干扰信号的影响。当 VCO 输出端口的干扰源幅度足够时，可能会导致 VCO 改变其振荡频率以匹配干扰频率¹。

受较差的输出隔离影响的另一个关键性能因素是相位噪声。在过去的几年中，已经进行了大量研究，以更好地描述振荡器中相位噪声的产生。产生相位噪声的条件包括负载阻抗的变化、回馈VCO输出的功率反射、过大的接地电流以及由于RF布局不良而导致的辐射耦合。感应电压变化会导致有源器件中的偏置电流波动、对Ccb的调制效应、幅度扰动以及其他降低性能的细微问题²。

适当的VCO隔离还取决于电路板布局，以及VCO是分立的、集成的还是模块化的。VCO操作可能会受到耦合到VCO的任何辐射RF能量的干扰。能量可以直接耦合到VCO，也可以通过连接到VCO的其他电路或走线耦合。即使是在VCO附近运行的未连接的电路走线也可以用作天线，拾取辐射能量并将其重新辐射到VCO中。当VCO噪声性能至关重要时，应始终遵守正确的布局。

通过信号路径传导并返回VCO输出的RF能量也会产生上述问题。这种传导衰减的一个原因可能是RF功率放大器（PA）打开或关闭，这可能导致信号路径或其他电路中的阻抗变化，从而拾取辐射的RF能量并将其传导回信号路径。良好的PC布局有助于最大限度地减少VCO的辐射和传导扰动。VCO 附近的接地、屏蔽和走线布线会影响 VCO 操作，以及 VCO 缓冲电路可以实现的隔离量。

既然已经指出了一些退化机制，那么了解它们在无线电操作过程中的表现也很重要。当反射信号到达VCO时，较差的输出隔离会降低PLL锁定时间。可能需要将鉴相器输入与接收器或发射器隔离，以缓解此问题。相位噪声的增加也会降低发射或接收模式下的相邻通道保护。发射操作期间的调制失真也可能是VCO隔离不良的结果。

解决辐射干扰问题通常需要大量的思考和实验，但通常只需添加一个VCO缓冲放大器即可解决传导干扰问题。MAX2472等集成缓冲器节省了电路板空间，并提供了出色的VCO隔离性。其电路拓扑非常适合提供LO和鉴相器输入信号，同时保持它们与VCO之间的隔离。

对表1中的S参数进行快速分析，可以发现MAX2472是解决VCO输出隔离不良问题的理想解决方案³（图2）。VCO和混频器之间实现的典型隔离度在44MHz时约为900db，在30MHz时约为1900dB。该器件在这些频率下提供高度稳定的增益，分别为 10dB 和 8dB。

表 1.MAX2472典型S参数
 

 

频率（兆赫）	900	1900
S11（磁，相位）	0.68786, -21.6	0.529663, -44.1
S21（磁，相位）	1.764006, -80.4	1.592209, -117.6
S12（磁，相位）	0.005821, 137.5	0.031189, 173.4
S22（磁，相位）	0.810028, -29.4	0.776247, -61.6

 

图2.在900MHz频率下，IC缓冲放大器（MAX2472）在VCO和混频器之间提供约10dB的增益和44dB的隔离。

当VCO输出端只有一个信号路径时，MAX2473可作为良好的VCO缓冲器，在相同的小型SOT23-6封装中提供更大的反向隔离。作为一项附加功能，其可调偏置电流可最大限度地减少手机和其他电池供电应用中的电流消耗。

在便携式无线电环境中，各种机制都会降低VCO性能，但这些问题的解决方案是可用的。有些问题需要广泛的分析和精心设计的解决办法，而另一些问题则很容易克服。像MAX2472/MAX2473这样的小型集成VCO缓冲器可以为VCO问题提供简单的解决方案。

审核编辑：郭婷