MAX2360中频槽路设计

本应用笔记介绍了压控振荡器(VCO)的槽路设计方法，并给出了常用的中频(IF) 130MHz、165MHz、380MHz压控振荡器的设计实例。这些设计减少了为优化设计而进行的重复工作，具体分析可借助一个简单的电子表格实现。

VCO设计

图2表示MAX2360 IF VCO的差分槽路，为便于分析，所给槽路只是一个简单的等效模型。图1表示基本的VCO模型，振荡频率由式1表示：

 

fosc= 振荡频率

L = 槽路线圈的电感值

Cint = MAX2360槽路端口的内部电容

Ct = 槽路的总计等效电容

图1. 基本的VCO模型

Rn = MAX2360槽路端口的等效负阻
Cint = MAX2360槽路端口的内部电容
Ct = 槽路的总计等效电容
L = 槽路线圈的电感值

图2. MAX2360槽路

电感L与槽路等效电容和振荡器内部电容的总和产生谐振(Ct + Cint) (参见图1)。Ccoup提供隔直流、并将变容二极管的可变电容耦合至槽路。Ccent用来确定槽路振荡频率标称值的中心。它不是必须的，但为在不同的电感量之间调谐谐振腔提供了便利条件。电阻(R)通过调谐电压(Vtune)为变容二极管提供相反的偏置。应选择足够大的阻值，以保证加载后的槽路Q值不受影响；另外，还要保证电阻值足够小，使4kTBR噪声可以忽略。电阻的噪声电压受Kvco调制后将产生相位噪声。电容CV是槽路内部的可变调谐元件，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)。Vtune是来自锁相环(PLL)的调谐电压。

图3在VCO模型中增加了Cstray，寄生电容和寄生电感使所有射频(RF)电路的罪魁祸首，为估算振荡频率必须考虑寄生参数。图3用电容Cstray表示寄生元件，振荡频率可由式2表示：

 

 

L = 槽路线圈的电感值
Cint = MAX2360槽路端口的内部电容
Ccent = 用于确定中心振荡频率的槽路电容
Cstray = 电容漂移
Ccoup = 槽路电容，用来将变容二极管耦合至槽路
CV = 变容二极管电容的净变量(包括串联电感)
Cvp = 变容二极管焊盘的电容

图3. Cstray模型

图4表示VCO模型的详细电路，它考虑了焊盘的等效电容，但为简便起见没有考虑串联电感。Cstray定义为：

 

EQN3

 

CL= 电感的电容量

CLP = 电感焊盘的电容量

CDIFF = 平行引线的等效电容

Rn = MAX2360槽路端口的等效负阻
Cint = MAX2360槽路端口的内部电容
LT = 电感槽路引线的串联电感
CDIFF = 平行引线的等效电容
L = 槽路线圈电感
CL = 电感等效电容
CLP = 电感焊盘等效电容
Ccent = 用于确定中心振荡频率的槽路电容
Ccoup = 槽路电容，用来将变容二极管耦合至槽路
Cvar = 变容二极管电容的变化量
Cvp = 变容二极管焊盘电容
LS = 变容二极管串联电感
R = 变容二极管反向偏置电阻的阻值

为简化分析，设计中忽略了电感LT。LT 通常对高频端影响较大，为了用下面的电子表格描述LT所产生的频率偏差的数学模型，可适当增大CDIFF，减小LT以避免产生所不希望的串联谐振。这一点可通过缩短引线实现。

调谐增益

为获得最佳的闭环相位噪声特性应尽可能降低调谐增益(Kvco)，环路滤波器的电阻和电阻“R” (图2)会产生宽带噪声，宽带热噪声(

)将按照Kvco调制VCO输出，用单位MHz/V表示。减小Kvco的途径有两条：一是降低压控振荡器的调谐范围；第二种方法是增大所允许的调节电压范围。要在保证足够的VCO调谐频率范围的前提下减小其调谐范围，需要选用容差极小的元器件，后面将对这一点作详细描述。为扩大电压调节范围，需采用电荷泵电路以提供适当的电压范围，这种方式一般需要采用更高的Vcc。MAX2360允许的电压调节范围是：0.5V至Vcc-0.5V。电池供电应用中，电压调节范围受电池电压或稳压器的制约。

免调节设计的基本概念

VCO槽路设计中需对实际部件进行误差分析，为了设计一个振荡在固定频率(fosc)的VCO，必须考虑元件误差。在设计调谐增益(Kvco)时必须将这些元件容差考虑进去。元件容差越小、可能产生的调谐增益越小，闭环相位噪声就越低。考虑误差最大的情况，可以用以下三种VCO模型表示：

1. 元件最大值(式5)
2. 标准谐振电路，对应于元件标称值(式2)
3. 元件最小值(式4)

三种VCO模型都必须覆盖所期望的标称频率，图5描述了如何将三种设计统一起来，以便提供可行的设计方案。从式1和图5可以看出：元件最小值对应于振荡频率的高频端偏移，而元件最大值对应于振荡频率的低频端偏移。

图5. 极端情况下的槽路中心频率和标称中心频率

为保证槽路的闭环相位噪声最小，需尽可能减小调谐范围。但要注意在考虑系统最大容差时仍能覆盖标准振荡频率。元件值分别达到最大和最小时，槽路的调谐范围尽量靠近所期望的振荡频率的边沿，考虑到系统容差对式2加以修正，可得最大误差时对应的振荡频率式5：

 

 

TL = %电感(L)的容差

TCINT= %电容(CINT)的容差

TCCENT = %电容(C

CENT)的容差

TCCOUP = %电容(CCOUP)的容差

TCV = %变容二极管电容(CV)的容差

式4和式5假设偏差量没有容差。

一般设计过程

步骤1

估算或测量焊点的寄生电容或其它寄生电容：用Boonton 72BD电容计对MAX2360评估板进行测试，测得寄生电容为：CLP = 0.981pF、CVP = 0.78pF、CDIFF = 0.118pF。

步骤2

确定电容Cint：这个参数在MAX2360/MAX2362/MAX2364数据资料的第5页查找到，谐振端口的1/S11随频率变化的典型工作特性给出了几个常用频点时的等效并联RC参数，附录B包含了槽路端口频率在高频端和低频端时Cint与频率的对应关系表。需要牢记的是本振频率为IF频率的两倍。

例如：

如果IF为130MHz，本振工作频率为260MHz。由1/s11图表可得Rn = -1.66kΩ、Cint = 0.31pF。

步骤3

选择电感：最好从几何平均值入手，这是一个需要重复迭代的过程。

 

 

上式中电感、电容的单位分别用nH、pF表示(1x10-9 x 1x10-12 = 1x10-21)。如果fosc = 260.76MHz、L = 19.3nH，则槽路总计电容为C = 19.3pF。最初选择容差为2%、电感量为18nH的Coilcraft 0603CS-18NXGBC比较恰当。

如果选择电感具有一定的局限性时，式6.1将是一个很有用的公式。对于一个固定振荡频率fosc，LC的乘积应保持恒定。

 

EQN6.1

 

fosc = 260.76MHz时，LC = 372.5，按照表1采用试凑的方法可以得到：电感取39nH、容差为5%，而槽路总电容为9.48pF。此时，图6中LC乘积为369.72，非常接近理论值372.5。由此可以看出上述关系时的实用性。为保证较低的相位噪声，选用高Q值电感，如：Coilcraft 0603CS系列，如果能够合理控制微带线的容差和Q值，也可选用微带线。

图6. 130.38MHz IF槽路

步骤4

确定锁相环(PLL)的合理范围：该参数表示VCO整个调谐电压(Vtune)的工作范围，对于MAX2360，适当范围为：0.5V至VCC-0.5V，如果VCC = 2.7V，则调谐电压范围为：0.5V至2.2V，电荷泵输出限定这一范围。槽路电压摆幅为1VP-P、电压摆幅的中点为1.6V直流，即使选用较大的Ccoup，变容二极管也不会产生正偏。这是一个需要避免的情况，因为二极管将会影响槽路引脚上的交流信号，产生所不期望的杂散响应、造成闭环PLL的失锁。

步骤5

选择变容二极管，在所规定的调谐电压范围内选择容差较小的变容二极管，并保证串联电阻最小，确认变容二极管的自共振频率高于所期望的工作频率。在规定的工作电压范围内察看CV(2.5V)/CV(0.5V)的比率。如果选择较大的耦合电容Ccoup，最大调谐范围可利用式2计算；如果选择较小的耦合电容Ccoup，将会降低有效的频率调谐范围。选择变容二极管时需给出调谐范围的中点和端点处的容差，可以选择一个特性曲线较陡峭的变容二极管，如Alpha SMV1763-079，进行线性调节。取槽路总电容、并将其用于变容二极管的Cjo。注意，Ccoup会降低变容二极管耦合到槽路的电容。

步骤6

确定耦合电容Ccoup：Ccoup较大时，变容二极管耦合到槽路的电容较大、使调谐范围增大，但会降低槽路加载后的Q值。Ccoup较小时，会提高耦合变容二极管的Q值和加载后的Q值，但它是以减小调谐范围为代价的。通常是在保证调谐范围的前提下尽可能选择小的容量值。选择较小Ccoup的另一个好处是可以降低变容二极管两端的电压摆幅。

步骤7

确定电容Ccent。一般Ccent取2pF，考虑到电容误差也可选用稍微大一点的电容。利用Ccent调整VCO的标准频率。

步骤8

按照制作的电子表格推敲设计参数。

MAX2360在130.38MHz、165MHz和380MHz IF时的VCO槽路设计

下列电子表格给出了MAX2360在几个通用IF频点的设计，请牢记：LO振荡频率应为所期望的IF频率的两倍。

 

浅灰色代表计算值

深灰色代表用户的输入参数

 

表1. 130.38MHz IF槽路设计

 

MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 130.38MHz IF Frequency
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	23.77MHz/V

 

图7. 165MHz IF槽路

 

浅灰色代表计算值

深灰色代表用户的输入参数

 

表2. 165MHz IF槽路设计
 

 

MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 165MHz IF Frequency
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	35.92MHz/V

 

图8. 380MHz IF槽路

 

浅灰色代表计算值

深灰色代表用户的输入参数

 

表3. 380MHz IF槽路设计
 

 

MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 380MHz IF Frequency
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	41.18MHz/V

 

附录A

图9. 变容二极管模型

Alpha应用笔记AN1004对变容二极管模型提供了更多信息。变容二极管电容定义为式7：

 

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

 

变容二极管串联电感可以用反向输出的感抗表示，计算新的等效电容CV为：

 

EQN8

 

审核编辑：郭婷