MAX2310 VCO槽路设计

概述

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) 85MHz、190MHz、210MHz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MAX2310 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 = MAX2310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 = MAX2310槽路端口的等效负阻
Cint = MAX2310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. MAX2310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 = MAX2310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：

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

图4. 详细的VCO模型

Rn = MAX2310槽路端口的等效负阻
Cint = MAX2310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。MAX2310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：

元件最大值(式5)

标准谐振电路，对应于元件标称值(式2)

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4、式5：

= %电感（L）的容差

TCINT = %电容（CINT）的容差

TCCENT = %电容（CCENT）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MAX2310评估板(Rev C)进行测试，测得寄生电容为：CLP = 1.13pF、CVP = 0.82pF、CDIFF = 0.036pF。

步骤2

确定电容Cint：这个参数在MAX2310/MAX2312/MAX2314/MAX2316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210MHz (高频端谐振电路)，本振工作频率应为420MHz。由附录B的表5可得Cint = 0.959pF。

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。

 

式6

 

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 = 420MHz、L = 11.98nH，则槽路总计电容为C = 11.98pF。最初选择容差为2%、电感量为12nH的Coilcraft 0805CS-12NXGBC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。

 

式6.1

 

fosc = 420MHz时，LC = 143.5，按照表3采用试凑的方法可以得到：电感取18nH、容差为2%，而槽路总电容为7.9221pF。此时，图8中LC乘积为142.59，非常接近理论值143.5。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 0805CS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。

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MAX2310，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。

MAX2310在85MHz、190MHz和210MHz IF时的VCO槽路设计

下列电子表格给出了MAX2310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。

图6. 85MHz低频端IF槽路

表1. 85MHz低频端IF槽路设计
 

 

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MAX2310 Low-Band Tank Design and Tuning Range
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	14.1766pF	13.3590pF	14.9459pF
1.375V		Ct mid	12.8267pF	11.7445pF	13.7620pF
2.2V		Ct low	11.4646pF	10.3049pF	12.4534pF
Tank Components		Tolerance
C coup		18pF	0.9pF	5%
C cent		5.6pF	0.1pF	2%
C stray		0.70pF
L		68nH	2.00%
C int		0.902pF	10.00%
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.1pF
Ind. pad	C Lp	1.13pF
Due to ||	C diff	0.036pF
Var. pad	C vp	0.82pF
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	1.82
Freq	170.00MHz
Nominal Varactor		X c	Net Cap
Cv high	54.64697pF	-17.1319	61.12581pF
Cv mid	27.60043pF	-33.92	29.16154pF
Cv low	14.92387pF	-62.7321	15.36874pF
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high	44.26404pF	-21.1505	48.42117pF
Cv mid	19.59631pF	-47.7746	20.37056pF
Cv low	9.700518pF	-96.5109	9.886531pF
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high	65.02989pF	-14.3965	74.41601pF
Cv mid	35.60456pF	-26.2945	38.24572pF
Cv low	20.14723pF	-46.4682	20.96654pF
	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range
						F low	162.10MHz	84.34MHz	81.05MHz	78.16MHz
						F mid	170.42MHz	89.95MHz	85.21MHz	81.45MHz
F high	180.25MHz	96.03MHz	90.13MHz	85.62MHz
BW	18.16MHz	11.69MHz	9.08MHz	7.46MHz
% BW	10.65%	12.99%	10.65%	9.16%
Nominal IF Frequency			85.00MHz
Design Constraints
Condition for bold number			=IF	> IF
						Delta		0.66	-0.21	0.62
						Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-0.21	MHz
Inc or dec BW			-1.28	MHz
Cent adj for min BW			84.98	MHz
K vco	10.68MHz/V

 

图7. 190MHz高频端IF槽路

表2. 190MHz高频端IF槽路设计

 

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MAX2310 High-Band Tank Design and Tuning Range
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	10.4968pF	10.0249pF	10.9126pF
1.375V		Ct mid	9.6292pF	8.8913pF	10.2124pF
2.2V		Ct low	8.6762pF	7.7872pF	9.3717pF
Tank Components		Tolerance
C coup		12pF	0.1pF	1%
C cent		3.4pF	0.1pF	3%
C stray		0.70pF
L		18nH	2.00%
C int		0.954pF	10.00%
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.01pF
Ind. pad	C Lp	1.13pF
Due to ||	C diff	0.036pF
Var. pad	C vp	0.82pF
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	4.06
Freq	380.00MHz
Nominal Varactor		X c	Net Cap
Cv high	54.64697pF	-7.66426	116.1695pF
Cv mid	27.60043pF	-15.1747	37.67876pF
Cv low	14.92387pF	-28.0643	17.44727pF
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high	44.26404pF	-9.46205	77.51615pF
Cv mid	19.59631pF	-21.3728	24.19031pF
Cv low	9.700518pF	-43.1759	10.70708pF
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high	65.02989pF	-6.44056	175.8588pF
Cv mid	35.60456pF	-11.7633	54.36221pF
Cv low	20.14723pF	-20.7884	25.03539pF
	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range
						F low	366.15MHz	189.23MHz	183.07MHz	177.78MHz
						F mid	382.29MHz	200.94MHz	191.14MHz	183.78MHz
F high	402.74MHz	214.71MHz	201.37MHz	191.84MHz
BW	36.59MHz	25.47MHz	18.29MHz	14.06MHz
% BW	9.57%	12.68%	9.57%	7.65%
Nominal IF Frequency			190MHz
Design Constraints
Condition for bold number		< IF	= IF	> IF
						Delta		0.77	-1.14	1.84
						Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-1.14	MHz
Inc or dec BW			-2.61	MHz
Cent adj for min BW			190.54	MHz
K vco	21.52MHz/V

 

图8. 210MHz高频端IF槽路

表3. 210MHz高频端IF槽路设计
 

 

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MAX2310 High-Band Tank Design and Tuning Range
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	8.8304pF	8.1465pF	9.4877pF
1.35V		Ct mid	7.9221pF	7.0421pF	8.6970pF
2.2V		Ct low	6.9334pF	5.9607pF	7.7653pF
Tank Components		Tolerance
C coup		12pF	0.6pF	5%
C cent		1.6pF	0.1pF	6%
C stray		0.70pF
L		18nH	2.00%
C int		0.959pF	10.00%
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.1pF
Ind. pad	C Lp	1.13pF
Due to ||	C diff	0.036pF
Var. pad	C vp	0.82pF
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	4.49
Freq	420.00MHz
Nominal Varactor		X c	Net Cap
Cv high	54.64697pF	-6.93433	154.787pF
Cv mid	27.60043pF	-13.7295	40.99616pF
Cv low	14.92387pF	-25.3916	18.12647pF
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high	44.26404pF	-8.56091	92.99806pF
Cv mid	19.59631pF	-19.3373	25.51591pF
Cv low	9.700518pF	-39.0639	10.95908pF
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high	65.02989pF	-5.82717	282.5852pF
Cv mid	35.60456pF	-10.643	61.54791pF
Cv low	20.14723pF	-18.8086	26.45795pF
	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range
						F low	399.20MHz	209.92MHz	199.60MHz	190.67MHz
						F mid	421.47MHz	225.78MHz	210.73MHz	199.14MHz
F high	450.52MHz	245.41MHz	225.26MHz	210.75MHz
BW	51.31MHz	35.49MHz	25.66MHz	20.09MHz
% BW	12.18%	15.72%	12.18%	10.09%
Nominal IF Frequency			210MHz
Design Constraints
condition for bold number		< IF	= IF	> IF
						Delta		0.08	-0.73	0.75
						Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-0.73	MHz
Inc or dec BW			-0.83	MHz
Cent adj for min BW			210.34	MHz
K vco	30.18MHz/V

 

图9. 高-Q值210MHz高频端IF槽路

表4. 高-Q值210MHz高频端IF槽路设计
 

 

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MAX2310 High-Band Tank Design and Tuning Range
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	5.8856	5.5289	6.2425
1.375V		Ct mid	5.2487	4.9113	5.5858
2.2V		Ct low	4.8371	4.5156	5.1581
Tank Components
C coup		15pF	0.75pF	5%
C cent		1.6pF	0.1pF	6%
C stray		0.77pF
L		27	2.00%
C int		0.959	10.00%
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.17pF
Ind. pad	C Lp	1.13pF
Due to ||	C diff	0.036pF
Var. pad	C vp	0.82pF
Varactor Specs
Alpha SMV1763-079
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	2.11
Freq	420.00MHz
Nominal Varactor		X c	Net Cap
Cv high	6.67523pF	-56.7681	6.933064pF
Cv mid	4.23417pF	-89.4958	4.336464pF
Cv low	2.904398pF	-130.471	2.952167pF
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high	6.174588pF	-61.3709	6.39456pF
Cv mid	3.831924pF	-98.8904	3.915514pF
Cv low	2.570392pF	-147.425	2.607736pF
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high	7.175873pF	-52.8076	7.474698pF
Cv mid	4.636416pF	-81.7313	4.759352pF
Cv low	3.238404pF	-117.015	3.297904pF
	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range
						F low	399.25MHz	208.05MHz	199.62MHz	191.92MHz
						F mid	422.78MHz	220.75MHz	211.39MHz	202.89MHz
F high	440.40MHz	230.22MHz	220.20MHz	211.14MHz
BW	41.15MHz	22.16MHz	20.58MHz	19.21MHz
% BW	9.73%	10.04%	9.73%	9.47%
Nominal IF Frequency			210MHz
Design Constraints
Condition for bold number		< IF	= IF	> IF
						Delta		1.95	-1.39	1.14
						Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-1.39	MHz
Inc or dec BW			-3.08	MHz
Cent adj for min BW			209.60	MHz
K vco	24.21MHz/V

 

附录A

图10. 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:

 

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:

附录B

表5. MAX2310高频槽路中Cint与频率的对应关系
 

 

Frequency (MHz)	Cint (pF)	Frequency (MHz) (cont.)	Cint (pF) (cont.)
100	0.708	360	0.949
110	0.759	370	0.955
120	0.800	380	0.954
130	0.809	390	0.954
140	0.839	400	0.954
150	0.822	410	0.955
160	0.860	420	0.959
170	0.869	430	0.956
180	0.880	440	0.959
190	0.905	450	0.964
200	0.917	460	0.962
210	0.920	470	0.963
220	0.926	480	0.963
230	0.924	490	0.960
240	0.928	500	0.964
250	0.935	510	0.965
260	0.932	520	0.968
270	0.931	530	0.966
280	0.933	540	0.968
290	0.927	550	0.967
300	0.930	560	0.974
310	0.933	570	0.977
320	0.943	580	0.976
330	0.944	590	0.984
340	0.945	600	0.982
350	0.956	-	-

 

图11. MAX2310高频端槽路中Cint与频率的对应关系(6阶多项式曲线拟和)

表6. MAX2310低频端槽路中Cint与频率的对应关系
 

 

Frequency (MHz)	Cint (pF)	Frequency (MHz) (cont.)	Cint (pF) (cont.)
100	0.550	360	1.001
110	0.649	370	0.982
120	0.701	380	0.992
130	0.764	390	1.001
140	0.762	400	0.985
150	0.851	410	0.980
160	0.838	420	0.986
170	0.902	430	0.992
180	0.876	440	0.994
190	0.907	450	1.001
200	0.913	460	1.003
210	0.919	470	1.007
220	0.945	480	0.992
230	0.952	490	1.010
240	0.965	500	1.004
250	0.951	510	1.011
260	0.954	520	1.022
270	0.974	530	1.019
280	0.980	540	1.044
290	0.973	550	1.026
300	0.982	560	1.041
310	0.970	570	1.038
320	0.982	580	1.032
330	0.991	590	1.036
340	0.993	600	1.025
350	0.991	-	-

 

图12. MAX2310低频端槽路中Cint与频率的对应关系(6阶多项式曲线拟和)

审核编辑：郭婷