电压控制振荡器 (VCO) 的基础知识及其选型和使用

许多电子应用需要根据其他信号的幅值来改变某个信号的频率。调频信号便是一个很好的例子，其中的载波频率随着调制源幅值的变化而变化。此外，还有锁相环 (PLL)：这种电路使用控制系统来改变振荡器的频率和/或相位，以匹配输入参考信号的频率/相位。
 
设计者的目标是：确定如何尽可能以高效、低成本的方式实现该功能，同时确保精度、可靠性以及不受时间和温度影响的稳定性。
 
这就是压控振荡器 (VCO) 的功能。这类器件专用于提供一种频率会在合理的范围内随输入信号的电压幅值变化而变化的输出信号。压控振荡器可用于 PLL、频率和相位调制器、雷达和许多其他电子系统中。
 
本文将说明为什么 VCO 往往是设计者实现这一功能的最佳选择，然后简要介绍 VCO 的工作原理，以及从分立元器件设计到单片 VCO IC 的各种 VCO 设计。然后，通过来自不同供应商的实际案例来探讨如何指定 VCO，以匹配特定应用。这些厂商包括 Maxim Integrated、Analog Devices、Infineon Technologies、NXP Semiconductors、Skyworks Solutions 和 Crystek Corporation 等。
 
VCO 的作用是什么？

如前所述，许多电子应用需要根据另一个信号的幅值来改变或控制某个信号的频率或相位。典型应用包括通信系统、雷达中的频率啁啾、PLL 中的相位跟踪以及远程无钥匙进入等跳频应用（图 1）。

VCO 专门用于产生一种频率会根据输入信号的幅值在合理范围内变化的输出信号。
 
VCO 如何工作

VCO 分为分立、模块化和单片形式，但通过对分立式 VCO 的讨论有助于读者从基本上了解其工作原理以及为什么某些指标非常重要。随后简要介绍模块化和单片解决方案。
 
使用 VCO 分立式方法，设计者能够极其灵活地满足定制指标。这种方法在自己动手 (DIY) 项目中尤为常见，特别是在业余无线电领域。这类设计旨在用于高频无线电项目，基于经典的振荡器拓扑结构，包括 Hartley 和 Colpitts 电感电容 (LC) 振荡器（图 2）。

所有的振荡器都是基于使用正反馈来实现持续振荡的。Hartley 和 Colpitts 振荡器是基本设计，用不同方式产生正反馈。正反馈要求振荡器输出的信号返回到输入端，总相移为 360°。放大器提供 180° 倒相，360° 的另一半来自振荡电路的 LC。振荡电路决定了标称振荡频率。在 Hartley 振荡器电路中，振荡电路由 L1、L2 和 Ct 组成；在 Colpitts 振荡器中，振荡电路由 L1、Ct1 和 Ct2 组成。
 
Hartley 振荡器采用电感耦合方式，通过电路中所示的双电感或分接电感（L1 和 L2）来实现倒相。Colpitts 振荡器在相应电路中采用了由 Ct1 和 Ct2 组成的容性分压器。从这些基本设计衍生出许多设计，每个设计都有自己的名称。这些衍生设计尝试将振荡电路与放大器隔离，以防止负载造成频率偏移。这样的衍生设计有很多，设计者可以从中挑选自己喜欢的。
 
通过采用变容二极管为这些设计增加频率控制功能，从而改变振荡电路的谐振频率，变容二极管有时也称为变容器二极管，是专门用来提供可变电容的结型二极管。P-N 结经过反向偏置，并且可以通过改变所施加的直流偏置电压来改变二极管的电容。变容二极管的电容与所施加的直流偏置电压成反比：反向偏置越高，二极管的耗尽区越大，因而电容也越小。这种变化可以从 Skyworks Solutions 的 SMV1232_079LF超突变结变容二极管的电容反向电压图中看出（图 3）。这种二极管在零电压下的电容为 4.15 皮法拉 (pF)，在 8 V 下的电容为 0.96pF。

变容二极管的电容范围决定了 VCO 的调谐范围。振荡器的电压控制是通过增加变阻器与振荡电路并联实现的，如图 4 所示。图中所示为一个中心频率为 1 千兆赫 (GHz)、调谐范围约为 100 兆赫 (MHz) 的 Colpitts 振荡器 VCO 的评估板参考设计。该参考设计集成了一个射极跟随器缓冲器，以隔离 VCO 的负载变化。本设计中的谐振电路包括电感 L3 和电容 C4、C7、C8。变容二极管 VC1 与振荡电路并联。电容器 C4 控制给定变容二极管的频率变化范围，而 C7 和 C8 则提供维持振荡所需的反馈。

图 4：Colpitts 振荡器 VCO 的评估板参考设计，其中心频率为 1 GHz，调谐范围约 100 MHz。变容二极管 VC1（左下）与振荡电路并联，由电感 L3 和电容 C4、C7、C8 组成。（图片来源：NXP Semiconductors）

变容二极管和双极结晶体管的选择取决于振荡器频率。对于 1 GHz 的标称频率，可以使用诸如 NXP Semiconductor 的 BFU520WX 或 Infineon Technologies 的 BFP420FH6327XTSA1 之类的射频晶体管。BFU520WX 的过渡频率为 10GHz，增益为 18.8 分贝 (dB)，BFP420FH6327XTSA1 的过渡频率为 25GHz，增益为 19.5dB。两者在 1GHz 时都有足够的增益带宽积来适应该电路。
 
总之，分立式 VCO 的设计灵活性最大，但与模块化或单片器件相比，则其体积更大且 PC 板占用面积更多。
 
指定 VCO

主要的 VCO 指标通常从标称频率范围开始，即可获得的最低和最高频率。另外，这些参数也可以被指定为标称频率或中心频率以及调谐范围。
 
输入调谐电压范围对应于输入电压摆动，在调谐范围内对 VCO 进行调谐（图 5）。

调谐增益或灵敏度就是频率电压曲线的斜率，以 MHz/volt (V) 为单位。这是衡量调谐线性的标准。在 VCO 处于控制环路中的应用中，如 PLL，调谐灵敏度是 VCO 元件的增益，可能会影响控制环路的动态性能和稳定性。
 
VCO 的输出功率规定了向指定阻抗负载输送的功率，对于 RF VCO 来说通常是 50 欧姆 (Ω)。输出功率以 dB 为单位，参考 1 毫瓦 (mW) (dBm)。在 VCO 的频率范围内，功率输出的平坦度也是值得关注的。
 
负载牵引是指由于负载阻抗变化而引起的 VCO 输出频率变化，测量单位为 MHz 峰峰值 (pk-pk)。通常，通过使用类似图 4 所示的发射极跟随器之类的缓冲放大器来提高负载隔离度。
 
电源推进是指由于电源电压的变化而导致 VCO 输出频率变化的现象。其单位是 MHz/V。
 
相位噪声规格是 VCO 信号的纯度指标。理想振荡器的频谱是振荡器频率下的窄谱线。相位噪声代表了振荡器不需要的调制，且扩大了频谱响应。相位噪声是由振荡器电路内的热源和其他噪声源造成的，用载波下分贝每赫兹 (dBc/Hz) 表示。频域的相位噪声会导致时域出现时序抖动，表现为时间间隔误差 (TIE)。
 
模块化 VCO

模块化 VCO 代表了电路集成的下一个最高水平。这类 VCO 被封装在小型模块化外壳中，可以象组件一样使用。模块化 VCO 通常比分立式 VCO 具有更高的封装密度。这类器件具有一系列输出频率、调谐范围和功率输出水平。例如 Crystek Corporation 的 CRBV55BE-0325-0775VCO（图 6）。该器件的尺寸为 1.25 x 0.59 英寸 (in.)（31.75 x 14.99 毫米 (mm)），高度为 1.25 in.，输入电压范围为 0 - 12 伏，调谐范围为 325 - 775MHz。其输出功率水平为 +7 dBm（典型值），10 千赫兹 (kHz) 载波偏移时相位噪声为 -98 dBc/Hz，100 kHz 时为 -118 dBc/Hz。

在动态控制方面，Crystek VCO 的典型调谐灵敏度为 45 MHz/V。电源推进指定为 0.5 MHz/V（典型值），最大 1.5 MHz/V。负载牵引最大为 5.0 MHz pk-pk。
单片 VCO

VCO 可以作为单片 IC 实施。单片 IC 的体积密度最高。与模块化 VCO 一样，单片 VCO 也是为特定的工作频段设计的。这种器件如 Maxim Integrated 的 MAX2623EUA+T。这是一款自足式 VCO，在 8 引脚 mMax 单封装中集成了振荡器和输出缓冲器（图 7）。

该设计包括片载振荡器电感和变容二极管。该器件的工作电源为 +2.7 至 +5.5 V，电流消耗仅 8 毫安 (mA)。MAX2623 是该产品系列中的三款 VCO 之一，每款 VCO 都有不同的预期工作频率，因此各不相同。MAX2623 的调谐范围为 885 - 950 MHz，涵盖了 902 - 928 MHz 的工业、科学和医疗 (ISM) 频段，可用作本地振荡器。该 VCO 向 50 Ω 负载输送的输出功率水平为 -3 dBm，且在100 kHz 偏移下的典型相位噪声为 -101 dBc/Hz。控制电压范围为 0.4 - 2.4 V，负载牵引一般为 0.75 MHz (pk-pk)。电源推进为 280 kHz/V（典型值）。封装尺寸为 0.12×0.12×0.043 in.(3.03 x 3.05 x 1.1 mm)。
 
另一个单片 VCO 的例子是 Analog Devices 的 HMC512LP5ETR。该 VCO 的频率范围为 9.6 - 10.8 GHz，调谐电压范围为 2 - 13 V。该器件专用于卫星通信、多点无线电和军事应用（图 8）。

这种单片微波集成电路 (MMIC) VCO 采用 GaAs 和 InGaP 异质结双极晶体管，使用 5 伏直流电源，可实现宽带宽和对 50Ω 负载的 +9dBm 输出功率水平。在 100 kHz 偏移下，相位噪声为 -110 dBc/Hz。负载牵引一般为 5 MHz 峰峰（典型值）。电源推进通常是 5 V 电压下 30 MHz/V（典型值）。该器件采用 QFN 5 x 5 mm 表面贴装封装。请注意，该 VCO 还包括半频和四分之一频辅助输出。这些小数频率输出可用于驱动 PLL 合成器，以便在需要时锁定 VCO 初级输出，或同步其他时序链信号。
 
体积小巧既是这两种单片 VCO 器件的特点，也是其主要优势。
 
总结

无论是分立式、模块化还是单片式 VCO，都能满足许多应用对基于电压的频率控制的需求。这些器件用于函数发生器、PLL、频率合成器、时钟发生器和模拟音乐合成器。虽然这些器件都相对简单，但正确使用则需要充分了解其工作方式和主要指标。一旦了解了这些知识，就会发现有很多设计和供应商可供选择。