跟蹤VCO技術(shù)的進(jìn)步

本應(yīng)用筆記回顧了大約1910年以來壓控振蕩器（VCO）的歷史，并提供了VCO在RF IC中的集成示例。它追溯了技術(shù)，并討論了產(chǎn)品性能和尺寸的演變。預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)。

壓控振蕩器 （VCO） 常見于無線系統(tǒng)和其他必須在頻帶上進(jìn)行調(diào)諧的通信系統(tǒng)。VCO可從眾多制造商處獲得，具有各種封裝樣式和性能水平。然而，現(xiàn)代表面貼裝和射頻集成電路（RFIC）VCO的遺產(chǎn)歸功于近百年前開始的工程發(fā)展。在此期間，VCO技術(shù)的改進(jìn)一直在繼續(xù)，產(chǎn)生了更小的源，具有增強(qiáng)的相位噪聲和調(diào)諧線性度。

振蕩器電路的演變

自埃德溫·阿姆斯特朗發(fā)現(xiàn)外差原理*以來，振蕩器一直是必不可少的組件。在此應(yīng)用中，振蕩器將正弦信號(hào)饋送到非線性混頻元件，通過將振蕩器的信號(hào)與其他輸入信號(hào)相乘來實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，阿姆斯特朗意識(shí)到，控制頻率轉(zhuǎn)換所需要的是一個(gè)電路，它產(chǎn)生具有相應(yīng)頻率的穩(wěn)定正弦時(shí)變電壓（或電流）。大約在同一時(shí)間，他發(fā)現(xiàn)可以配置一個(gè)Audion（早期的真空管）來產(chǎn)生振蕩，他有效地設(shè)計(jì)了第一個(gè)電子振蕩器**（而不是早期無線發(fā)射器中使用的粗糙的火花隙振蕩器）。

回想起來，阿姆斯壯掀起了振蕩器技術(shù)的革命，很快就使火花發(fā)射器過時(shí)了，從而導(dǎo)致了高性能無線電接收器的發(fā)展。從 1910 年代阿姆斯壯的發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)代，VCO 技術(shù)已經(jīng)從真空管振蕩器發(fā)展到晶體管振蕩器，再到振蕩器模塊解決方案，最后發(fā)展到今天的基于 RFIC 的振蕩器。VCO技術(shù)的面貌再次迅速變化，很快在許多系統(tǒng)中，在基本拓?fù)浜?或數(shù)學(xué)上將只類似于早期振蕩器。

阿姆斯特朗的發(fā)現(xiàn)很快被拉爾夫·哈特利（Ralph V. L. Hartley）改進(jìn)，發(fā)明了振蕩器電路拓?fù)洌?strong>圖1）。哈特利利用真空管技術(shù)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種振蕩器電路，其中真空管充當(dāng)放大裝置，并施加感應(yīng)反饋以產(chǎn)生再生振蕩。振蕩頻率由線圈電感和電路電容確定。該電路是產(chǎn)生正弦信號(hào)的突破;它通過改變線圈或電容器的值來提供更大范圍的可能頻率。哈特利振蕩器電路在發(fā)射器中很受歡迎，并很快被改編用于第一次世界大戰(zhàn)。發(fā)射器和接收器都使用新的基于電子管的振蕩器電路。振蕩器電路創(chuàng)新激增，并導(dǎo)致了今天仍在使用的主要電路拓?fù)?，例如Hartley，Colpitts，Clapp，Armstrong，Pierce和其他拓?fù)洹?/p>

圖1.哈特利振蕩器的示例：（a）三極管實(shí)現(xiàn)和（b）JFET實(shí)現(xiàn)。

在阿姆斯壯的超外差接收器原理中，輸入信號(hào)與振蕩器信號(hào)混合以產(chǎn)生恒定的中頻（IF）。為了保持恒定的IF，振蕩器必須隨著輸入信號(hào)的變化頻率而改變頻率。使用變頻振蕩器，可以將頻率轉(zhuǎn)換電路調(diào)諧到寬范圍的輸入RF信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)多通道通信，例如調(diào)幅（AM）無線電。這種變頻振蕩器是對(duì)基本諧振電路振蕩器的改編，其中其中一個(gè)諧振元件（電感器或電容器）會(huì)發(fā)生變化。大多數(shù)情況下，電容器是可變的。高質(zhì)量的可變電容器由聯(lián)動(dòng)多板金屬氣隙電容器構(gòu)成。

隨著無線電技術(shù)的進(jìn)步，振蕩器電路的實(shí)施出現(xiàn)了持續(xù)的創(chuàng)新。工程師設(shè)計(jì)了無數(shù)類型的線圈、可變電容器、反饋技術(shù)和真空管來實(shí)現(xiàn)振蕩器和頻率轉(zhuǎn)換電路。設(shè)計(jì)了許多精心而優(yōu)雅的方案，通過收音機(jī)正面的機(jī)械撥盤提供精確、高質(zhì)量的振蕩器頻率調(diào)諧。圖 2 是重建的 1929 年老式哈特利式發(fā)射器的圖片（由業(yè)余無線電愛好者 W9QZ 重新創(chuàng)建）。與許多早期的電子實(shí)現(xiàn)一樣，該電路體積龐大且昂貴，并且需要高電源電壓。

圖2.復(fù)古 1929 年哈特利式發(fā)射器。

雙極晶體管和變?nèi)?a target="_blank">二極管

多年來，真空管振蕩器廣泛用于商業(yè)和軍用無線電接收器應(yīng)用，例如AM和調(diào)頻（FM）無線電，電視和軍事語音通信。然而，半導(dǎo)體放大器件（如晶體管和變?nèi)荻O管）的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了VCO技術(shù)的下一個(gè)巨大變化。

第一個(gè)雙極晶體管于 1940 年代后期在貝爾實(shí)驗(yàn)室（新澤西州霍姆德爾）發(fā)現(xiàn)，晶體管在 1950 年代作為真空管的替代品可用。與電子管相比，新晶體管更小，功耗更低，工作電壓要求更低，最終成本更低。晶體管取代了真空管作為振蕩器中的有源元件，并顯著改變了為振蕩器拓?fù)浣⒌膶?shí)際實(shí)現(xiàn)。

可以說，變?nèi)荻O管（具有由反向偏置PN結(jié)產(chǎn)生的電壓可變電容）的引入對(duì)VCO方向的影響比晶體管更大。在1960年代初期，對(duì)變?nèi)荻O管技術(shù)進(jìn)行了大量研究，變?nèi)荻O管迅速取代了機(jī)械可調(diào)元件作為VCO中的可變電容元件。變?nèi)荻O管在開發(fā)鎖相環(huán)（PLL）電路方面被證明是無價(jià)的，用于對(duì)頻率源進(jìn)行精確電子控制。在此期間，電視的快速增長(zhǎng)極大地促進(jìn)了向基于變?nèi)荻O管和晶體管的VCO的遷移?，F(xiàn)在，具有固有電子調(diào)諧和易于重新配置的頻率范圍的具有成本效益、低功耗、高質(zhì)量VCO。分立晶體管和基于變?nèi)荻O管的VCO主導(dǎo)了1960年代至1980年代的電子設(shè)計(jì)。但是，在 1980 年代，兩項(xiàng)新技術(shù)影響了 VCO 的發(fā)展：模塊化方法和單片 VCO 集成電路 （IC）。圖 3 顯示了過去 80 年 VCO 技術(shù)發(fā)展的時(shí)間表。

圖3.VCO 技術(shù)生命周期與年份的關(guān)系圖。

模塊化方法

變?nèi)荻O管、電容器和電感器的尺寸不斷縮小，使得模塊形式的VCO成為可能。VCO 模塊本質(zhì)上是分立元件振蕩器的微型版本，該振蕩器構(gòu)建在安裝在金屬外殼中的基板上。該模塊是獨(dú)立的，只需要接地、電源電壓、調(diào)諧電壓和輸出負(fù)載。此類模塊首次出現(xiàn)在 1960 年代，主要用于軍事應(yīng)用。它們相當(dāng)大（幾平方英寸）并且相對(duì)昂貴。VCO的分立晶體管和變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)仍然用于商業(yè)產(chǎn)品。直到移動(dòng)電話的出現(xiàn)，VCO模塊才出現(xiàn)了商業(yè)市場(chǎng)。

雖然分立式VCO可以針對(duì)任何頻率和調(diào)諧范圍進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，但它們通常需要對(duì)頻率設(shè)置元件進(jìn)行勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)調(diào)整，以補(bǔ)償組件的變化。此外，分立式VCO需要良好的屏蔽，以最大限度地減少輻射并減少牽引效應(yīng)。但隨著1980年代末和1990年代初移動(dòng)電話銷量的增長(zhǎng)，對(duì)“封閉式”振蕩器模塊的需求增加。一些日本公司越來越精通小型化，開發(fā)了小型的、具有成本效益的移動(dòng)電話VCO模塊。隨著新的無線應(yīng)用的出現(xiàn)，VCO模塊制造商開發(fā)了具有每個(gè)應(yīng)用獨(dú)特頻率計(jì)劃的產(chǎn)品。隨著表面貼裝元件變得越來越?。?206、0805、0603、0402、0201），新的更小、成本更低的VCO模塊被開發(fā)出來。圖4顯示了“典型”最先進(jìn)的商用VCO模塊隨時(shí)間推移的尺寸減小情況。

如今，這些不同的設(shè)計(jì)改進(jìn)最終形成了緊湊的（4mm×5mm×2mm）模塊，大批量售價(jià)接近1.00美元。VCO模塊體積縮小的15年周期確實(shí)是尺寸的驚人減小，并滿足了新型移動(dòng)無線設(shè)備（如蜂窩電話）帶來的苛刻空間限制。然而，到1990年代末，將出現(xiàn)一種更小、更具成本效益的VCO技術(shù)：?jiǎn)纹琕CO IC技術(shù)。

圖4.VCO 模塊大小隨時(shí)間的縮放。

單片式 VCO（單片式 VCO）

單片VCO技術(shù)被定義為一種VCO實(shí)現(xiàn)，其中LC（電感電容）VCO的所有電路元件（即晶體管、電容器、電阻器、電感器和變?nèi)荻O管）都集成在一個(gè)芯片上。與VCO模塊一樣，這些器件被配置為形成一個(gè)完整的VCO，只需要連接到電源、接地、輸出、調(diào)諧輸入和任何數(shù)字控制線。（注意：壓控環(huán)形振蕩器電路已被排除在VCO的這個(gè)定義之外，因?yàn)樗鼈兊南辔辉肼曇畹枚?，因此無法在大多數(shù)無線電系統(tǒng)中使用。

單片VCO的第一個(gè)實(shí)例恰逢砷化鎵（GaAs）IC技術(shù)和單片微波IC（MMIC）的發(fā)展。文獻(xiàn)中出現(xiàn)了單片VCO1,2在1980年代初期，在對(duì)MMIC的商業(yè)和軍事應(yīng)用進(jìn)行深入研究的時(shí)期（主要由美國(guó)資助）。DARPA模仿程序）。早期的MMIC VCO采用GaAs IC工藝制造，使用2英寸直徑的晶圓。這些MMIC VCO的區(qū)域效率不是特別高，因此成本效益不高。通常，這些VCO在與目標(biāo)應(yīng)用，衛(wèi)星接收器和雷達(dá)系統(tǒng)一致的多GHz頻率下工作。

DARPA MIMIC研究開發(fā)的大多數(shù)早期單片GaAs VCO對(duì)商業(yè)市場(chǎng)幾乎沒有影響。在1980年代，硅IC技術(shù)仍然被降級(jí)為低頻，缺乏千兆赫頻率單片VCO所需的帶寬。但到了1990年代，硅IC技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到足夠高的轉(zhuǎn)換頻率（fT）和合適的單片元件（高Q值電感器、高頻電容器和變?nèi)荻O管），以便開發(fā)高頻硅單片VCO。與此同時(shí)，無線市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)，具有足夠的規(guī)模和增長(zhǎng)潛力，以刺激對(duì)800MHz至2500MHz頻段低成本VCO的需求。

在 1990 年代的這些發(fā)展之前，大多數(shù)商業(yè)無線電系統(tǒng)都在低頻下運(yùn)行，因此構(gòu)建單片 VCO IC 是不切實(shí)際的;片內(nèi)電感值太大。文獻(xiàn)中硅單片VCO IC的第一個(gè)明顯實(shí)例來自1992年的加州大學(xué)伯克利分校。3該VCO采用了一種獨(dú)特的非正統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：通過在兩個(gè)獨(dú)立的諧振電路之間進(jìn)行電“插值”來改變頻率。盡管如此，從技術(shù)上講，它仍然是單片硅VCO IC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)?？梢哉f，羅伯特·邁耶（Robert Meyer）教授及其研究生在伯克利校區(qū)的這項(xiàng)工作和進(jìn)一步研究似乎開創(chuàng)了對(duì)整體VCO研究增加的時(shí)期。

到1995年，領(lǐng)先大學(xué)的研究人員在技術(shù)文獻(xiàn)中報(bào)道了硅單片VCO IC的工作。4,5在這些報(bào)告中，研究人員披露了現(xiàn)代單片LC諧振器VCO IC的一些首批示例。在1996年至1997年期間，出現(xiàn)了許多論文，描述了單片VCO的不同實(shí)現(xiàn)工作。6–11這一時(shí)期有效地標(biāo)志著商業(yè)上可行的單片VCO IC的出現(xiàn)。

單片VCO IC正在采用高頻雙極晶體管IC技術(shù)和硅CMOS IC技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。學(xué)術(shù)研究人員通常使用CMOS技術(shù)來利用IC技術(shù)的廣泛可用性，而工業(yè)研究人員則使用RFIC特定的雙極/ BiCMOS工藝技術(shù)。圖5顯示了采用CMOS和雙極性/BiCMOS工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的典型單芯片VCO電路。

圖5.MOS和雙極性的典型單片VCO內(nèi)核電路。

通常，這些早期VCO IC實(shí)現(xiàn)的整體性能不如分立式實(shí)現(xiàn)和VCO模塊。具體而言，相位噪聲和調(diào)諧特性不如分立式設(shè)計(jì)或VCO模塊中常規(guī)實(shí)現(xiàn)的特性。這一不足主要是由于該代IC技術(shù)中常見的低Q值電感器和粗糙的變?nèi)荻O管。

然而，單片VCO被證明非常小，具有成本效益，并且可以在實(shí)現(xiàn)RF收發(fā)器功能的同一過程中使用。這意味著VCO可以與其他RF和IF功能集成，例如混頻器、低噪聲放大器（LNA）和鎖相環(huán)（PLL）。將VCO與其他接收器和發(fā)射器功能經(jīng)濟(jì)高效地集成的能力有助于使單片VCO IC成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)。一個(gè)很好的早期例子是商用900MHz擴(kuò)頻無繩電話芯片組。12

在1990年代后期，對(duì)VCO IC技術(shù)的研究大大加強(qiáng)。13–19這在很大程度上是由于無線市場(chǎng)的爆炸式增長(zhǎng)以及高頻雙極、CMOS和BiCMOS工藝技術(shù)的激增。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都進(jìn)行了重大的研究和開發(fā)。研究人員專注于改善相位噪聲性能，延長(zhǎng)工作頻率，并調(diào)整VCO的片上調(diào)諧范圍。這些進(jìn)步提供了有用的性能改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了電氣規(guī)范，使VCO可用于無繩電話，藍(lán)牙?，WLAN，GPS和DBS應(yīng)用的RFIC。表 1 總結(jié)了一些包含單片 VCO 的商業(yè) RFIC。

表 1.集成在商業(yè) RFIC 中的單片 VCO 示例

這些VCO IC及其集成解決方案比VCO模塊更小，更具成本效益。它們比分立式解決方案更容易、更快速地應(yīng)用。與以前的技術(shù)相比，單片VCO IC具有顯著提高的價(jià)值。

由于這一代VCO技術(shù)的性能足以滿足無繩電話、無線數(shù)據(jù)無線電和DBS接收器等系統(tǒng)的需求，因此該技術(shù)正被廣泛應(yīng)用于這些系統(tǒng)。然而，相位噪聲性能目前約為5dB至10dB，無法滿足更高日期速率移動(dòng)電話系統(tǒng)（如GSM、IS-136、CDMA）的要求。低電感Q值和過偏置噪聲都有助于限制VCO相位噪聲。盡管一些研究表明，使用鍵合線電感器取得了有希望的結(jié)果，但低相位噪聲性能仍然難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于單片VCO IC技術(shù)來說遙不可及。然而，從1999年到2001年，VCO設(shè)計(jì)方面的許多重大進(jìn)展已經(jīng)報(bào)道，并表明了一些有希望的未來明確趨勢(shì)。

主要趨勢(shì)

一些趨勢(shì)正在影響具有改善相位噪聲的單芯片VCO的開發(fā)。例如，基本的RFIC工藝技術(shù)不斷改進(jìn)。半導(dǎo)體工藝的先進(jìn)質(zhì)量正在提高，有源和無源器件的性能也在提高。即使采用硅工藝，晶體管現(xiàn)在也可以用T性能超過50GHz;高Q值變?nèi)荻O管具有寬電容比調(diào)諧范圍（低串聯(lián)電阻）。這些工藝采用損耗更低的基板，金屬化層較厚，Q值較高的電感。這些工藝產(chǎn)生的器件寄生元件更少，從而使VCO具有更低的相位噪聲、更高的工作頻率和更低的電流。

設(shè)計(jì)技術(shù)也在進(jìn)步。VCO研究人員正在利用IC技術(shù)的力量，設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路來提高性能。研究人員正在引入以前在分立式VCO或模塊化VCO實(shí)現(xiàn)中不切實(shí)際的技術(shù)。示例包括差分振蕩器拓?fù)?、幅度控制、二次諧波陷阱、用于改進(jìn)耦合的 IC 變壓器、具有多個(gè)振蕩器的拓?fù)湟约澳軌驅(qū)崿F(xiàn)更高頻率操作的架構(gòu)。

設(shè)計(jì)工程師也對(duì)VCO理論有了更好的理解。他們建立在過去的數(shù)學(xué)模型之上，例如范德波爾和李森的方程。他們正在為振蕩器行為（如調(diào)諧特性和相位噪聲性能）設(shè)計(jì)新的分析表達(dá)式。電路設(shè)計(jì)人員正在用Abidi的關(guān)系修改Leeson的噪聲方程。此外，隨著個(gè)人和工作站計(jì)算機(jī)處理能力的提高，計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）工具的功能和復(fù)雜性也在不斷提高。工程師現(xiàn)在可以試驗(yàn) VCO 行為模型，以發(fā)現(xiàn)性能增強(qiáng)。

單片VCO技術(shù)繼續(xù)出現(xiàn)在越來越多的新產(chǎn)品中，高質(zhì)量的VCO現(xiàn)在被集成到收發(fā)器電路中。例如，用于WLAN、WiMAX、電視調(diào)諧器、GPS和藍(lán)牙市場(chǎng)的最新無線IC將VCO集成到IC中，與分立元件相比，尺寸大幅減小。在更高性能的 WLAN 無線電（2.4GHz IEEE 802.11b 和 5GHz 802.11a 版本）和 WiMAX 無線電（IEEE? 802.16e 移動(dòng) WiMAX 和 802.16-2004/802.16d 固定 WiMAX）中，系統(tǒng)要求需要具有極低相位噪聲的更高性能 VCO，以實(shí)現(xiàn)所需的分組數(shù)據(jù)速率和阻塞性能水平。

RFIC VCO 技術(shù)的改進(jìn)使這些集成源對(duì)越來越多的商業(yè)射頻應(yīng)用更具吸引力，包括衛(wèi)星接收器、有線電視機(jī)頂盒、無線數(shù)據(jù)應(yīng)用、無繩電話和移動(dòng)電話。顯然，與分立式和模塊化VCO解決方案相比，單片VCO在大批量應(yīng)用中的份額越來越大。

單片VCO將成為所有大容量商用無線系統(tǒng)中的主要振蕩器方法的時(shí)代即將到來。因此，VCO已經(jīng)走過了一條從笨重的基于電子管的電路到1毫米見方的硅<非凡的道路。

審核編輯：郭婷