百科解释
主要介绍： 即压控振荡器，是射频电路的重要组成部分。 射频电路多采用调制解调方式，因此严重依赖本振。而现代通信技术要求复用、跳频等新技术，采用电压控制振荡回路中电容的电容量，进而改变振荡回路谐振频率就成为实现这些技术的手段之一。 压控振荡器与普通本振相比，在谐振回路中多出了电控器件，比如变容二极管；一般压控振荡器多以克拉泼振荡器形式存在，以保证电路工作点和Q值的稳定性。 设计方面介绍： 电压控制(压控)振荡器(VCO) 蓝牙收发器 ◆蓝牙发射器 蓝牙无线信号采用高斯频移键控(GFSK)方式调制，发射数据(Tx)通过高斯滤波器滤波后， 用滤波器的输出对VCO频率进行调制。根据串行输入数据流逻辑电平，VCO频率会从其中心频率向正负两端 偏离，偏移量决定了发射器的调制指数，调制的信号经放大后由天线发射出去。 蓝牙无线信号在半双工模式下工作，用一个RF多路复用开关(位于天线前)将天线连接到发射或接收模式。 ◆蓝牙接收器 与设备接收部分相似，从另一个蓝牙设备发射来的GFSK信号也是由天线接收的。在这期间 ，开关与低噪声放大器(LNA)相连，对接收到的信号(Rx)进行放大。下一级混频器将接收信号下变换到IF 频率(一般为几MHz)，进行该步骤时用于发射的PLL/VCO部分作为接收器下变频本机振荡器使用，将IF信号 解调并恢复出数据。 扩展频谱 蓝牙无线通信的一个独特之处就是它使用了扩频技术，该技术原来是为军事应用开发的，因为军事应用中 无线数据传送必须安全可靠。传统意义上的窄带应用要消耗更多功率，在一个频率上停留的时间很长，因 此频谱很容易被检测到；而将发射器功率分配(扩展)到更大的带宽上之后，此时信号看起来更像随机噪声 ，这相当于牺牲带宽效率来换取可靠性和安全性。由于功率密度较低，这些系统对其它信号接收器干扰小 ，而且即便存在信号丢失频段，数据也可以在其它频率恢复，从而增强了对干扰和噪声的抵抗能力。两种 最主要的扩频形式是跳频(FHSS)和直接序列(DSSS)，用原始数据对载波进行调制并使用与每个链路端点跳 频代码一致的频率范围发射时(图2)使用FHSS系统。采用这种方式后，由于某个频率干扰而丢失的数据可 以通过另一个频率发射，FHSS中的扩展代码生成器直接用GFSK调制技术对载波频率进行调制。 振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途 。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器 ，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线 电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它 产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表 中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键 部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子 通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。 对振荡器的研究未曾停止过。从早期的真空管时代当后期的晶体管时代，无论是理论上还是电路结构和性 能上，无论是体积上还是制作成本上无疑都取得了飞跃性的进展，但在很长的一段时期内都是处在用分离 元件组装而成的阶段，其性能较差，成本相对较高，体积较大和难以大批量生产。随着通信领域的不断向 前推进，终端产品越来越要求轻、薄、短、小，越来越要求低成本、高性能、大批量生产，这对于先前的 分离元件组合模式将不再胜任，并提出新的要求和挑战。集成电路各项技术的发展迎合了这些要求，特别 是主流CMOS工艺提供以上要求的解决方案，单片集成振荡器的研制取得了极大的进步。 然而，由于工艺条件的限制，RF电路的设计多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工艺实现，难以和现在主流的 标准CMOS工艺集成。因此，优性能的标准的CMOS VCO设计成为近年来RF电路设计的热门课题。 近年来，随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件 的要求更是如此。但多年来我国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视，仅限于在引进和 改进状态，还没有达到质的跨越，没有自主的知识产权(IP)，也之所以在电子通信类滞后发达国家的一个 重要原因。而且我国多数仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积上、重量上、成本上都较大，各种参 数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流CMOS工艺集成等等都是我国相关领域发展的瓶颈。 我国在电子通信领域市场潜力非常大，自主研究高性能、高质量、低成本的压控振荡器市场前景广阔、意 义巨大。 1.2 VCO的主要性能指标 VCO的性能指[4]标主要包括:频率调谐范围，输出功率，(长期及短期)频率稳定度，相位噪声，频谱纯度 ，电调速度，推频系数，频率牵引等。 频率调谐范围是VCO的主要指标之一，与谐振器及电路的拓扑结构有关。通常，调谐范围越大，谐振器的Q 值越小，谐振器的Q值与振荡器的相位噪声有关，Q值越小，相位噪声性能越差。 振荡器的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度，它们各自又分别包括幅度稳定度和相位稳定度。长期 相位稳定度和短期幅度稳定度在振荡器中通常不考虑;长期幅度稳定度主要受环境温度影响，短期相位稳 定度主要指相位噪声。在各种高性能、宽动态范围的频率变换中，相位噪声是一个主要限制因素。在数字 通信系统中，载波信号的相位噪声还要影响载波跟踪精度。 其它的指标中，振荡器的频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力；推频系数表示了由于电源电压 变化而引起的振荡频率的变化；频率牵引则表示了负载的变化对振荡频率的影响；电调速度表示了振荡频 率随调谐电压变化快慢的能力。 在压控振荡器的各项指标中，频率调谐范围和输出功率是衡量振荡器的初级指标，其余各项指标依据具体 应用背景不向而有所侧重。例如，在作为频率合成器的一部分时，对VCO的要求，可概括为一下几方面:应 满足较高的相位噪声要求；要有极快的调谐速度，频温特性和频漂性能要好；功率平坦度好；电磁兼容性 好。 1.3 国内外现状 目前，国内外许多厂家都已生产出针对不同应用的VCO。表1-1分别是具有代表性的国内十三所和Agilent 公司生产的部分压控振荡器产品的部分指标： 表1－1 型号 频率范围（GHz） 调频电压（V） 工作电压/电流（V/mA） 输出功率（dBm） 相噪（dBc/Hz） HE487 3.0~3.7 0~15 12/30 +12 1.5 -90@10KHz HE488 3.7~4.2 0~15 12/30 +10 1.5 -87@10KHz VTO-8200 2.0~3.0 2~24 15/50 +10 1.5 -95@50KHz VTO-8240 2.4~3.7 2~30 15/50 +10 1.5 -95@50KHz VTO-8360 3.6~4.3 8~24 15/50 +10 1.5 -100@50KHz 上述产品中，封装形式均为TO-8封装。对于封装内的电路中一般使用的是晶体管管芯和变容二极管管芯， 这样可减少管脚分布电感、电容的影响，减少对分布参数的考虑。但是，制作此类封装需专门设备，制作 工艺复杂，进入门槛高，产品价格较高。频率较高时，这些参数对电路性能的影响非常显著。需要在设计 时仔细考虑，选择合适的电路形式，尽量降低电路对器件参数的敏感度。 另外，自前还用一种称为YIG(钇铁右榴石)的铁氧体器件作为谐振器的压控振荡器，谐振频率用外磁场调 谐，调谐带宽可以很宽，因为YIG谐振器可以有很高的Q值，YIG振荡器的相位噪声性能很好。但由于成本 较高，且较难设计，所需电流大，调谐速度较变容二极管调谐的VCO慢。本设计只分析设计了采用变容二 极管调谐的压控振荡器。
