VCO

　　主要介紹：
　　即壓控振蕩器，是射頻電路的重要組成部分。
　　射頻電路多采用調制解調方式，因此嚴重依賴本振。而現(xiàn)代通信技術要求復用、跳頻等新技術，采用電壓控制振蕩回路中電容的電容量，進而改變振蕩回路諧振頻率就成為實現(xiàn)這些技術的手段之一。
　　壓控振蕩器與普通本振相比，在諧振回路中多出了電控器件，比如變容二極管；一般壓控振蕩器多以克拉潑振蕩器形式存在，以保證電路工作點和Q值的穩(wěn)定性。
　　設計方面介紹：
　　電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)
　　藍牙收發(fā)器
　　◆藍牙發(fā)射器 藍牙無線信號采用高斯頻移鍵控(GFSK)方式調制，發(fā)射數(shù)據(jù)(Tx)通過高斯濾波器濾波后，
　　用濾波器的輸出對VCO頻率進行調制。根據(jù)串行輸入數(shù)據(jù)流邏輯電平，VCO頻率會從其中心頻率向正負兩端
　　偏離，偏移量決定了發(fā)射器的調制指數(shù)，調制的信號經放大后由天線發(fā)射出去。
　　藍牙無線信號在半雙工模式下工作，用一個RF多路復用開關(位于天線前)將天線連接到發(fā)射或接收模式。
　　◆藍牙接收器 與設備接收部分相似，從另一個藍牙設備發(fā)射來的GFSK信號也是由天線接收的。在這期間
　　，開關與低噪聲放大器(LNA)相連，對接收到的信號(Rx)進行放大。下一級混頻器將接收信號下變換到IF
　　頻率(一般為幾MHz)，進行該步驟時用于發(fā)射的PLL/VCO部分作為接收器下變頻本機振蕩器使用，將IF信號
　　解調并恢復出數(shù)據(jù)。
　　擴展頻譜
　　藍牙無線通信的一個獨特之處就是它使用了擴頻技術，該技術原來是為軍事應用開發(fā)的，因為軍事應用中
　　無線數(shù)據(jù)傳送必須安全可靠。傳統(tǒng)意義上的窄帶應用要消耗更多功率，在一個頻率上停留的時間很長，因
　　此頻譜很容易被檢測到；而將發(fā)射器功率分配(擴展)到更大的帶寬上之后，此時信號看起來更像隨機噪聲
　　，這相當于犧牲帶寬效率來換取可靠性和安全性。由于功率密度較低，這些系統(tǒng)對其它信號接收器干擾小
　　，而且即便存在信號丟失頻段，數(shù)據(jù)也可以在其它頻率恢復，從而增強了對干擾和噪聲的抵抗能力。兩種
　　最主要的擴頻形式是跳頻(FHSS)和直接序列(DSSS)，用原始數(shù)據(jù)對載波進行調制并使用與每個鏈路端點跳
　　頻代碼一致的頻率范圍發(fā)射時(圖2)使用FHSS系統(tǒng)。采用這種方式后，由于某個頻率干擾而丟失的數(shù)據(jù)可
　　以通過另一個頻率發(fā)射，F(xiàn)HSS中的擴展代碼生成器直接用GFSK調制技術對載波頻率進行調制。
　　振蕩器自其誕生以來就一直在通信、電子、航海航空航天及醫(yī)學等領域扮演重要的角色，具有廣泛的用途
　　。在無線電技術發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機中用來產生高頻載波電壓，在超外差接收機中用作本機振蕩器
　　，成為發(fā)射和接收設備的基本部件。隨著電子技術的迅速發(fā)展，振蕩器的用途也越來越廣泛，例如在無線
　　電測量儀器中，它產生各種頻段的正弦信號電壓:在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設備中，它
　　產生大功率的高頻電能對負載加熱;某些電氣設備用振蕩器做成的無觸點開關進行控制;電子鐘和電子手表
　　中采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路作為定時部件等。尤其在通信系統(tǒng)電路中，壓控振蕩器(VCO)是其關鍵
　　部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說在電子
　　通信技術領域，VCO幾乎與電流源和運放具有同等重要地位。
　　對振蕩器的研究未曾停止過。從早期的真空管時代當后期的晶體管時代，無論是理論上還是電路結構和性
　　能上，無論是體積上還是制作成本上無疑都取得了飛躍性的進展，但在很長的一段時期內都是處在用分離
　　元件組裝而成的階段，其性能較差，成本相對較高，體積較大和難以大批量生產。隨著通信領域的不斷向
　　前推進，終端產品越來越要求輕、薄、短、小，越來越要求低成本、高性能、大批量生產，這對于先前的
　　分離元件組合模式將不再勝任，并提出新的要求和挑戰(zhàn)。集成電路各項技術的發(fā)展迎合了這些要求，特別
　　是主流CMOS工藝提供以上要求的解決方案，單片集成振蕩器的研制取得了極大的進步。
　　然而，由于工藝條件的限制，RF電路的設計多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工藝實現(xiàn)，難以和現(xiàn)在主流的
　　標準CMOS工藝集成。因此，優(yōu)性能的標準的CMOS VCO設計成為近年來RF電路設計的熱門課題。
　　近年來，隨著通信電子領域的迅速發(fā)展，對電子設備的要求越來越高，尤其是對像振蕩器等這種基礎部件
　　的要求更是如此。但多年來我國在這方面的研究投入無論在軍用還是民用上均不夠重視，僅限于在引進和
　　改進狀態(tài)，還沒有達到質的跨越，沒有自主的知識產權(IP)，也之所以在電子通信類滯后發(fā)達國家的一個
　　重要原因。而且我國多數(shù)仍然利用傳統(tǒng)的雙極工藝，致使產品在體積上、重量上、成本上都較大，各種參
　　數(shù)性能不夠優(yōu)越，穩(wěn)定性差、難以和現(xiàn)代主流CMOS工藝集成等等都是我國相關領域發(fā)展的瓶頸。
　　我國在電子通信領域市場潛力非常大，自主研究高性能、高質量、低成本的壓控振蕩器市場前景廣闊、意
　　義巨大。
　　1.2 VCO的主要性能指標
　　VCO的性能指[4]標主要包括:頻率調諧范圍，輸出功率，(長期及短期)頻率穩(wěn)定度，相位噪聲，頻譜純度
　　，電調速度，推頻系數(shù)，頻率牽引等。
　　頻率調諧范圍是VCO的主要指標之一，與諧振器及電路的拓撲結構有關。通常，調諧范圍越大，諧振器的Q
　　值越小，諧振器的Q值與振蕩器的相位噪聲有關，Q值越小，相位噪聲性能越差。
　　振蕩器的頻率穩(wěn)定度包括長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，它們各自又分別包括幅度穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度。長期
　　相位穩(wěn)定度和短期幅度穩(wěn)定度在振蕩器中通常不考慮;長期幅度穩(wěn)定度主要受環(huán)境溫度影響，短期相位穩(wěn)
　　定度主要指相位噪聲。在各種高性能、寬動態(tài)范圍的頻率變換中，相位噪聲是一個主要限制因素。在數(shù)字
　　通信系統(tǒng)中，載波信號的相位噪聲還要影響載波跟蹤精度。
　　其它的指標中，振蕩器的頻譜純度表示了輸出中對諧波和雜波的抑制能力；推頻系數(shù)表示了由于電源電壓
　　變化而引起的振蕩頻率的變化；頻率牽引則表示了負載的變化對振蕩頻率的影響；電調速度表示了振蕩頻
　　率隨調諧電壓變化快慢的能力。
　　在壓控振蕩器的各項指標中，頻率調諧范圍和輸出功率是衡量振蕩器的初級指標，其余各項指標依據(jù)具體
　　應用背景不向而有所側重。例如，在作為頻率合成器的一部分時，對VCO的要求，可概括為一下幾方面:應
　　滿足較高的相位噪聲要求；要有極快的調諧速度，頻溫特性和頻漂性能要好；功率平坦度好；電磁兼容性
　　好。
　　1.3 國內外現(xiàn)狀
　　目前，國內外許多廠家都已生產出針對不同應用的VCO。表1-1分別是具有代表性的國內十三所和Agilent
　　公司生產的部分壓控振蕩器產品的部分指標：
　　表1－1
　　型號 頻率范圍（GHz） 調頻電壓（V） 工作電壓/電流（V/mA） 輸出功率（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
　　上述產品中，封裝形式均為TO-8封裝。對于封裝內的電路中一般使用的是晶體管管芯和變容二極管管芯，
　　這樣可減少管腳分布電感、電容的影響，減少對分布參數(shù)的考慮。但是，制作此類封裝需專門設備，制作
　　工藝復雜，進入門檻高，產品價格較高。頻率較高時，這些參數(shù)對電路性能的影響非常顯著。需要在設計
　　時仔細考慮，選擇合適的電路形式，盡量降低電路對器件參數(shù)的敏感度。
　　另外，自前還用一種稱為YIG(釔鐵右榴石)的鐵氧體器件作為諧振器的壓控振蕩器，諧振頻率用外磁場調
　　諧，調諧帶寬可以很寬，因為YIG諧振器可以有很高的Q值，YIG振蕩器的相位噪聲性能很好。但由于成本
　　較高，且較難設計，所需電流大，調諧速度較變容二極管調諧的VCO慢。本設計只分析設計了采用變容二
　　極管調諧的壓控振蕩器。

• 通信詞典解釋