壓控振蕩器在射頻通信電路中的應(yīng)用

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信設(shè)備所應(yīng)用的頻率日益提高，射頻(RF)和微波(MW)電路在通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，高頻電路設(shè)計(jì)也得到工業(yè)界的特別關(guān)注，新型半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的不斷發(fā)展更使得高速數(shù)字系統(tǒng)和高頻模擬系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。通常這些電路的工作頻率都在1 GHz以上，并且隨著通信技術(shù)發(fā)展，這種趨勢(shì)會(huì)一直持續(xù)。而射頻電路最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)線通信，一個(gè)典型的無(wú)線通信收發(fā)機(jī)(tranceiver)的系統(tǒng)包含發(fā)射機(jī)電路、接收機(jī)電路以及通信天線，可應(yīng)用于個(gè)人通信和無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)中。其中模擬電路分為2部分：發(fā)射部分和接收部分。在發(fā)射部分中，將數(shù)一模轉(zhuǎn)換輸出的低頻模擬信號(hào)與本地振蕩器提供的高頻載波經(jīng)過(guò)混頻器上變頻為射頻調(diào)制信號(hào)，然后經(jīng)天線輻射到空間中；在接收部分中，先將從天線耦合進(jìn)來(lái)的空間輻射信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大，然后與本地振蕩信號(hào)經(jīng)混頻器下變頻為包含中頻信號(hào)分量的信號(hào)，經(jīng)濾波后輸入模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)入數(shù)字處理部分處理。由此可知，提供本地振蕩的壓控振蕩器是射頻電路中必不可少的一部分。同時(shí)射頻壓控振蕩器VCO(Voltage Controlled Oscillator)作為鎖相環(huán)、頻率綜合和時(shí)鐘恢復(fù)等電路的關(guān)鍵模塊，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、衛(wèi)星通信終端、基站、雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)、數(shù)字無(wú)線通信、光學(xué)多工器、光發(fā)射機(jī)等電子系統(tǒng)中，對(duì)電子系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和成本都有決定性的影響，是RF電路設(shè)計(jì)與集成的一個(gè)難點(diǎn)。VCO雖然可采用分立元件構(gòu)成，但由于設(shè)計(jì)中考慮的參量太多，電路復(fù)雜，電路尺寸較大，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，難以滿足當(dāng)今便攜式無(wú)線通訊設(shè)備低功耗、低成本、小型化、輕量化、高性能的要求，因此設(shè)計(jì)滿足在射頻領(lǐng)域要求的全集成壓控振蕩器對(duì)于推動(dòng)便攜式移動(dòng)通訊設(shè)備的發(fā)展尤其重要，具有廣闊的市場(chǎng)前景。近年來(lái)，人們對(duì)壓控振蕩器的研究日益深入。
    壓控振蕩器可分為環(huán)路振蕩器和LC振蕩器。環(huán)路振蕩器易于集成，但其相位噪聲性能比LC振蕩器差。為了使相位噪聲滿足通信標(biāo)準(zhǔn)的要求，這里對(duì)負(fù)阻LC壓控振蕩器進(jìn)行了分析，利用安捷倫公司的ADS軟件設(shè)計(jì)了一款性能優(yōu)異的壓控振蕩器，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 電路原理及設(shè)計(jì)
1．1 buffer的設(shè)計(jì)
    射極跟隨器(又稱(chēng)射極輸出器，簡(jiǎn)稱(chēng)射隨器或跟隨器)是一種共集(Common Collector)接法的電路，如圖l所示。它從基極輸入信號(hào)，從射極輸出信號(hào)。其輸入阻抗高，對(duì)前級(jí)電路影響小，可作為多級(jí)放大器的第1級(jí)；輸出阻抗低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，可作為多級(jí)放大器的輸出級(jí)。由于其上述2個(gè)特點(diǎn)，可以在多級(jí)放大器里用作緩沖級(jí)。信號(hào)從發(fā)射極輸出的放大器。其特點(diǎn)為輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大系數(shù)略低于1，帶負(fù)載能力強(qiáng)，也可認(rèn)為是一種電流放大器，常用于阻抗變換和級(jí)間隔離。三極管按共集方式連接，即基極與發(fā)射極共地，基極輸入，發(fā)射極輸出，亦稱(chēng)為共集電極放大器。動(dòng)態(tài)電壓放大倍數(shù)小于1且接近1，且輸出電壓與輸入電壓同相，但輸出電阻低，具有電流放大作用，因此具有功率放大作用。

    圖2是對(duì)buffer隔離作用的仿真。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)：壓控振蕩器與外部電路相接時(shí)，外部電路阻抗的變化不會(huì)對(duì)壓控振蕩器的阻抗產(chǎn)生影響。

1．2 電路原理及設(shè)計(jì)仿真
    壓控振蕩器按構(gòu)成原理可分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器2大類(lèi)。這里采用負(fù)阻型振蕩器，其主要是由負(fù)阻器件和諧振回路組成的振蕩器，利用負(fù)阻器件的負(fù)電阻效應(yīng)與諧振回路中的損耗正電阻相抵消，維持諧振回路的穩(wěn)定振蕩。圖3為壓控振蕩器電路。[!--empirenews.page--]

    圖3中VQ5，VQ6管的負(fù)跨導(dǎo)可以補(bǔ)償振蕩中的電路損耗，為振蕩提供能量?？刂齐妷篤r控制變?nèi)荻O管電容的變化，以達(dá)到控制振蕩頻率的目的。VQ5和VQ6尺寸相同，交叉耦合，忽略溝道調(diào)制效應(yīng)和體效應(yīng)等二階效應(yīng)，可得到其等效電路，如圖4所示。

    由于Vce5=Vbe6，Vce6=Vbe5，在振蕩平衡時(shí)，A、B兩點(diǎn)的電壓幅度對(duì)稱(chēng)相等，得Vce5=Vce6，則VQ5的集電極到發(fā)射極(即AM兩端)的交流等效電導(dǎo)為：
   
式中，gmVbe5前面加負(fù)號(hào)的原因?yàn)椋捍穗娏髟丛龃髸r(shí)Vce5是減少的。化簡(jiǎn)式(1)可得：
   
    這是一個(gè)負(fù)電導(dǎo)。正電阻吸收能量，負(fù)電阻提供能量，而此處VQ5的集電極到發(fā)射極的負(fù)電導(dǎo)表示晶體管提供能量轉(zhuǎn)換，將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為交流能量。同理，VQ6的集電極到發(fā)射極(即BM兩端)的等效電導(dǎo)為-gm。則單端口網(wǎng)絡(luò)AB的輸入電阻是VQ5、VQ6兩端發(fā)射極輸出電阻的串聯(lián)，即
   
    當(dāng)由單端口網(wǎng)絡(luò)提供的負(fù)阻Rm等于并聯(lián)諧振回路的電阻時(shí)，負(fù)阻提供的能量補(bǔ)充了并聯(lián)諧振電路的損耗，則振蕩維持。振蕩器的諧振頻率等于并聯(lián)諧振頻率，其輸出頻率為：
   
    利用安捷倫公司的ADS軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，從圖5可看出壓控振蕩器在控制電壓為1．98～3．98 V變化時(shí)，振蕩器調(diào)諧范圍為1．14～1．18GHz。圖6為壓控振蕩器電路版圖。[!--empirenews.page--]

2 結(jié)論
    介紹一種寬調(diào)頻高頻LC VCO的設(shè)計(jì)。其核心電路采用差分形式交叉耦合電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在與外部電路相接時(shí)，考慮到外部電路的變化對(duì)壓控振蕩器的影響，采用以射極跟隨器為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成的buffer，消除了外部電路的影響。并且在版圖設(shè)計(jì)中采用片上集成電感，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)VC0電路的片上集成，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。