壓控振蕩器在射頻通信電路中的應用

朱慧，趙紅東

（河北工業(yè)大學 信息工程學院，天津 300401）

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信設備所應用的頻率日益提高，射頻（RF）和微波（MW）電路在通信系統(tǒng)中得到了廣泛應用，高頻電路設計也得到工業(yè)界的特別關(guān)注，新型半導體器件制造技術(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)的應用領(lǐng)域不斷擴展[1-3]。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，這種趨勢會一直持續(xù)。而射頻電路最主要的應用領(lǐng)域是無線通信，一個典型的無線通信收發(fā)機（tranceiver）的系統(tǒng)包含發(fā)射機電路、接收機電路以及通信天線，可應用于個人通信和無線局域網(wǎng)絡中。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)—模轉(zhuǎn)換輸出的低頻模擬信號與本地振蕩器提供的高頻載波經(jīng)過混頻器上變頻為射頻調(diào)制信號，然后經(jīng)天線輻射到空間中；在接收部分中，先將從天線耦合進來的空間輻射信號經(jīng)低噪聲放大器放大，然后與本地振蕩信號經(jīng)混頻器下變頻為包含中頻信號分量的信號，經(jīng)濾波后輸入模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后進入數(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。同時射頻壓控振蕩器VCO（Voltage Controlled Oscillator）作為鎖相環(huán)、頻率綜合和時鐘恢復等電路的關(guān)鍵模塊，廣泛應用于手機、衛(wèi)星通信終端、基站、雷達、導彈制導系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)、數(shù)字無線通信、光學多工器、光發(fā)射機等電子系統(tǒng)中，對電子系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和成本都有決定性的影響，是RF電路設計與集成的一個難點。VCO雖然可采用分立元件構(gòu)成，但由于設計中考慮的參量太多，電路復雜，電路尺寸較大，設計周期長，難以滿足當今便攜式無線通訊設備低功耗、低成本、小型化、輕量化、高性能的要求，因此設計滿足在射頻領(lǐng)域要求的全集成壓控振蕩器對于推動便攜式移動通訊設備的發(fā)展尤其重要，具有廣闊的市場前景。近年來，人們對壓控振蕩器的研究日益深入[2-6]。

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準的要求，這里對負阻LC壓控振蕩器進行了分析，利用安捷倫公司的ADS軟件設計了一款性能優(yōu)異的壓控振蕩器，并對其進行仿真驗證。

1 電路原理及設計

1.1 buffer的設計

圖1 射極跟隨器電路

射極跟隨器（又稱射極輸出器，簡稱射隨器或跟隨器）是一種共集（Common Collector）接法的電路，如圖1所示。它從基極輸入信號，從射極輸出信號。其輸入阻抗高，對前級電路影響小，可作為多級放大器的第1級；輸出阻抗低，帶負載能力強，可作為多級放大器的輸出級。由于其上述2個特點，可以在多級放大器里用作緩沖級。信號從發(fā)射極輸出的放大器。其特點為輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大系數(shù)略低于1，帶負載能力強，也可認為是一種電流放大器，常用于阻抗變換和級間隔離。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，亦稱為共集電極放大器。動態(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buffer隔離作用的仿真。通過仿真發(fā)現(xiàn)：壓控振蕩器與外部電路相接時，外部電路阻抗的變化不會對壓控振蕩器的阻抗產(chǎn)生影響。

圖2 對buffer隔離作用的仿真

1.2 電路原理及設計仿真

壓控振蕩器按構(gòu)成原理可分為反饋型振蕩器和負阻型振蕩器2大類。這里采用負阻型振蕩器，其主要是由負阻器件和諧振回路組成的振蕩器，利用負阻器件的負電阻效應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[7]。圖3為壓控振蕩器電路。

圖3 壓控振蕩器電路

圖3中VQ5，VQ6管的負跨導可以補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)制效應和體效應等二階效應，可得到其等效電路，如圖4所示。

圖4 壓控振蕩器電路的等效電路

由于Vce5=Vbe6，Vce6=Vbe5，在振蕩平衡時，A、B兩點的電壓幅度對稱相等，得Vce5=Vce6，則VQ5的集電極到發(fā)射極（即AM兩端）的交流等效電導為：

式中，gmVbe5前面加負號的原因為：此電流源增大時Vce5是減少的?；喪剑?）可得：

這是一個負電導。正電阻吸收能量，負電阻提供能量，而此處VQ5的集電極到發(fā)射極的負電導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）的等效電導為-gm。則單端口網(wǎng)絡AB的輸入電阻是VQ5、VQ6兩端發(fā)射極輸出電阻的串聯(lián)，即

當由單端口網(wǎng)絡提供的負阻Rm等于并聯(lián)諧振回路的電阻時，負阻提供的能量補充了并聯(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軟件對電路進行仿真，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，振蕩器調(diào)諧范圍為1.14～1.18 GHz。圖6為壓控振蕩器電路版圖。

圖5 壓控振蕩器的仿真

2 結(jié) 論

介紹一種寬調(diào)頻高頻LC VCO的設計。其核心電路采用差分形式交叉耦合電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。在與外部電路相接時，考慮到外部電路的變化對壓控振蕩器的影響，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。并且在版圖設計中采用片上集成電感，實現(xiàn)了整個VCO電路的片上集成，達到設計要求。

圖6 壓控振蕩器版圖

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