应用笔记 272

MAX2360中频槽路设计


摘要 : 本应用笔记介绍了三个针对通用的IF频率设计的压控振荡器(VCO),频率分别为:130MHz、165MHz和380MHz。这些设计可尽量避免为优化结果而进行的重复设计。利用简单的电子表格程序即可完成相应的分析

更多信息

概述

本应用笔记介绍了压控振荡器(VCO)的槽路设计方法,并给出了常用的中频(IF) 130MHz、165MHz、380MHz压控振荡器的设计实例。这些设计减少了为优化设计而进行的重复工作,具体分析可借助一个简单的电子表格实现。

VCO设计

图2表示MAX2360 IF VCO的差分槽路,为便于分析,所给槽路只是一个简单的等效模型。图1表示基本的VCO模型,振荡频率由式1表示:

EQN1
fosc = 振荡频率
L = 槽路线圈的电感值
Cint = MAX2360槽路端口的内部电容
Ct = 槽路的总计等效电容

图1. 基本的VCO模型
图1. 基本的VCO模型

Rn = MAX2360槽路端口的等效负阻
Cint = MAX2360槽路端口的内部电容
Ct = 槽路的总计等效电容
L = 槽路线圈的电感值

图2. MAX2360槽路
图2. MAX2360槽路

电感L与槽路等效电容和振荡器内部电容的总和产生谐振(Ct + Cint) (参见图1)。Ccoup提供隔直流、并将变容二极管的可变电容耦合至槽路。Ccent用来确定槽路振荡频率标称值的中心。它不是必须的,但为在不同的电感量之间调谐谐振腔提供了便利条件。电阻(R)通过调谐电压(Vtune)为变容二极管提供相反的偏置。应选择足够大的阻值,以保证加载后的槽路Q值不受影响;另外,还要保证电阻值足够小,使4kTBR噪声可以忽略。电阻的噪声电压受Kvco调制后将产生相位噪声。电容CV是槽路内部的可变调谐元件,变容二极管的电容(CV)是反向偏置电压的函数(变容二极管模型参见附录A)。Vtune是来自锁相环(PLL)的调谐电压。

图3在VCO模型中增加了Cstray,寄生电容和寄生电感使所有射频(RF)电路的罪魁祸首,为估算振荡频率必须考虑寄生参数。图3用电容Cstray表示寄生元件,振荡频率可由式2表示:

EQN2


L = 槽路线圈的电感值
Cint = MAX2360槽路端口的内部电容
Ccent = 用于确定中心振荡频率的槽路电容
Cstray = 电容漂移
Ccoup = 槽路电容,用来将变容二极管耦合至槽路
CV = 变容二极管电容的净变量(包括串联电感)
Cvp = 变容二极管焊盘的电容

图3. Cstray模型
图3. Cstray模型

图4表示VCO模型的详细电路,它考虑了焊盘的等效电容,但为简便起见没有考虑串联电感。Cstray定义为:

EQN3
CL = 电感的电容量
CLP = 电感焊盘的电容量
CDIFF = 平行引线的等效电容

图4. 详细的VCO模型
图4. 详细的VCO模型

Rn = MAX2360槽路端口的等效负阻
Cint = MAX2360槽路端口的内部电容
LT = 电感槽路引线的串联电感
CDIFF = 平行引线的等效电容
L = 槽路线圈电感
CL = 电感等效电容
CLP = 电感焊盘等效电容
Ccent = 用于确定中心振荡频率的槽路电容
Ccoup = 槽路电容,用来将变容二极管耦合至槽路
Cvar = 变容二极管电容的变化量
Cvp = 变容二极管焊盘电容
LS = 变容二极管串联电感
R = 变容二极管反向偏置电阻的阻值

为简化分析,设计中忽略了电感LT。LT 通常对高频端影响较大,为了用下面的电子表格描述LT所产生的频率偏差的数学模型,可适当增大CDIFF,减小LT以避免产生所不希望的串联谐振。这一点可通过缩短引线实现。

调谐增益

为获得最佳的闭环相位噪声特性应尽可能降低调谐增益(Kvco),环路滤波器的电阻和电阻“R” (图2)会产生宽带噪声,宽带热噪声()将按照Kvco调制VCO输出,用单位MHz/V表示。减小Kvco的途径有两条:一是降低压控振荡器的调谐范围;第二种方法是增大所允许的调节电压范围。要在保证足够的VCO调谐频率范围的前提下减小其调谐范围,需要选用容差极小的元器件,后面将对这一点作详细描述。为扩大电压调节范围,需采用电荷泵电路以提供适当的电压范围,这种方式一般需要采用更高的Vcc。MAX2360允许的电压调节范围是:0.5V至Vcc-0.5V。电池供电应用中,电压调节范围受电池电压或稳压器的制约。

免调节设计的基本概念

VCO槽路设计中需对实际部件进行误差分析,为了设计一个振荡在固定频率(fosc)的VCO,必须考虑元件误差。在设计调谐增益(Kvco)时必须将这些元件容差考虑进去。元件容差越小、可能产生的调谐增益越小,闭环相位噪声就越低。考虑误差最大的情况,可以用以下三种VCO模型表示:

1. 元件最大值(式5)
2. 标准谐振电路,对应于元件标称值(式2)
3. 元件最小值(式4)

三种VCO模型都必须覆盖所期望的标称频率,图5描述了如何将三种设计统一起来,以便提供可行的设计方案。从式1和图5可以看出:元件最小值对应于振荡频率的频端偏移,而元件最大值对应于振荡频率的频端偏移。

图5. 极端情况下的槽路中心频率和标称中心频率
图5. 极端情况下的槽路中心频率和标称中心频率

为保证槽路的闭环相位噪声最小,需尽可能减小调谐范围。但要注意在考虑系统最大容差时仍能覆盖标准振荡频率。元件值分别达到最大和最小时,槽路的调谐范围尽量靠近所期望的振荡频率的边沿,考虑到系统容差对式2加以修正,可得最大误差时对应的振荡频率式5:

EQN4

EQN5
TL = %电感(L)的容差
TCINT = %电容(CINT)的容差
TCCENT = %电容(CCENT)的容差
TCCOUP = %电容(CCOUP)的容差
TCV = %变容二极管电容(CV)的容差

式4和式5假设偏差量没有容差。

一般设计过程

步骤1

估算或测量焊点的寄生电容或其它寄生电容:用Boonton 72BD电容计对MAX2360评估板进行测试,测得寄生电容为:CLP = 0.981pF、CVP = 0.78pF、CDIFF = 0.118pF。

步骤2

确定电容Cint:这个参数在MAX2360/MAX2362/MAX2364数据资料的第5页查找到,谐振端口的1/S11随频率变化的典型工作特性给出了几个常用频点时的等效并联RC参数,附录B包含了槽路端口频率在高频端和低频端时Cint与频率的对应关系表。需要牢记的是本振频率为IF频率的两倍。

例如:

如果IF为130MHz,本振工作频率为260MHz。由1/s11图表可得Rn = -1.66kΩ、Cint = 0.31pF。

步骤3

选择电感:最好从几何平均值入手,这是一个需要重复迭代的过程。

EQN6
上式中电感、电容的单位分别用nH、pF表示(1x10-9 x 1x10-12 = 1x10-21)。如果fosc = 260.76MHz、L = 19.3nH,则槽路总计电容为C = 19.3pF。最初选择容差为2%、电感量为18nH的Coilcraft 0603CS-18NXGBC比较恰当。

如果选择电感具有一定的局限性时,式6.1将是一个很有用的公式。对于一个固定振荡频率fosc,LC的乘积应保持恒定。

EQN6.1
fosc = 260.76MHz时,LC = 372.5,按照表1采用试凑的方法可以得到:电感取39nH、容差为5%,而槽路总电容为9.48pF。此时,图6中LC乘积为369.72,非常接近理论值372.5。由此可以看出上述关系时的实用性。为保证较低的相位噪声,选用高Q值电感,如:Coilcraft 0603CS系列,如果能够合理控制微带线的容差和Q值,也可选用微带线。

图6. 130.38MHz IF槽路
图6. 130.38MHz IF槽路

步骤4

确定锁相环(PLL)的合理范围:该参数表示VCO整个调谐电压(Vtune)的工作范围,对于MAX2360,适当范围为:0.5V至VCC-0.5V,如果VCC = 2.7V,则调谐电压范围为:0.5V至2.2V,电荷泵输出限定这一范围。槽路电压摆幅为1VP-P、电压摆幅的中点为1.6V直流,即使选用较大的Ccoup,变容二极管也不会产生正偏。这是一个需要避免的情况,因为二极管将会影响槽路引脚上的交流信号,产生所不期望的杂散响应、造成闭环PLL的失锁。

步骤5

选择变容二极管,在所规定的调谐电压范围内选择容差较小的变容二极管,并保证串联电阻最小,确认变容二极管的自共振频率高于所期望的工作频率。在规定的工作电压范围内察看CV(2.5V)/CV(0.5V)的比率。如果选择较大的耦合电容Ccoup,最大调谐范围可利用式2计算;如果选择较小的耦合电容Ccoup,将会降低有效的频率调谐范围。选择变容二极管时需给出调谐范围的中点和端点处的容差,可以选择一个特性曲线较陡峭的变容二极管,如Alpha SMV1763-079,进行线性调节。取槽路总电容、并将其用于变容二极管的Cjo。注意,Ccoup会降低变容二极管耦合到槽路的电容。

步骤6

确定耦合电容Ccoup:Ccoup较大时,变容二极管耦合到槽路的电容较大、使调谐范围增大,但会降低槽路加载后的Q值。Ccoup较小时,会提高耦合变容二极管的Q值和加载后的Q值,但它是以减小调谐范围为代价的。通常是在保证调谐范围的前提下尽可能选择小的容量值。选择较小Ccoup的另一个好处是可以降低变容二极管两端的电压摆幅。

步骤7

确定电容Ccent。一般Ccent取2pF,考虑到电容误差也可选用稍微大一点的电容。利用Ccent调整VCO的标准频率。

步骤8

按照制作的电子表格推敲设计参数。

MAX2360在130.38MHz、165MHz和380MHz IF时的VCO槽路设计

下列电子表格给出了MAX2360在几个通用IF频点的设计,请牢记:LO振荡频率应为所期望的IF频率的两倍。

  浅灰色代表计算值

  深灰色代表用户的输入参数

表1. 130.38MHz IF槽路设计
MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 130.38MHz IF Frequency
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune  Total C Ct
(Nominal)
Ct
(Low)
Ct
(High)
0.5V Ct high 10.9296pF 10.1242pF 11.6870pF
1.375V Ct mid 9.4815pF 8.4068pF 10.4077pF
2.2V Ct low 8.0426pF 6.9014pF 9.0135pF
 
Tank Components Tolerance
C coup
18pF
0.9pF
5%
C cent
2.7pF
0.1pF
4%
C stray
0.69pF
   
L
39nH
5.00%
 
C int
0.31pF
10.00%
 
 
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q
C L
0.08pF
Ind. pad
C Lp
0.981pF
Due to ||
C diff
0.118pF
Var. pad
C vp
0.78pF
 
Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo
82pF
Varactor Tolerance
Vj
17V
0.5V
19.00%
M
14
1.5V
29.00%
Cp
0pF
2.5V
35.00%
Rs
 Reactance
Ls
1.7nH
X Ls
2.79
Freq
260.76MHz
 
 
Nominal Varactor
X c
Net Cap
Cv high
54.64697pF
-11.16897
72.80216pF
Cv mid
27.60043pF
-22.11379
31.57772pF
Cv low
14.92387pF
-40.89758
16.01453pF
 
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high
44.26404pF
-13.78885
55.46841pF
Cv mid
19.59631pF
-31.14619
21.52083pF
Cv low
9.700518pF
-62.91935
10.14983pF
 
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high
65.02989pF
-9.385688
92.47168pF
Cv mid
35.60456pF
-17.14248
42.51182pF
Cv low
20.14723pF
-30.2945
22.18712pF
 
  Nominal LO
(Nom) Range
Low Tol IF
(High) Range
Nominal IF
(Nom) Range
High Tol IF
(Low) Range
F low
243.77MHz
129.93MHz
121.89MHz
115.03MHz
F mid
261.73MHz
142.59MHz
130.86MHz
121.90MHz
F high
284.18MHz
157.37MHz
142.09MHz
130.98MHz
BW
40.40MHz
27.44MHz
20.20MHz
15.95MHz
% BW
15.44%
19.24%
15.44%
13.09%
 
Nominal IF Frequency 130.38MHz
 
Design Constraints
Condition for bold number
<IF
=IF
> IF
Delta
0.45
-0.48
0.60
Test
pass
pass
pass
Raise or lower cent freq by
-0.48
MHz
Inc or dec BW
-1.05
MHz
Cent adj for min BW
130.46
MHz
 
K vco
23.77MHz/V


图7. 165MHz IF槽路
图7. 165MHz IF槽路

  浅灰色代表计算值

  深灰色代表用户的输入参数


表2. 165MHz IF槽路设计
MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 165MHz IF Frequency
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune
Total C Ct
(Nominal)
Ct
(Low)
Ct
(High)
0.5V
Ct high 10.0836pF 9.2206pF 10.8998pF
1.375V
Ct mid 8.5232pF 7.3878pF 9.5095pF
2.2V
Ct low 7.0001pF 5.8130pF 8.0193pF
 
Tank Components Tolerance
C coup
18pF
0.9pF
5%
C cent
1.6pF
0.1pF
6%
C stray
0.62pF
   
L
27nH
5.00%
 
C int
0.34pF
10.00%
 
 
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q
C L
0.011pF
Ind. pad
C Lp
0.981pF
Due to || C diff
0.118pF
Var. pad
C vp
0.78pF
 
Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo
82pF
Varactor Tolerance
Vj
17V
0.5V
19.00%
M
14
1.5V
29.00%
Cp
0pF
2.5V
35.00%
Rs
1ohm
 Reactance
Ls
1.7nH
X Ls
3.52
Freq
330.00MHz
 
 
Nominal Varactor
X c
Net Cap
Cv high
54.646968pF
-8.8255163
90.986533pF
Cv mid
27.600432pF
-17.473919
34.574946pF
Cv low
14.923873pF
-32.316524
16.750953pF
 
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high
44.264044pF
-10.895699
65.431921pF
Cv mid
19.596307pF
-24.611153
22.872103pF
Cv low
9.7005176pF
-49.717729
10.440741pF
 
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high
65.029892pF
-7.4164003
123.93257pF
Cv mid
35.604558pF
-13.545673
48.128632pF
Cv low
20.147229pF
-23.938166
23.626152pF
 
  Nominal LO
(Nom) Range
Low Tol IF
(High) Range
Nominal IF
(Nom) Range
High Tol IF
(Low) Range
F low
305.02MHz
163.63MHz
152.51MHz
143.15MHz
F mid
331.77MHz
182.81MHz
165.88MHz
153.26MHz 
F high
366.09MHz
206.08MHz
183.04MHz
166.90MHz
BW
61.07MHz
42.45MHz
30.53MHz
23.74MHz
% BW
18.41%
23.22%
18.41%
15.49% 
 
Nominal IF Frequency 165MHz
 
Design Constraints
Condition for bold number 
< IF
= IF
> IF
Delta
1.37
-0.88
1.90 
Test
pass
pass
pass 
Raise or lower cent freq by  
-0.88
MHz 
Inc or dec BW  
-3.26
MHz 
Cent adj for min BW
165.26
MHz 
 
K vco
35.92MHz/V
 

图8. 380MHz IF槽路
图8. 380MHz IF槽路

  浅灰色代表计算值

  深灰色代表用户的输入参数


表3. 380MHz IF槽路设计
MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 380MHz IF Frequency
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune 
Total C Ct
(Nominal)
Ct
(Low)
Ct (High)
0.5V
Ct high 6.9389pF 6.6119pF 7.2679pF
1.35V
Ct mid 6.2439pF 5.9440pF 6.5449pF
2.2V
Ct low 5.7813pF 5.5040pF 6.0593pF
 
Tank Components Tolerance
C coup
15pF
0.8pF
5%
C cent
2.4pF
0.1pF
4%
C stray
1.42pF
   
L
6.8nH
2.00%
 
C int
0.43pF
10.00%
 
 
Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q
C L
0.08pF
Ind. pad
C Lp
0.981pF
Due to ||
C diff
0.85pF
Var. pad
C vp
0.78pF
 
Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo
8.2pF
Varactor Tolerance
Vj
15V
0.5V
7.50%
M
9.5
1.5V
9.50%
Cp
0.67pF
2.5V
11.50%
Rs
0.5Ω
 Reactance
Ls
0.8nH
X Ls
3.82 
Freq
760.00MHz
 
 
Nominal Varactor
X c
Net Cap
CV high
6.67523pF
-31.37186
7.600784pF
CV mid
4.286281pF
-48.8569
4.649858pF 
CV low
2.904398pF
-72.10251
3.06689pF
 
Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
CV high
6.174588pF
-33.91552
6.958364pF
CV mid
3.879084pF
-53.98553
4.174483pF
CV low
2.570392pF
-81.47176
2.696846pF 
 
Positive Tol Varactor (High Capacitance)
CV high
7.175873pF
-29.18313
8.256705pF
CV mid
4.693477pF
-44.61818
5.132957pF
CV low
3.238404pF
-64.66593
3.441726pF
 
  Nominal LO
(Nom) Range
Low Tol IF
(High) Range
Nominal IF
(Nom) Range
High Tol IF
(Low) Range
F low
732.69MHz
379.11MHz
366.35MHz
354.43MHz
F mid
772.40MHz
399.84MHz
386.20MHz
373.50MHz
F high
802.70MHz
415.51MHz
401.35MHz
388.17MHz
BW
70.00MHz
36.41MHz
35.00MHz
33.74MHz
% BW
9.06%
9.11%
9.06%
9.03%
 
Nominal IF Frequency 380MHz
 
Design Constraints
Condition for bold number
< IF
= IF
> IF
Delta
0.89
-6.20
8.17
Test
pass
pass
pass 
Raise or lower cent freq by  
-6.20
MHz
Inc or dec BW
-9.07
MHz
Cent adj for min BW
383.64
MHz
 
K vco
41.18MHz/V   

附录A

图9. 变容二极管模型
图9. 变容二极管模型

Alpha应用笔记AN1004对变容二极管模型提供了更多信息。变容二极管电容定义为式7:

EQN7
Alpha SMV1255-003 Alpha SMV1763-079
Cjo = 82 pF Cjo = 8.2 pF
Vj =17 V Vj =15 V
M = 14 M = 9.5
Cp = 0 Cp = 0.67
Rs = 1Ω Rs = 0.5Ω
Ls = 1.7 nH Ls = 0.8 nH
变容二极管串联电感可以用反向输出的感抗表示,计算新的等效电容CV为:

EQN8


参考文献

  1. Chris O'Connor, Develop Trimless Voltage-Controlled Oscillators, Microwaves and RF, July 1999.
  2. Wes Hayward, Radio Frequency Design, Chapter 7.
  3. Krauss, Bostian, Raab, Solid State Radio Engineering, Chapters 2, 3, 5.
  4. Alpha Industries Application Note AN1004.
  5. Coilcraft, RF Inductors Catalog, March 1998, p.131.
  6. Maxim, MAX2360/MAX2362/MAX2364数据资料版0
  7. Maxim, MAX2360评估板数据资料版0
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