应用笔记 688

免调节中频VCO: 第二部分: 新型IC简化设计


摘要 : 本文介绍了覆盖45MHz至650MHz频率范围的IF压控振荡器(VCO)家族产品。这些IC采用6引脚SOT23封装。MAX2608在300MHz至500MHz的范围内相位噪声为-100dBc/Hz。使用一个片外电感设置工作频率。输出级可以用电阻或者其它无损耗技术匹配。

更多信息:免调节中频VCO:第一部分:设计考虑

新的集成电路家族产品可以使开发紧凑、固定频率的IF压控振荡器(VCO)变得很容易。

设计一个固定中频(IF)的VCO是非常困难的。幸运的是,Maxim的VCO IC (MAX2605-MAX2609)可以使这项任务变得简单。与传统的分立元件VCO相比,Maxim器件的成本更低,占用的PCB面积更小。

在传统的IF VCO设计中,振荡器的核心部分和输出缓冲级是由分立的晶体管、电阻、电容和电感组成的(图1)。整个谐振回路由包括设置频率的电感、变容二极管、耦合电容和反馈电容的网络组成。输出级使用电抗性元件将输出阻抗与特定的负载阻抗匹配。

图1. 使用分立元件实现的IF VCO原理图。
图1. 使用分立元件实现的IF VCO原理图。

为了保证设计的成功,元件的取值不仅必须能够实现预期的额定振荡频率,还要具有足够的调谐范围、合理的偏置、在任何条件下起振的能力以及适当的输出级特性。由于要为电流消耗、起振裕量、频率调谐范围和相位噪声等方面的矛盾进行权衡,即使是一个很好的一阶设计也会存在问题。

分立元件IF VCO的主要缺点是所需的PCB面积较大。为使其占用面积在6mm x 10mm以下,需要花费大量的工作优化电路板设计。此外,PCB的设计对VCO的性能和设计精度具有关键性的影响。布局设计要考虑到影响振荡频率的寄生电容和电感,在振荡器的实现过程中必需把它们考虑进去。寄生元件经常导致不希望的额定振荡频率漂移,这一漂移使设计的中心频率误差更大,最终不得不通过实现更大的调谐范围弥补这些误差。

MAX2605-MAX2609 IF VCO家族产品提供了一种更好的选择。这5款IC是为低功率、固定的单一频率、可移动无线应用设计的,具有45MHz至650MHz的IF频率范围。大多数必需的电路在片内实现,只有谐振回路电感(由它设置振荡频率)是片外的。

一旦选择了正确的外部电感值,在调谐电压范围内(+0.4VDC至+2.4VDC)的某值一定能够将IC调谐至相应的频率。IC的调谐电压输入可以直接由锁相环(PLL)后面的环路滤波器输出驱动。MAX2605-MAX2609 IC设计为使用+2.7VDC至+5.5VDC的电压供电,与电源的连接不需要特殊的规则。每一款IC都使用小型的6引脚塑胶SOT23封装(图2)。

图2. MAX2605-MAX2609 IF VCO IC采用6引脚表贴SOT23封装,所占PCB面积被降至最小。
图2. MAX2605-MAX2609 IF VCO IC采用6引脚表贴SOT23封装,所占PCB面积被降至最小。

MAX2605可以从45MHz调谐至70MHz,在距离载波100kHz处的相位噪声为-117dBc/Hz。对于其它器件,这些参数分别为,70MHz至150MHz,距离载波100kHz处的相位噪声-112dBc/Hz (MAX2606),150MHz至300MHz,相位噪声-107dBc/Hz (MAX2607),300MHz至500MHz,相位噪声-100dBc/Hz (MAX2608), 500MHz至650MHz,相位噪声-93dBc/Hz (MAX2609)。

频率调谐范围、偏置、起振和其它的振荡器特性都在IC内部管理,消除了VCO设计中常见的难题。由于使用片内变容二极管和电容器,不需要外部调谐元件,从而简化了IF VCO设计。电感与振荡频率关系的曲线图(见MAX2605-MAX2609数据资料)进一步简化了选择外部电感的工作。

MAX2605家族产品对于RF设计者来说具有几个主要的优点。这些IC组成的VCO是无需微调的,因此不需要外部调节。为了给双变频系统提供所需的IF频率,它们能覆盖很宽的应用频率范围。除此之外,它们拥有灵活的输出接口帮助降低IF VCO的成本并缩小最终电路占用的面积。

MAX2605-MAX2609体现了VCO的一种全新的概念,它们需要完全新的电路方法实现产品目标。Maxim设计了一种基于可靠而且灵活的Colpitts结构的振荡器。采用这种拓扑结构使所有的振荡器电路元件(除了电感)都可以集成到IC里面去。将几乎整个振荡器都集成到芯片内可以实现一个好的VCO所有期望的目标:合适的起振、宽频率范围、无调节应用中必要的调谐特性、可控制的电流消耗和不依赖于温度与电源电压的偏置。

片外电感使VCO能够实现很宽的工作频率范围。在片内电容不变的情况下,仅改变外部电感就能修改振荡器谐振回路的谐振频率。如果电感的品质因数(Q)得到保证,相位噪声和起振的性能就能得到保证(图3)。

图3. 这幅简化的MAX2605-MAX2609 VCO IC电路图表明只需要一个外部电感器就能组成整个谐振电路并设置振荡器的频率。
图3. 这幅简化的MAX2605-MAX2609 VCO IC电路图表明只需要一个外部电感器就能组成整个谐振电路并设置振荡器的频率。

为了实现这种新的方法,在IC技术中需要利用有源和无源元件的相互补充实现图中所示的振荡器电路。特别地,制造工艺必须要提供高频晶体管、高Q值电容、具有高电容比和高Q值的变容二极管以及PNP或PMOS器件。

MAX2605-MAX2609是使用硅BiCMOS工艺制造的,这种工艺是为包含单片振荡器结构的RF IC专门开发的。这种工艺能够制造PNP、NMOS和PMOS器件,如具有25GHz特征频率(fT)的NPN晶体管、电容比优于2:1的低串联阻抗变容二极管(调谐电压为0.4V至2.4V)、非常高Q值的金属-绝缘体-金属(MIM) RF电容、精密的细薄膜电阻和三层金属。

这种器件的完全互补使用才能实现完整的IC。VCO设计需要仔细和大量的计算机仿真,还包括为了不同方面的性能而进行的多次反复设计,这样才能确保在所有的工作条件下满足所有的规范和要求。

最后,为保证振荡器具有足够的频率调谐范围以补偿由元件公差造成的工作频率漂移,Maxim选择进行产品测试并得出一组可靠的频率极限数据。这些极限频率给MAX2605-MAX2609用户提供了一组可靠的最高和最低调谐频率值(fMAX和fMIN),通过检测的IC在调谐电压(VTUNE)为0.4V时的振荡频率(fOSC) ≤ fMIN ,VTUNE = 2.4V时fOSC ≤ fMAX 。假设外部电感具有±2%的误差,包括温度漂移和很小的设计中心误差(<0.5%),这一测试结果说明不用调节外部电感值VCO也可以保证调谐到由电感确定的工作电压。最终的结果即实现了无需微调的VCO设计。

MAX2605-MAX2609的应用非常简单和容易理解,只包括两个很简单的步骤:
  1. 选择并安装外部电感设置预期的振荡频率。
  2. 对输出级负载进行电阻或电抗匹配(图4)。
图4. 这幅简单的原理图给出了MAX2605-MAX2609 VCO IC的典型应用。
图4. 这幅简单的原理图给出了MAX2605-MAX2609 VCO IC的典型应用。

VCO的额定工作频率(fNOM)由IND (pin 1)的外部电感值唯一确定,如下面的曲线所示(图5)。

图5. 本图为MAX2607 VCO IC的预期振荡频率与所需的总调谐电感值(LF)的函数关系(150MHz至300MHz)。
图5. 本图为MAX2607 VCO IC的预期振荡频率与所需的总调谐电感值(LF)的函数关系(150MHz至300MHz)。

为实现预期的工作频率选择的电感值(LF)不需与表贴电感元件的标准值保持一致,表贴元件标准值的变化台阶一般以大约1.2的因数增大。在这种情况下为了得到想要的电感值,必需用两个电感实现:LF1和LF2。LF1是小于且最接近预期值的标准值。LF2是小于LF - LF1并且最接近它的标准值。LF1应该符合最小的Q值要求,而LF2可以使用成本较低的薄膜SMT型元件实现。由于它的值占总值的20%还要少,所以其较低的Q值对总Q值的影响很小。

还可以使用PCB导线实现小电感以调节总电感值。对于MAX2608/MAX2609电路来说,使用PCB上与地短接的导线实现LF2比用SMT元件具有更精确的电感值。一旦在IND引脚实现了所需的电感值,VCO一定可以在所有的元件误差、工作温度和供电电压范围内调谐到其振荡频率。

MAX2605-MAX2609 VCO在振荡器核心电路之后是差分输出放大器。放大级提供宝贵的隔离并为IF功能电路如混频器和PLL预定标电路(PLL prescaler)提供灵活的接口。输出可以采用单端形式或差分形式,但是最大输出功率和最低谐波输出只在差分输出模式才能得到。两个集电极开路输出(OUT-与OUT+)都需要上拉元件才能达到集电极电压(VCC)。输出级可以使用上拉电阻或电感。使用上拉电阻是实现输出接口的最直接的办法,它在较低的工作频率或者对电压摆动的需要很小的应用中效果很好。

当需要更大的电压摆动或输出功率时,要为大于负载电阻/电容网络的3dB带宽的频率进行无功功率匹配。匹配网络是一个具有并联电感和串联电容的简单电路。为了给输出级提供DC偏置,用电感把OUT-和OUT+与VCC连接起来,在OUT-和OUT+与负载之间串联上电容。电感和电容的取值根据工作频率和负载阻抗决定。输出和任何传统的差分输出都一样。唯一的约束条件是需要VCC上拉器件和对OUT-、OUT+电压摆动的限制。

比较使用这两种方法所需的设计时间就能看出其中的巨大差别。经典的/分立元件方法要进行精心的设计,成功地开发出分立IF VCO需要几个星期的时间,在实现可靠的、能够投产的设计之前可能需要多次的反复。另一方面,MAX2605-MAX2609可以使VCO的设计在数分钟内完成,而验证和测试仅仅需要一个下午的时间。

由于MAX2605-MAX2609解决了频率调谐范围、偏置和起振的问题,它们彻底地消除了在以往的VCO设计中遇到的难题。只需根据想要的振荡频率选择一个外部电感和输出负载。阅读MAX2605-MAX2609数据资料中提供的图表得到想要的电感值就能轻松地完成设计任务。

在材料成本方面,MAX2605-MAX2609可以比得上传统的分立元件IF VCO。对于制造来说,由于需要很少的元件,Maxim能够实现更便宜的IF VCO,其中每一元件可节省$0.03。

与本文类似的一篇文章发表在2000年8月的Microwaves & RF杂志上。