设计指南 1768

跟踪VCO技术的发展


摘要 : 本文记录了自1910年以来压控振荡器(VCO)的发展历史,给出了在RF IC中集成VCO的实例。文章阐述了相关技术,并探讨了产品性能、尺寸的演进过程。文章还预测了未来的发展趋势。

本文的修改版发表在2002年7月的Microwave & RF杂志上。

引言

压控振荡器(VCO)在无线系统和其它必须在一个范围的频段内进行调谐的通信系统中是十分常见的组成部分。许多厂商都提供VCO产品,它们的封装形式和性能水平也是多种多样。现代表面贴装的射频集成电路(RFIC) VCO继承了近百年来的工程研究成果。在这段历史中,VCO技术一直在不断的改进中,产品外形越来越小而相位噪声和调谐线性度越来越好。

振荡器电路的发展

自从Edwin Armstrong提出外差原理*以来,振荡器就成为了最基本的元件。在这种应用中,振荡器将正弦信号输入到非线性混频器元件中,混频器通过将振荡器信号与其它输入信号相乘实现频率变换。当然,Armstrong意识到,为了控制频率变换他需要一个可以产生具有相应频率的稳定正弦时变电压(或电流)的电子电路。大约就在那时,他发现可以通过配置Audion (一种早期的真空管)来产生振荡,于是他发明了第一个电子振荡器** (不同于早期无线发射机中使用的那种原始的火花隙振荡器)。

回首过去,Armstrong掀起的振荡器技术革命使火花发射机迅速被淘汰,导致了高性能无线电接收机的发展。从20世纪10年代Armstrong的发明到今天,VCO技术的进步经历了真空管振荡器、晶体管振荡器、振荡器模块儿解决方案直到今天基于RFIC的振荡器几个阶段。VCO技术的面貌仍然处于快速的变化中,不久以后许多系统中的振荡器将只保留在基本拓扑结构和算术原理上与早期振荡器的相似。

Armstrong的发明很快被Ralph V. L. Hartley进行了改良并发明出了他自己的振荡器电路拓扑结构(图1)。Hartley利用了真空管技术的进步,在他发明的振荡电路中将真空管作为放大器使用,并用电感反馈产生了一个再生振荡。振荡器的频率是由线圈电感和电路电容决定的。这个电路是正弦信号发生技术的一项突破。它具有比以往更大的频率范围,只需要简单地改变线圈电感或者是电容值就能改变频率。Hartley振荡器电路开始在发射机中普及起来并很快在第一次世界大战中得到应用。此时的发射机和接收机都采用了这种新的、基于真空管的振荡器电路。振荡器电路的革新产生了深远的影响,此后发明的一些优秀的电路拓扑结构直到今天仍然在使用中,如Hartley、Colpitts、Clapp、Armstrong和Pierce等结构。

图1. Hartley振荡器的实例:(a) 用真空管实现和(b) 用JFET实现
图1. Hartley振荡器的实例:(a) 用真空管实现和(b) 用JFET实现

在Armstrong的超外差接收机理论中,输入信号与振荡器信号混频产生恒定的中频(IF)信号。为了保持中频的恒定,输入信号频率变化时振荡器也必须改变频率。使用可变频率的振荡器就可以调谐频率变换电路使之适用于很宽频率范围的RF输入信号,从而实现多信道的通信,就像调幅(AM)无线电那样。这种可变频率的振荡器是基本谐振电路振荡器的改进版本,它的一个谐振元件(电感或者电容)取值是可变的,大多数情况下可变元件为电容。高品质可变电容器采用的是统调多金属板空气间隙电容。

随着无线电技术的进步,振荡电路技术发生了很多的革新。工程师们发明了数不清类型的线圈、可变电容、反馈技术和真空管来实现振荡器和频率变换电路。很多精致优美的设计方案可以通过无线装置外部的机械刻度盘对振荡器频率进行精确和高质量的调谐。图2是一个重建的1929年Hartley型发射机的照片(由热心的业余无线电爱好者制作W9QZ)。和许多早期的电子设备一样,它不仅体积庞大、造价昂贵而且需要很高的电源电压。

图2. 早期的1929年Hartley型发射机
图2. 早期的1929年Hartley型发射机

双极型晶体管和变容二极管

真空管振荡器在商用和军用无线电接收机中得到广泛的应用持续了许多年的时间,例如AM和调频(FM)无线电、电视以及军用语音通信。然而,半导体放大器器件的发明,如晶体管和变容二极管,引发了VCO技术的又一轮剧烈变革。

第一只双极型晶体管是在40年代晚期由贝尔试验室(Bell Laboratories;Holmdel, NJ)发明的,随后晶体管在50年代开始代替真空电子管。新的晶体管比电子管体积更小消耗功率更低,随着所需工作电压的降低最终使成本变得更低。晶体管开始取代真空电子管作为有源元件应用在振荡器中,这极大地改变了振荡器的实现技术和已经建立的振荡器拓扑结构。

可以证明的是,变容二极管(电容随着电压变化的反偏置PN结)的使用对VCO的发展方向具有比晶体管更大的影响。60年代早期,对变容二极管技术进行了大量的研究,变容二极管迅速取代了机械调节元件的位置成为应用在VCO中的可变电容元件。变容二极管对频率源信号精确的电子控制在锁相环(PLL)电路发展过程中的重要作用是不可估量的。那一时期,电视机的快速发展为向基于变容二极管和晶体管的VCO过渡作出了很大的贡献。此时,价格合理、功耗低、高质量、具有自身电子调谐功能、能够容易地进行频率范围重新配置的VCO已经成为可能。基于分立晶体管和变容二极管的VCO主宰了从60年代到80年代的电子电路设计。但是到了80年代,两项新技术开始对VCO的发展产生影响:模块化方法和单片VCO集成电路(IC)。图3显示了在过去的80年中VCO技术的发展情况。

图3. VCO技术的生命期及其相应年代
图3. VCO技术的生命期及其相应年代

模块化方法

随着变容二极管、电容和电感体积的缩小,以模块的形式实现VCO成为可能。VCO模块本质上就是一个建立在一块衬底上并安装在金属外壳内的分立元件振荡器的微缩版本。模块是独立的,只需要外接地、电源、调谐电压和输出负载。这种模块最早出现在60年代,主要用于军事。那时它们很大(可达数平方英寸)并且较贵,而商用产品中依然使用分立晶体管和变容二极管实现的VCO。直到出现了移动电话,商用VCO模块的市场才发展起来。

尽管分立元件VCO能够为任何频率和调谐范围单独设计,它们一般需要大量的劳动对频率设置元件生产进行调整以补偿元件一致性差的缺点。除此之外,分立VCO需要良好的屏蔽以减小辐射和牵引效应。随着80年代后期和90年代初期移动电话销售的增长,对这种“封装的”振荡器模块的需求也在上升。一些在小型化方面越来越精通的日本公司为移动电话开发了小型的、成本较低的VCO模块。随着新的无线应用的崛起,VCO模块制造商们开发了工作频率单独针对每一种应用的产品。随着表面贴装元件的体积越来越小(1206, 0805, 0603, 0402, 0201),人们也开发了新的体积更小、成本更低的VCO模块。图4所示为在这段时间内商用VCO模块尺寸缩减的情况,其数据体现的是商用VCO模块在那段时期内典型的技术发展水平状况。

今天,这些技术进步达到了它的顶点,紧凑的(4mm × 5mm × 2mm)模块得以实现而且批量销售价格已经接近1美元(在美国)。15年来VCO模块体积发生了令人吃惊缩减,满足了像蜂窝电话这种新型移动无线设备对产品占用空间的严格要求。然而,90年代末出现了一种体积更小成本更低的VCO技术,单片VCO IC技术。

图4. VCO模块的尺寸在各个年代的情况
图4. VCO模块的尺寸在各个年代的情况

单片VCO

单片IC VCO技术是将所有的LC (电感-电容) VCO电路元件,包括晶体管、电容、电阻、电感和变容二极管,都集成到一块芯片上的一种VCO实现技术。与VCO模块相同,这些器件经过配置组成一个完整的VCO,外部只需要连接电源、地、输出、调谐输入和数字控制线。(:这里所说的VCO不包括压控环路振荡器,因为它们的相位噪声特性较差以至于在大多数无线电系统中都不再使用)。

第一块单片VCO IC的诞生碰巧与砷化镓(GaAs) IC技术和单片微波集成电路(MMIC)的开发处在同一时间。单片VCO技术最早出现在80年代早期的文献1, 2中,那段时间人们正在对MMIC在商用和军用领域的应用进行重点研究(大部分是由美国DARPA MIMIC项目资助的)。尽管MMIC VCO的制造占用面积不是特别的高效率,导致它的成本并不是很划算,早期的MMIC VCO仍然使用2英寸直径的晶圆和GaAs IC工艺制造。通常,这些VCO工作在数GHz的频率上,这与其应用目标卫星接收机和雷达系统的频率相一致。

大多数早期的单片GaAs VCO是作为DARPA MIMIC研究项目的一部分开发出来的,对商用市场的影响很小。硅片IC技术在80年代仍然属于低频技术,缺乏千兆赫兹频率单片VCO所要求的带宽。但是到了90年代,硅片IC技术已经开发出了具有足够高特征频率(fT)的器件以及相适应的单片元件(高Q值电感、高频率电容和变容二极管),这样就能开发出更高频率的硅单片VCO。无线市场已经展现出它的广阔和增长潜力,这些都刺激着对800MHz至2500MHz低成本VCO的需求。

在九十年代这些技术得到发展之前,大多数商用无线电系统都工作在很低的频率,这使单片VCO IC的制作很难实现,因为片上电感器的值太大了。文献中记载的第一个单片硅VCO IC的样品来自加州大学伯克力分校,时间是1992年。这个VCO使用了非传统的独特的拓扑结构,通过两个不同的谐振电路来改变频率。即使是这样,在技术上来说它还是一个单片硅的VCO IC。这一成果以及Robert Meyer教授和他的研究生们在加州大学伯克力分校的进一步研究使人们开始加强对单片VCO技术的研究。

到1995年,技术文献中出现了来自许多最主要大学的研究者们对单片硅VCO IC技术的研究成果报告4,5。在这些报告中,研究者们展示了现代单片LC谐振电路VCO IC最早的样品。1996年至1997年,出现了大量的论文描述单片VCO各种不同实现技术的研究情况6–11。这段时期标志着商业上可行的VCO IC的出现。

单片VCO IC同时使用高频双极型晶体管IC技术和硅CMOS IC技术开发。大学里的研究者们一般使用CMOS技术,因为这种IC技术具有普遍的适用性。工业领域的研究者们使用RFIC专用的双极型/BiCMOS工艺技术。图5是分别用CMOS和双极型/BiCOMS工艺实现的典型的单片VCO电路。

图5. 用MOS和双极型技术实现的典型的单片VCO核心电路
图5. 用MOS和双极型技术实现的典型的单片VCO核心电路

通常,这些早期VCO IC的整体性能比分立元件的VCO和VCO模块要差。尤其是相位噪声和调谐特性,比分立元件设计或VCO模块已经很成熟的技术实现的结果要糟糕。这些缺点主要是由那一代IC技术中普遍存在的低Q电感和粗糙的变容二极管造成的。

然而,单片VCO已经证明了它具有非常小的体积和低廉的成本,而且它可以使用与实现RF收发机其它功能单元相同的工艺制作。这意味着VCO可以和其它的RF和IF单元集成在一起,如混频器、低噪声放大器(LNA)和锁相环(PLL)。可以低成本地将VCO与其它接收机和发射机功能单元集成在一起的能力使单片VCO IC在商业上成为现实。商用900MHz扩频无绳电话芯片组12是这种技术早期一个很好的例子。

90年代后期,对VCO IC技术的研究大大地加强了13–19。这很大程度上是因为无线市场的迅速膨涨,也得益于高频双极工艺、CMOS和BiCMOS工艺技术的发展。重大的研究与开发项目在工业和学术两个水平上展开。研究者们都将注意力集中在改善相位噪声、扩展工作频率范围和VCO调谐范围的片上调整几个方面,实现了一些有用的性能改进。这些改进使VCO满足了允许它们在用于无绳电话、Bluetooth®、WLAN、GPS和DBS的RFIC中使用的电气规范。表1是一些包含单片VCO的商用RFIC的简单情况。

表1. 单片VCO集成在商用RFIC中的实例
Unit Frequency Range (MHz) Source Application
MAX2622/MAX2623/MAX2624 855 to 998 Maxim General purpose, 900MHz ISM
MAX2750/MAX2751/MAX2752 2025 to 2500 Maxim General purpose, 2.4GHz ISM band
MAX2754 1145 to 1250 Maxim 2.4GHz cordless phones
MAX2114 925 to 2175 Maxim DBS
MAX3580 170 to 230, 470 to 878 Maxim DVB-T
MAX3540 54 to 100, 100 to 300, 300 to 860 Maxim Analog/digital terrestrial receivers
MAX2900 902 to 928 Maxim 900MHz ISM band (wireless meter reading)
MAX2820 2400 to 2500 Maxim 802.11b WLAN
MAX2830 2400 to 2500 Maxim 802.11g WLAN
MAX2837 2300 to 2700 Maxim 802.16e Mobile WiMAXSM
MAX2838 3300 to 3900 Maxim 802.16e Mobile WiMAX
MAX2839 2300 to 2700 Maxim 802.11n WLAN with MIMO down link
RF105 902 to 928 Conexant™ 900MHz cordless phones
SA2400 2400 to 2500 Philips® 802.11b WLAN
BlueCore-01 2400 to 2500 CSR Bluetooth
TRF 2400 to 2500 TI® Bluetooth
GRF2i/LP 1575 SiRF GPS
AR5111 5.2GHz to 5.8GHz Atheros® 802.11a WLAN

这些VCO IC和包含它们的集成解决方案比VCO模块体积更小成本更低,比分立的解决方案应用起来更容易、更快速。这些单片VCO IC比过去的技术具有显著提高的价值。

这一代VCO技术的性能足够满足无绳电话、无线数据传送设备和DBS接收机这样的系统的要求,因此在这些系统中得到了广泛的使用。然而,相位噪声性能目前仍然不能满足更高数据速率的移动电话系统(如GSM、IS-136和CDMA等)的要求(噪声过高,约为5dB至10dB)。电感的低Q值和过量的偏置噪声限制了VCO相位噪声的降低。尽管一些研究者展示的使用焊线电感获得的结果是具有前途和希望的,实现低相位噪声仍然很困难并且超出目前单片VCO IC技术能力范围。然而,这看起来也只是暂时的。在过去的三年中(1999至2001),VCO设计领域报导了许多重大的进展并且清晰地指出了一些未来的发展趋势。

主要趋势

很多发展趋势正在影响着具有改进相位噪声的单片VCO的开发。例如,基本的RFIC工艺在不断改进,半导体工艺能实现的品质因数在不断改善,各种有源和无源器件的性能也都在提高中。在硅工艺方面,现在已经能制造出fT超过50GHz的晶体管,具有宽电容比调谐范围(低串连阻抗)的更高Q值变容二极管也可以实现。这些工艺的特点是具有更低损耗的衬底,它的金属层更厚,电感Q值更高。采用这些工艺制作的器件可以减少寄生元件,使VCO具有更低的相位噪声,更高的工作频率和更低的电流消耗。

设计技术正在变得越来越先进。VCO的研究者通过发明更先进的电路来充分利用IC技术的能力以进一步改善VCO的性能。研究者们正在引入一些从前的分立VCO和模块VCO方法不可能实现的技术,如差分振荡器拓扑结构、振幅控制、二次陷波、用于改善耦合的IC转换器、多振荡器拓扑结构和一些能够在更高频率下工作的体系结构。

设计工程师们对VCO理论的理解也越来越深入。他们正在对过去的数学模型如Van der Pol等式和Leeson等式作进一步的研究,得出了新的解释振荡器工作现象(如调谐特性和相位噪声性能)的分析表达式。例如,设计者们正在用Abidi关系改进Leeson的噪声公式。除此之外,随着个人电脑和工作站计算机处理能力的提高,计算机辅助工程(CAE)工具的功能和复杂程度也在提高之中,这使工程师们可以对VCO功能模型进行试验以发现其性能的改进。

单片VCO技术新产品的数量在不断地增多,并且这些高品质的VCO与收发机电路集成在一起。例如,用于WLAN和Bluetooth市场的最新的收发机在其RF收发机IC内集成了VCO,与使用分立元件相比极大地减小了产品尺寸。在更高性能的WLAN无线系统中(2.4GHz IEEE® 802.11b以及5GHz 802.11a),系统需要具有非常低相位噪声的更高性能VCO来满足包数据率和阻塞水平的要求。

RFIC VCO技术的进步使这些集成产品对数量日益增长的商业RF应用更加具有吸引力,这些应用包括卫星接收机、CATV机顶盒、无线数据应用、无绳电话和移动电话等。显然,单片VCO与分立和模块化VCO解决方案相比在大批量的应用中正在获得越来越多的份额。

单片VCO很快就会在所有大批量商用无线系统中成为最主流的振荡器实现方案。从笨重的电子管电路到今天小于1平方毫米的硅片,VCO跨越了不同寻常的发展之路。



参考文献
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*外差原理的内容是,将两个信号在时域相乘可以用来产生信号在频域的频率般移。这一理论是无线系统中信号频率变换的基础理论。

**Edwin Armstrong和Lee DeForest那时都在研究再生接收机电路。从这些再生电路中诞生了最早的振荡器。
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