设计指南 2019

用缓冲放大器解决VCO问题


摘要 : 振荡电路输出的不良隔离会造成许多负面影响,本文描述了围绕VCO电路出现的关键问题,如:负载牵引、电源推进、相位噪声和邻近功率放大器(PA)辐射能量的影响。说明了如何利用VCO缓冲器隔离振荡器缓解上述问题。文中给出了MAX2472/MAX2473 VCO缓冲器的应用电路和测试数据。

一般的设计惯例是通过引入缓冲放大器对两个电路进行级间隔离。隔离可以将射频(RF)中的许多不利影响减到最小。不够好的输出隔离会扰乱振荡器的性能,所以振荡器的输出通常包括缓冲级。

在讨论增加缓冲放大器之前,我们考虑一些典型的VCO特性以及隔离问题是如何降低其性能的。例如,很普遍的一个问题是负载条件的变化会使VCO的频率发生变化(频率牵引)。从VCO输出看到的阻抗变化会引起VCO的有源器件结上DC电压的变化。例如,双极型器件集电极到基极电压(Vcb)的变化会影响集电极与基极之间的电容(Ccb),从而通过影响整个槽路的谐振改变振荡器频率(图1)。

图1. 从这个Colpitts VCO输出反射回来的信号功率能引起耗尽电流和偏置点的波动。其结果是晶体管Vcb的波动改变了Ccb,最终影响到振荡器的频率和相位噪声。
图1. 从这个Colpitts VCO输出反射回来的信号功率能引起耗尽电流和偏置点的波动。其结果是晶体管Vcb的波动改变了Ccb,最终影响到振荡器的频率和相位噪声。

另一个频率牵引的现象有时被称为注入捕获或注入牵引。它考虑的是距离VCO工作频率非常近的一个干扰信号带来的影响。当VCO输出端的干扰信号幅度足够大时,将导致VCO为匹配干扰频率而使其振荡频率产生漂移¹。

另一个会被糟糕的输出隔离影响到的关键因数是相位噪声。在过去的几年中做了大量的研究以更好的描述振荡器中相位噪声的产生。产生相位噪声的原因包括负载阻抗的变化、反射回VCO输出端的功率、过量的地电流和由于粗劣的RF电路板设计造成的辐射耦合。由这些因素引起的感应电压变化能够导致有源器件中偏置电流的波动、对Ccb的调制效应、幅度的波动和其它能够降低性能的细微问题²。

足够的VCO隔离也要依赖于电路板的布板设计,无论这个VCO是分立元件的、集成的还是模块。VCO的工作状态能够被任何耦合到它的辐射RF能量干扰。能量可以直接耦合到VCO或者通过其它连接到VCO的电路或导线耦合。即使是没有与VCO连接只是在距离VCO很近的地方经过的导线也可以像天线一样捕捉到辐射能量后再将其辐射给VCO。如果VCO的噪声性能很重要,就应该时刻注意板面设计是否合适。

在信号通道中传导并反射回VCO输出的RF能量也可以产生上面讨论的问题。这种信号传导引起的性能降低的一个原因是RF功率放大器(PA)的开、关操作,这些操作可以引起信号通道或其他电路上阻抗的变化,于是将捕获到辐射的RF能量并通过信号通道将其反向传送。好的PCB面设计可以帮助将辐射和传导引起的VCO波动降低至最小。接地、屏蔽和VCO附近的布线方式都会影响VCO的工作和VCO缓冲电路能够实现的隔离量。

既然已经指出了一些引起性能降低的原理,了解它们在无线电工作中的具体表现是同样重要的。当反射信号到达VCO时输出隔离不好会降低PLL的锁定时间。为缓解这一问题,将相位检测器输入与接收机或发射机之间隔离是必要的。无论是在发射模式还是接收模式,相位噪声的增加还会降低邻信道保护。糟糕的VCO隔离还可能造成发射期间的调制失真。

解决辐射干扰问题通常需要大量的思考和试验,但我们只需增加一个VCO缓冲放大器就可以解决传导干扰的问题。如MAX2472这种集成的缓冲器能够节约电路板的资源并为VCO提供完美的隔离。它的电路拓扑对于给LO和相位检测器提供输入信号同时保持它们和VCO之间的隔离是十分理想的。

表1中给出的S参数的简明分析体现了MAX2472的特点,这些特点使MAX2472成为解决糟糕的VCO输出隔离问题的完美方案³ (图2)。VCO和混频器之间隔离的典型值在900MHz约为44dB,在1900MHz约为30dB。本器件在这些频率还分别提供10dB和8dB的高稳定度增益。

表1. MAX2472典型的S参数
Frequency (MHz)
900
1900
S11 (mag, phase)
0.68786, -21.6
0.529663, -44.1
S21 (mag, phase)
1.764006, -80.4
1.592209, -117.6
S12 (mag, phase)
0.005821, 137.5
0.031189, 173.4
S22 (mag, phase)
0.810028, -29.4
0.776247, -61.6

图2. 在900MHz, 这款IC (MAX2472)缓冲放大器具有约10dB的增益并为VCO与混频器之间提供44dB的隔离。
图2. 在900MHz, 这款IC (MAX2472)缓冲放大器具有约10dB的增益并为VCO与混频器之间提供44dB的隔离。

当VCO的输出只有一个信号通道时,MAX2473也是很好的VCO缓冲器,它能提供更大的反向隔离并使用同样小的SOT23-6封装。作为附加的特点,它的可调节偏置电流使蜂窝电话和其它电池供电应用中的耗用电流降至最小。

各种各样的机理都可以降低移动无线环境中VCO的性能,但这些问题已经有解决的办法。一些问题需要大量的分析和精细的解决方法,另一些问题则可以容易地解决。小尺寸,集成的VCO缓冲器MAX2472/MAX2473能够为这些VCO问题提供简单的解决方案。

备注
  1. B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall 1998, pp225-226.
  2. T.H. Lee and A. Hajimiri, Oscillator Phase Noise: A Tutorial, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 第35卷, 2000年3月。
  3. MAX2472/MAX2473数据资料, Maxim Integrated。
本文的相似版本发表在2002年11月的Microwave & RF杂志上。