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VCO

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VCO即压控振荡器，是射频电路的重要组成部分。射频电路多采用调制解调方式，因此严重依赖本振。本文详细介绍了vco电路，vco的工作原理，压控振荡器，vco设计等内容

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VCO简介

　　VCO即压控振荡器，是射频电路的重要组成部分。射频电路多采用调制解调方式，因此严重依赖本振。而现代通信技术要求复用、跳频等新技术，采用电压控制振荡回路中电容的电容量，进而改变振荡回路谐振频率就成为实现这些技术的手段之一。

VCO百科

　　设计介绍

　　电压控制

　　蓝牙收发器

　　◆蓝牙发射器蓝牙无线信号采用高斯频移键控（GFSK）方式调制，发射数据（Tx）通过高斯滤波器滤波后，用滤波器的输出对VCO频率进行调制。根据串行输入数据流逻辑电平，VCO频率会从其中心频率向正负两端偏离，偏移量决定了发射器的调制指数，调制的信号经放大后由天线发射出去。

　　蓝牙无线信号在半双工模式下工作，用一个RF多路复用开关（位于天线前）将天线连接到发射或接收模式。

　　蓝牙

　　与设备接收部分相似，从另一个蓝牙设备发射来的GFSK信号也是由天线接收的。在这期间，开关与低噪声放大器（LNA）相连，对接收到的信号（Rx）进行放大。下一级混频器将接收信号下变换到IF频率（一般为几MHz），进行该步骤时用于发射的PLL/VCO部分作为接收器下变频本机振荡器使用，将IF信号解调并恢复出数据。

　　扩展频谱

　　蓝牙无线通信的一个独特之处就是它使用了扩频技术，该技术原来是为军事应用开发的，因为军事应用中无线数据传送必须安全可靠。传统意义上的窄带应用要消耗更多功率，在一个频率上停留的时间很长，因此频谱很容易被检测到；而将发射器功率分配（扩展）到更大的带宽上之后，此时信号看起来更像随机噪声，这相当于牺牲带宽效率来换取可靠性和安全性。由于功率密度较低，这些系统对其它信号接收器干扰小，而且即便存在信号丢失频段，数据也可以在其它频率恢复，从而增强了对干扰和噪声的抵抗能力。两种最主要的扩频形式是跳频（FHSS）和直接序列（DSSS），用原始数据对载波进行调制并使用与每个链路端点跳频代码一致的频率范围发射时（图2）使用FHSS系统。采用这种方式后，由于某个频率干扰而丢失的数据可以通过另一个频率发射，FHSS中的扩展代码生成器直接用GFSK调制技术对载波频率进行调制。

　　振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压：在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。

　　对振荡器的研究未曾停止过。从早期的真空管时代到后期的晶体管时代，无论是理论上还是电路结构和性能上，无论是体积上还是制作成本上无疑都取得了飞跃性的进展，但在很长的一段时期内都是处在用分离元件组装而成的阶段，其性能较差，成本相对较高，体积较大和难以大批量生产。随着通信领域的不断向前推进，终端产品越来越要求轻、薄、短、小，越来越要求低成本、高性能、大批量生产，这对于先前的分离元件组合模式将不再胜任，并提出新的要求和挑战。集成电路各项技术的发展迎合了这些要求，特别是主流CMOS工艺提供以上要求的解决方案，单片集成振荡器的研制取得了极大的进步。

　　然而，由于工艺条件的限制，RF电路的设计多采用GaAs， Bipolar， BiCMOS工艺实现，难以和主流的标准CMOS工艺集成。因此，优性能的标准的CMOS VCO设计成为RF电路设计的热门课题。

　　vco振荡器

　　VCO是一个简单的LC振荡器，可以采用直流输入控制电压改变其输出频率。可以使用变容二极管来达到这个目的。这些二极管根据直流电压来改变电容值。

　　当被放在LC振荡器的振荡回路中时，振荡回路的谐振频率，也就是振荡器的谐振频率，在静态频率（或中心频率）上下变化。静态频率由变容二极管两端的DC偏置产生，一般初始值被设置为某个中间值。因此，通过升高或降低静态偏执只，振荡器的频率可以在一个大范围内变动。

　　在VCO电路中，有两种不同的变容二极管。一种是突变性变容二极管，具有很高的Q值和较低的相位噪声，在整个电容值范围内其输入电压的调节范围也很宽（0~50V）。这点说明变容二极管的调谐灵敏度不高。另外，突变二极管的电容值变化范围很小，可能失真也很小。

　　另一种是超图变性变容二极管，为了提高灵敏度，电压调节范围大约是0~20V，所以经常应用在宽带和低电压情况下。与突变二极管相比，超突变二极管具有较低的Q值和较大的相位噪声。

　　两种类型的变容二极管都具有0V电容特性，但是由于非线性和Q值问题，二极管的两端总是至少有0.1V的电压，有时会更高。

　　压控振荡器（VCO）的设计

　　压控振荡器（以下简称VCO）已经成为当今无线收发器系统中不可缺少的模块，它是锁相环中最重要的block，他的噪声性能直接决定了PLL输出相位噪声的噪声性能。有关PLL整体的分析和设计，我们将在后期重点讨论。这里先重点讨论一下VCO的理论，设计以及对于广大初学者最为关心的设计注意点。

　　根据参考书的理论，振荡器其实就是带有”设计缺陷”的放大器，分析振荡器原理主要有两个方法，第一。负反馈理论

　　ABS（H（jw））》1，并且deg（H（jw）） =180度，注意，这里180度指的是反馈回路是与输入信号相减再输入到放大器A中的，而放大器A的增益绝对值实际上要至少要为1dB，而不是理论上的0dB.

　　第二，负阻抗分析法，这种方法原理简单，形象明了，不仅用于振荡器分析，也经常用于带有反馈结构电路的振荡与否的分析。

　　振荡器常用的类型有环形振荡器， LC振荡器，前者主要应用于低频模拟设计中，今天我们主要谈一下LC振荡器的设计，现在IC芯片设计中，比较流行的LC差分结构，核心差分管可以是MOS，也可以是bipolar， biploar结构一般频率设计的可以较高，相同电流下易起振（gm较大），而MOS管还可以分为NMOS型和PMOS型，在CMOS工艺下，比如在64QAM以上的调制的系统中，对相位噪声的性能要求较高，则一般设计成PMOS结构。

　　图2. NMOS型VCO

　　一般判断NMOS型VCO是否起振的条件为Rp-2/gm》0， Rp为平行谐振回路的总阻抗（Rl//Rc//Rother）， gm为单个NMOS管子开环时的gm，

　　图3 bipolar LC VCO

　　判断bipolar型VCO是否起振的条件为Rp-1/gm》0，注意与上式的区别， gm只要大于1/Rp即可起振，而NMOS型， gm要大于2/Rp才能起振，也就是说相同的振荡频率，振荡范围， bipolar型VCO所需要的功率消耗是mos的一半，这也是为什么在高频振荡电路中，现在还往往选用bipolar型VCO结构。

　　现在最流行的设计结构即图3所示，笔者在VCO设计中，有一定的经验和专利，如果详细谈VCO的设计的话，可能篇幅会很长，这里主要谈一下其设计要点。

　　1）关于inductor的设计

　　一般受process工艺的限制， ind的选用也有诸多限制，比如没有全差分型的ind，或者ind的寄生电阻值较大，导致Rp变大，增加设计难度。如果有条件设计ind的话，我们会碰到如何对ind参数抽出及仿真的问题，这里我会另设一篇文章专门谈谈ind的设计，等效电路建立，参数提取，以及如何通过S参数测试实际的电感值和Q值， R值。

　　总的来说，在设计VCO的时候，最好对ind先进行AC仿真，了解你所使用的ind的Q曲线， freq曲线等特性。

　　2）图3中基极电容的作用

　　基极电容可是使vco振荡信号幅度加大，使其在非放大区也能工作。电容要取适当，太大相当于增加寄生电容，频率下降，太小隔离作用减小，输出信号幅度减少。

　　3）关于varactor

　　Varactor一般也分MOS型和PN型， MOS型一般可变范围在-0.5-+0.5V，变化率较陡，范围较窄，而PN型一般在0-Vdd之间都变法，范围较宽，但是PN型由于要反向加偏压的缘故，需要与其串接一个电容（直流隔离），这个电容的大小又反过来影响了varactor的可变范围。 PN还有一个缺点，就是它的温度特性要比MOS来的大，也就是用它来设计的VCO的温度特性需要特别注意，如果过大，则需要采取一些温度补偿措施来防止温度变化中PLL的失锁问题的出现。

　　这里还有一点需要注意，从Vctrl端看VCO，往往存在较大的寄生电容，所以在设计PLL的环形滤波器时，需要把其考虑进去

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