完整版射频VCO内部电路剖析.docx

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完整版射频VCO内部电路剖析

VCO内部电路剖析

公司常用射频VCO内部电路剖析

关键词：

VCO负载牵引Q值

摘要：

在对射频VCO失效分析和DPA分析的过程中发现公司使用的三十多个编码的射频VCO内部的谐振电路形式基本相同，本文主要以××××为例，从起振过程、谐振回路Q值容差、负载牵引机理等角度对反馈型射频VCO内部电路进行了剖析，通过分析明确了影响射频VCO性能指标的主要因素和影响机理，提出了一些VCO外围电路设计及采用分立器件设计振荡电路的注意事项，对射频VCO的可靠应用和采用分立元件设计振荡电路有较好的参考价值。

缩略语清单：

对本文所用缩略语进行说明，要求提供每个缩略语的英文全名和中文解释。

缩略语

英文全名

中文解释

VCO

VoltageControlledOscillator

压控振荡器

目前无线产品线使用的射频VCO实现方式主要有两种，一种是用分立元件设计，这种方式实现的VCO性能指标一般稍差，主要用于对指标要求不太严格的场合（比如终端产品或测试电路中）；另外一种实现方式是采用专业VCO生产厂家设计生产的混合集成形式的VCO器件（主要用作收发本振源），公司射频VCO有30多个编码，常用的射频VCO主要由A、B、C、D和E等厂家提供。

在对几种常用VCO的解剖分析中发现，公司常用的VCO内部谐振电路形式比较相似，只是晶体管组态和输出电路存在差异，按输出级电路形式不同可分为两大类，一类是××、××等韩国厂家采用的内部带缓冲放大器的电路结构，另一类是××、××、××等厂家采用的不带缓冲放大器的电路结构。

本文主要以带缓冲放大器的VCO为例，从起振过程、谐振回路Q值容差、负载牵引机理等角度对反馈型射频VCO内部电路进行了详细分析，通过分析明确了影响射频VCO性能指标的主要因素和影响机理，提出了一些VCO外围电路设计及采用分立元件设计振荡电路的注意事项。

1预备知识

1.1射频VCO主要性能指标

在我司的基站、终端等产品中，VCO一般用作接收和发射通道的本振源，VCO的性能指标往往会影响到整个通道相应的指标，射频VCO的输出信号一般用以下指标衡量：

1、相位噪声：

是短期频率稳定度的频域表示，它可以看成是各种类型的随机噪声信号对相位的调制作用。

从频域表现来看，频谱不再是一根离散的谱线，而带有一定的宽度。

通常用距离中心频率某频率处单位带宽内噪声功率与中心频率功率的比值来表示，以-dBc/Hz@kHz（或MHz）为单位；

2、负载牵引：

指振荡器负载由匹配到指定的失配（例如驻波比为2:

1）时输出频率变化的敏感程度，可用MHz或％fo表示；

3、调谐灵敏度：

对应每伏调谐电压范围内振荡器所能输出的调谐范围，单位为MHz/V；

4、调谐线性：

指偏离理想的线性调谐直线的最大调谐频偏与最小调谐频偏之比；

5、推频系数：

指振荡器输出频率随电源电压变化的敏感程度，用MHz/V表示；

6、杂散抑制：

指与输出频率不相干的无用频率成分与中心频率功率的比值，以dBc表示；

1.2反馈型VCO需满足的条件

VCO按其构成原理分可分为反馈型和负阻型两大类，我司使用的射频VCO均为反馈型，因此这里只讨论反馈型VCO的性能和特点。

反馈型VCO基于放大和正反馈机理构成，包括放大和反馈两部分电路，为保证输出频谱的纯度在振荡环路中必须有选频网络（LC回路、晶体谐振器等），其电路可用图1所示的框图表示，其中A（jw）和F（jw）分别表示不带反馈的放大器增益和反馈系数。

要保证VCO能起振并输出稳定的振荡信号，A（jw）和F（jw）的相位和振幅需满足一定的条件，因反馈型射频VCO需满足的振幅、相位条件在很多参考资料上都有介绍，这里不加证明直接给出：

相位条件：

（n=0，1，2，……）

相位条件保证Vf与Vi同相，满足正反馈。

振幅条件：

起振时：

平衡后：

VCO的振幅起振条件保证了振幅不断增长，但随后又必须限制其增长，使振荡器达到平衡即满足

，在VCO电路中仅利用晶体管增益的非线性可以完成振幅起振条件向振幅平衡条件的转变（内稳幅），也可以在电路设计上采取一些辅助措施减轻或避免管子的非线性工作以改善输出信号波形，这种外加使VCO趋于平衡的方法称为外稳幅，我司使用的射频VCO内部都有相应的外稳幅措施（详细分析见2.1.1）。

稳定条件：

在平衡点附近振荡器环路增益随输入信号的变化及环路增益的相位－频率特性为负斜率，即如果设

，则

且

。

稳定条件保证了振荡平衡的振荡器经过幅度或相位上的干扰后，能自动恢复到原来的平衡状态。

图1、反馈振荡器的组成示意图

1.3射频VCO常见电路形式

射频VCO不同于晶体振荡器采用石英晶片作为回路中的选频元件，射频VCO采用LC谐振回路实现选频，根据振荡电路中晶体管的组态、谐振回路和反馈网络形式以及输出级电路形式的不同组合，可实现多种电路结构的射频VCO。

按振荡电路形式，常见的射频VCO有以下几种形式：

反馈形式

互感耦合

电感三点式电路

电容三点式电路（Coplitts）

电路形式

特征

依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈，线圈的同名端保证正反馈。

与晶体管发射极相连的两个电抗元件为电感，另外一个为电容。

与晶体管发射极相连的两个电抗元件为电容，另一个为电感。

优点

实现相对简单

通过调节C2实现频率调节不会影响反馈系数。

反馈电压取自C2，谐波分量少，输出波形好。

缺点

互感耦合元件间分布电容限制了振荡频率的提高，只适用于较低频段。

反馈电压取自L2,电感对高次谐波呈现高阻抗，反馈电压中高次谐波分量较多，输出波形较差。

晶体管极间电容并联在C1、C2两端，振荡频率较高时结电容与C1、C2可比，对频率稳定度影响较大。

由表中的对比可见，电容三点式电路在高频应用、谐波抑制方面具有更大的优势，并且通过一定的措施可改善其不足（例如采用clapp、seiler等电路形式），所以绝大多数射频VCO中采用的电路都是电容三点式电路（Coplitts电路）或其改进型，我司使用的射频VCO内部谐振电路形式均为这一类型。

2公司常用射频VCO内部电路形式

我司射频VCO共有30多个编码，内部振荡电路均为改进型的电容三点式振荡电路，这些VCO按照输出级电路不同可分为两大类，一类带缓冲放大器；一类不带缓冲放大器，仅采用电阻网络隔离振荡管输出和负载。

下面是两种电路形式VCO的版图和电路原理图，图2为AAAA的器件版图和电路原理图，该器件振荡级晶体管为共集组态，输出电路采用了晶体管（Q2）缓冲放大的方式；图3为BBBB的器件版图和电路原理图，该器件振荡管为共射组态，输出级采用了T型电阻网络隔离的方式。

图2、AAAA内部版图和电路原理图

图3、BBBB内部版图和电路原理图

2.1VCO振荡电路分析

对振荡电路的分析以图2所示的AAAA内部电路为例，该器件是我司使用的内带缓冲放大器型VCO的典型代表，图2中绿色虚线左侧为AAAA的振荡电路，晶体管为共集组态，谐振回路形式为改进的coplitts电路，其谐振回路主要由VVC、C3、C4和L1组成，C5为耦合电容，C6、C7为反馈电容，C5、C6、C7对VCO的振荡频率也有影响，当VVC的容值为C时VCO的振荡频率可由公式

计算得到。

图2中绿色虚线右侧为输出缓冲放大电路。

下面的图4和图5分别是其直流等效电路和交流等效电路。

图4、AAAA的直流等效电路图5、AAAA的交流等效电路

2.1.1VCO起振过程分析

AAAA的直流等效电路如图4所示，起振过程中环路增益要从

的不稳定条件过渡到

的平衡条件才能进入稳定的等幅振荡状态，仅利用晶体管的增益非线性可以实现这两个条件间的过渡，但晶体管的非线性自限幅工作是VCO产生谐波的根源，并且晶体管饱和工作时输入、输出阻抗都很小，并联在谐振回路两端会减小振荡电路的有载Q值，影响谐振回路的选频性能，使VCO的谐波抑制和相噪变差，因此晶体管偏置点设置时应避免使晶体管工作在饱和区。

实际中还可通过增加外稳幅措施，在起振过程中自动调节晶体管的偏置电压，降低晶体管增益的方法减小晶体管非线性程度，从而提高VCO的谐波抑制特性。

SV1007就是利用了这一方法，图4中偏置电阻R5、R4、R2、R3使Q1的静态工作点为Q，工作点处的偏置电压为

，式中

。

起振时VCO需满足

的振幅起振条件，且振荡信号幅度较小，Q1处于A类工作状态，增益较高；起振后，随着振荡信号幅度不断增大，Q1在振荡信号的负半周的部分时间内截止，导致电流ie正负半周不对称，ie的平均分量

增大，使

，R3上的压降

增大，所以在起振过程中晶体管的工作点变为

，可见偏置点随着起振的过程不断降低，三极管增益不断降低，从而环路增益

不断降低，最终达到振幅平衡

。

由VCO起振过程基极处的仿真波形图（图6）可以看出基极处电压的变化过程（如图中黑色虚线所示），将起振瞬间的波形展开（如图7所示），可以看出，随着振荡信号幅度的增大，晶体管从线性工作区进入非线性工作区，基极处的波形开始失真。

由分析可以看出，由于R3的负反馈作用在起振过程中可动态调节晶体管偏置来降低增益，减轻了晶体管的非线性工作程度，再加上谐振回路良好的选频性能可以保证VCO的输出仍为比较理想的正弦波。

图6、VCO起振过程中晶体管基极波形图7、晶体管进入非线性区后基极波形开始失真

另外，因环境温度等原因引起的三极管直流工作点的变化会影响到VCO的振荡频率和输出功率，而R3的负反馈作用可在一定程度上起到稳定三极管直流工作点，减小VCO输出功率、频率随环境温度变化的作用。

2.1.2VCO谐振回路空载Q值容差分析

VCO谐振回路空载Q值是影响VCO相噪、输出功率的关键参数，并且回路Q值下降到一定值后会引起VCO停振，我司曾经出现过多起谐振回路Q值选择不当导致的VCO失效案例，因此在VCO分析和设计时有必要对回路的Q值进行容差分析，保证在各种工作条件下VCO的相噪、输出功率等指标都能满足要求。

图5所示的AAAA交流等效电路中，在分析第一级的振荡电路时，第二级缓冲电路的影响可看作第一级电路的负载阻抗，阻抗大小由耦合电容和第二级电路的输入阻抗决定，对AAAA该阻抗计算值约为318欧，图5所示的交流等效电路的振荡电路可简化为图8所示电路，将图8中的晶体管Q1用混合π型等效电路代替得到图9左图所示电路，其中Rp为回路的谐振阻抗，

，ω0为谐振频率，Q0为谐振回路的空载Q值；

；

，其中Cje为正偏发射结电容，Cb为基区扩散电容。

将电路从×处断开，并考虑晶体管输入电阻和输入电容对谐振回路的影响，可得图9右图所示电路，按此电路可计算振荡器的环

图8、振荡电路的交流等效电路

图9、晶体管采用混合π模型代替后的振荡电路

路增益T。

图中C6’是Cbe与C6的并联电容，C6’=Cbe+C6，设Rin为晶体管的输入阻抗，则

。

为计算晶体管增益，将Rin和Rp等效到ec两端，设等效后分别为Rin’和Rp’，则

，

，其中PRin和PRP分别是Rin和Rp等效后对电路的接入系数，

，

，晶体管的负载电阻为R=Rin’||Rp’||RL，所以晶体管的增益为

，因回路的反馈系数近似为

，分别将A和F代入VCO的振幅起振条件T=AF>1，计算可得对Q0的要求为Q0>6.14。

需要说明的是，这里计算只是为了体现分析计算的方法，并从理论上找到影响VCO起振特性的因素，所以计算过程中存在很多近似，实际上还有很多因素会影响振荡器的工作状态，如晶体管输出阻抗，晶体管偏置电阻，去耦电容、电感的损耗等等，考虑这些因素的精确计算将是非常繁杂的复数运算。

通过仿真对计算结果进行验证发现当Q0>7.28时VCO才能开始起振，并且Q0＝7.28时VCO的起振时间较长，输出信号幅度偏小、波形较差、频谱上杂波较多、相噪