(完整版)射频VCO内部电路剖析

VCO内部电路剖析

目录

1预备知识 (3)

1.1射频VCO主要性能指标 (3)

1.2反馈型VCO需满足的条件 (3)

1.3射频VCO常见电路形式 (4)

2公司常用射频VCO内部电路形式 (5)

2.1VCO振荡电路分析 (6)

2.1.1VCO起振过程分析 (7)

2.1.2VCO谐振回路空载Q值容差分析 (8)

2.1.3提高VCO相噪的措施 (11)

2.2调谐电路分析 (12)

2.3输出级电路分析 (13)

3VCO电路元件的选择 (14)

3.1晶体管选择 (14)

3.2变容二极管选择 (14)

3.3电容和电感的选择 (15)

4总结 (15)

5对器件选用CHECKLIST、规范的建议 (16)

6附录：参考资料清单 (16)

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。

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）