本應用筆記回顧了大約1910年以來壓控振蕩器（VCO）的歷史，并提供了VCO在RF IC中的集成示例。它追溯了技術，并討論了產品性能和尺寸的演變。預測未來趨勢。

壓控振蕩器 （VCO） 常見于無線系統和其他必須在頻帶上進行調諧的通信系統。VCO可從眾多制造商處獲得，具有各種封裝樣式和性能水平。然而，現代表面貼裝和射頻集成電路（RFIC）VCO的遺產歸功于近百年前開始的工程發展。在此期間，VCO技術的改進一直在繼續，產生了更小的源，具有增強的相位噪聲和調諧線性度。

振蕩器電路的演變

自埃德溫·阿姆斯特朗發現外差原理*以來，振蕩器一直是必不可少的組件。在此應用中，振蕩器將正弦信號饋送到非線性混頻元件，通過將振蕩器的信號與其他輸入信號相乘來實現頻率轉換。當然，阿姆斯特朗意識到，控制頻率轉換所需要的是一個電路，它產生具有相應頻率的穩定正弦時變電壓（或電流）。大約在同一時間，他發現可以配置一個Audion（早期的真空管）來產生振蕩，他有效地設計了第一個電子振蕩器**（而不是早期無線發射器中使用的粗糙的火花隙振蕩器）。

回想起來，阿姆斯壯掀起了振蕩器技術的革命，很快就使火花發射器過時了，從而導致了高性能無線電接收器的發展。從 1910 年代阿姆斯壯的發現到現代，VCO 技術已經從真空管振蕩器發展到晶體管振蕩器，再到振蕩器模塊解決方案，最后發展到今天的基于 RFIC 的振蕩器。VCO技術的面貌再次迅速變化，很快在許多系統中，在基本拓撲和/或數學上將只類似于早期振蕩器。

阿姆斯特朗的發現很快被拉爾夫·哈特利（Ralph V. L. Hartley）改進，發明了振蕩器電路拓撲（圖1）。哈特利利用真空管技術的改進，設計了一種振蕩器電路，其中真空管充當放大裝置，并施加感應反饋以產生再生振蕩。振蕩頻率由線圈電感和電路電容確定。該電路是產生正弦信號的突破;它通過改變線圈或電容器的值來提供更大范圍的可能頻率。哈特利振蕩器電路在發射器中很受歡迎，并很快被改編用于第一次世界大戰。發射器和接收器都使用新的基于電子管的振蕩器電路。振蕩器電路創新激增，并導致了今天仍在使用的主要電路拓撲，例如Hartley，Colpitts，Clapp，Armstrong，Pierce和其他拓撲。

圖1.哈特利振蕩器的示例：（a）三極管實現和（b）JFET實現。

在阿姆斯壯的超外差接收器原理中，輸入信號與振蕩器信號混合以產生恒定的中頻（IF）。為了保持恒定的IF，振蕩器必須隨著輸入信號的變化頻率而改變頻率。使用變頻振蕩器，可以將頻率轉換電路調諧到寬范圍的輸入RF信號，從而實現多通道通信，例如調幅（AM）無線電。這種變頻振蕩器是對基本諧振電路振蕩器的改編，其中其中一個諧振元件（電感器或電容器）會發生變化。大多數情況下，電容器是可變的。高質量的可變電容器由聯動多板金屬氣隙電容器構成。

隨著無線電技術的進步，振蕩器電路的實施出現了持續的創新。工程師設計了無數類型的線圈、可變電容器、反饋技術和真空管來實現振蕩器和頻率轉換電路。設計了許多精心而優雅的方案，通過收音機正面的機械撥盤提供精確、高質量的振蕩器頻率調諧。圖 2 是重建的 1929 年老式哈特利式發射器的圖片（由業余無線電愛好者 W9QZ 重新創建）。與許多早期的電子實現一樣，該電路體積龐大且昂貴，并且需要高電源電壓。

圖2.復古 1929 年哈特利式發射器。

雙極晶體管和變容二極管

多年來，真空管振蕩器廣泛用于商業和軍用無線電接收器應用，例如AM和調頻（FM）無線電，電視和軍事語音通信。然而，半導體放大器件（如晶體管和變容二極管）的發現導致了VCO技術的下一個巨大變化。

第一個雙極晶體管于 1940 年代后期在貝爾實驗室（新澤西州霍姆德爾）發現，晶體管在 1950 年代作為真空管的替代品可用。與電子管相比，新晶體管更小，功耗更低，工作電壓要求更低，最終成本更低。晶體管取代了真空管作為振蕩器中的有源元件，并顯著改變了為振蕩器拓撲建立的實際實現。

可以說，變容二極管（具有由反向偏置PN結產生的電壓可變電容）的引入對VCO方向的影響比晶體管更大。在1960年代初期，對變容二極管技術進行了大量研究，變容二極管迅速取代了機械可調元件作為VCO中的可變電容元件。變容二極管在開發鎖相環（PLL）電路方面被證明是無價的，用于對頻率源進行精確電子控制。在此期間，電視的快速增長極大地促進了向基于變容二極管和晶體管的VCO的遷移。現在，具有固有電子調諧和易于重新配置的頻率范圍的具有成本效益、低功耗、高質量VCO。分立晶體管和基于變容二極管的VCO主導了1960年代至1980年代的電子設計。但是，在 1980 年代，兩項新技術影響了 VCO 的發展：模塊化方法和單片 VCO 集成電路 （IC）。圖 3 顯示了過去 80 年 VCO 技術發展的時間表。

圖3.VCO 技術生命周期與年份的關系圖。

模塊化方法

變容二極管、電容器和電感器的尺寸不斷縮小，使得模塊形式的VCO成為可能。VCO 模塊本質上是分立元件振蕩器的微型版本，該振蕩器構建在安裝在金屬外殼中的基板上。該模塊是獨立的，只需要接地、電源電壓、調諧電壓和輸出負載。此類模塊首次出現在 1960 年代，主要用于軍事應用。它們相當大（幾平方英寸）并且相對昂貴。VCO的分立晶體管和變容二極管實現仍然用于商業產品。直到移動電話的出現，VCO模塊才出現了商業市場。

雖然分立式VCO可以針對任何頻率和調諧范圍進行定制設計，但它們通常需要對頻率設置元件進行勞動密集型的生產調整，以補償組件的變化。此外，分立式VCO需要良好的屏蔽，以最大限度地減少輻射并減少牽引效應。但隨著1980年代末和1990年代初移動電話銷量的增長，對“封閉式”振蕩器模塊的需求增加。一些日本公司越來越精通小型化，開發了小型的、具有成本效益的移動電話VCO模塊。隨著新的無線應用的出現，VCO模塊制造商開發了具有每個應用獨特頻率計劃的產品。隨著表面貼裝元件變得越來越小（1206、0805、0603、0402、0201），新的更小、成本更低的VCO模塊被開發出來。圖4顯示了“典型”最先進的商用VCO模塊隨時間推移的尺寸減小情況。

如今，這些不同的設計改進最終形成了緊湊的（4mm×5mm×2mm）模塊，大批量售價接近1.00美元。VCO模塊體積縮小的15年周期確實是尺寸的驚人減小，并滿足了新型移動無線設備（如蜂窩電話）帶來的苛刻空間限制。然而，到1990年代末，將出現一種更小、更具成本效益的VCO技術：單片VCO IC技術。

圖4.VCO 模塊大小隨時間的縮放。

單片式 VCO（單片式 VCO）

單片VCO技術被定義為一種VCO實現，其中LC（電感電容）VCO的所有電路元件（即晶體管、電容器、電阻器、電感器和變容二極管）都集成在一個芯片上。與VCO模塊一樣，這些器件被配置為形成一個完整的VCO，只需要連接到電源、接地、輸出、調諧輸入和任何數字控制線。（注意：壓控環形振蕩器電路已被排除在VCO的這個定義之外，因為它們的相位噪聲要差得多，因此無法在大多數無線電系統中使用。

單片VCO的第一個實例恰逢砷化鎵（GaAs）IC技術和單片微波IC（MMIC）的發展。文獻中出現了單片VCO1,2在1980年代初期，在對MMIC的商業和軍事應用進行深入研究的時期（主要由美國資助）。DARPA模仿程序）。早期的MMIC VCO采用GaAs IC工藝制造，使用2英寸直徑的晶圓。這些MMIC VCO的區域效率不是特別高，因此成本效益不高。通常，這些VCO在與目標應用，衛星接收器和雷達系統一致的多GHz頻率下工作。

DARPA MIMIC研究開發的大多數早期單片GaAs VCO對商業市場幾乎沒有影響。在1980年代，硅IC技術仍然被降級為低頻，缺乏千兆赫頻率單片VCO所需的帶寬。但到了1990年代，硅IC技術已經發展到足夠高的轉換頻率（fT）和合適的單片元件（高Q值電感器、高頻電容器和變容二極管），以便開發高頻硅單片VCO。與此同時，無線市場已經出現，具有足夠的規模和增長潛力，以刺激對800MHz至2500MHz頻段低成本VCO的需求。

在 1990 年代的這些發展之前，大多數商業無線電系統都在低頻下運行，因此構建單片 VCO IC 是不切實際的;片內電感值太大。文獻中硅單片VCO IC的第一個明顯實例來自1992年的加州大學伯克利分校。3該VCO采用了一種獨特的非正統拓撲結構：通過在兩個獨立的諧振電路之間進行電“插值”來改變頻率。盡管如此，從技術上講，它仍然是單片硅VCO IC技術的實現。可以說，羅伯特·邁耶（Robert Meyer）教授及其研究生在伯克利校區的這項工作和進一步研究似乎開創了對整體VCO研究增加的時期。

到1995年，領先大學的研究人員在技術文獻中報道了硅單片VCO IC的工作。4,5在這些報告中，研究人員披露了現代單片LC諧振器VCO IC的一些首批示例。在1996年至1997年期間，出現了許多論文，描述了單片VCO的不同實現工作。6–11這一時期有效地標志著商業上可行的單片VCO IC的出現。

單片VCO IC正在采用高頻雙極晶體管IC技術和硅CMOS IC技術進行開發。學術研究人員通常使用CMOS技術來利用IC技術的廣泛可用性，而工業研究人員則使用RFIC特定的雙極/ BiCMOS工藝技術。圖5顯示了采用CMOS和雙極性/BiCMOS工藝技術實現的典型單芯片VCO電路。

圖5.MOS和雙極性的典型單片VCO內核電路。

通常，這些早期VCO IC實現的整體性能不如分立式實現和VCO模塊。具體而言，相位噪聲和調諧特性不如分立式設計或VCO模塊中常規實現的特性。這一不足主要是由于該代IC技術中常見的低Q值電感器和粗糙的變容二極管。

然而，單片VCO被證明非常小，具有成本效益，并且可以在實現RF收發器功能的同一過程中使用。這意味著VCO可以與其他RF和IF功能集成，例如混頻器、低噪聲放大器（LNA）和鎖相環（PLL）。將VCO與其他接收器和發射器功能經濟高效地集成的能力有助于使單片VCO IC成為商業現實。一個很好的早期例子是商用900MHz擴頻無繩電話芯片組。12

在1990年代后期，對VCO IC技術的研究大大加強。13–19這在很大程度上是由于無線市場的爆炸式增長以及高頻雙極、CMOS和BiCMOS工藝技術的激增。工業界和學術界都進行了重大的研究和開發。研究人員專注于改善相位噪聲性能，延長工作頻率，并調整VCO的片上調諧范圍。這些進步提供了有用的性能改進，實現了電氣規范，使VCO可用于無繩電話，藍牙?，WLAN，GPS和DBS應用的RFIC。表 1 總結了一些包含單片 VCO 的商業 RFIC。

表 1.集成在商業 RFIC 中的單片 VCO 示例

這些VCO IC及其集成解決方案比VCO模塊更小，更具成本效益。它們比分立式解決方案更容易、更快速地應用。與以前的技術相比，單片VCO IC具有顯著提高的價值。

由于這一代VCO技術的性能足以滿足無繩電話、無線數據無線電和DBS接收器等系統的需求，因此該技術正被廣泛應用于這些系統。然而，相位噪聲性能目前約為5dB至10dB，無法滿足更高日期速率移動電話系統（如GSM、IS-136、CDMA）的要求。低電感Q值和過偏置噪聲都有助于限制VCO相位噪聲。盡管一些研究表明，使用鍵合線電感器取得了有希望的結果，但低相位噪聲性能仍然難以實現，對于單片VCO IC技術來說遙不可及。然而，從1999年到2001年，VCO設計方面的許多重大進展已經報道，并表明了一些有希望的未來明確趨勢。

主要趨勢

一些趨勢正在影響具有改善相位噪聲的單芯片VCO的開發。例如，基本的RFIC工藝技術不斷改進。半導體工藝的先進質量正在提高，有源和無源器件的性能也在提高。即使采用硅工藝，晶體管現在也可以用T性能超過50GHz;高Q值變容二極管具有寬電容比調諧范圍（低串聯電阻）。這些工藝采用損耗更低的基板，金屬化層較厚，Q值較高的電感。這些工藝產生的器件寄生元件更少，從而使VCO具有更低的相位噪聲、更高的工作頻率和更低的電流。

設計技術也在進步。VCO研究人員正在利用IC技術的力量，設計更復雜的電路來提高性能。研究人員正在引入以前在分立式VCO或模塊化VCO實現中不切實際的技術。示例包括差分振蕩器拓撲、幅度控制、二次諧波陷阱、用于改進耦合的 IC 變壓器、具有多個振蕩器的拓撲以及能夠實現更高頻率操作的架構。

設計工程師也對VCO理論有了更好的理解。他們建立在過去的數學模型之上，例如范德波爾和李森的方程。他們正在為振蕩器行為（如調諧特性和相位噪聲性能）設計新的分析表達式。電路設計人員正在用Abidi的關系修改Leeson的噪聲方程。此外，隨著個人和工作站計算機處理能力的提高，計算機輔助工程（CAE）工具的功能和復雜性也在不斷提高。工程師現在可以試驗 VCO 行為模型，以發現性能增強。

單片VCO技術繼續出現在越來越多的新產品中，高質量的VCO現在被集成到收發器電路中。例如，用于WLAN、WiMAX、電視調諧器、GPS和藍牙市場的最新無線IC將VCO集成到IC中，與分立元件相比，尺寸大幅減小。在更高性能的 WLAN 無線電（2.4GHz IEEE 802.11b 和 5GHz 802.11a 版本）和 WiMAX 無線電（IEEE? 802.16e 移動 WiMAX 和 802.16-2004/802.16d 固定 WiMAX）中，系統要求需要具有極低相位噪聲的更高性能 VCO，以實現所需的分組數據速率和阻塞性能水平。

RFIC VCO 技術的改進使這些集成源對越來越多的商業射頻應用更具吸引力，包括衛星接收器、有線電視機頂盒、無線數據應用、無繩電話和移動電話。顯然，與分立式和模塊化VCO解決方案相比，單片VCO在大批量應用中的份額越來越大。

單片VCO將成為所有大容量商用無線系統中的主要振蕩器方法的時代即將到來。因此，VCO已經走過了一條從笨重的基于電子管的電路到1毫米見方的硅<非凡的道路。

審核編輯：郭婷