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VCO即壓控振蕩器，是射頻電路的重要組成部分。 射頻電路多采用調(diào)制解調(diào)方式，因此嚴重依賴本振。本文詳細介紹了vco電路，vco的工作原理，壓控振蕩器，vco設計等內(nèi)容
VCO即壓控振蕩器，是射頻電路的重要組成部分。 射頻電路多采用調(diào)制解調(diào)方式，因此嚴重依賴本振。而現(xiàn)代通信技術要求復用、跳頻等新技術，采用電壓控制振蕩回路中電容的電容量，進而改變振蕩回路諧振頻率就成為實現(xiàn)這些技術的手段之一。
VCO即壓控振蕩器，是射頻電路的重要組成部分。 射頻電路多采用調(diào)制解調(diào)方式，因此嚴重依賴本振。而現(xiàn)代通信技術要求復用、跳頻等新技術，采用電壓控制振蕩回路中電容的電容量，進而改變振蕩回路諧振頻率就成為實現(xiàn)這些技術的手段之一。
設計介紹
電壓控制
藍牙收發(fā)器
◆藍牙發(fā)射器 藍牙無線信號采用高斯頻移鍵控（GFSK）方式調(diào)制，發(fā)射數(shù)據(jù)（Tx）通過高斯濾波器濾波后，用濾波器的輸出對VCO頻率進行調(diào)制。根據(jù)串行輸入數(shù)據(jù)流邏輯電平，VCO頻率會從其中心頻率向正負兩端偏離，偏移量決定了發(fā)射器的調(diào)制指數(shù)，調(diào)制的信號經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去。
藍牙無線信號在半雙工模式下工作，用一個RF多路復用開關（位于天線前）將天線連接到發(fā)射或接收模式。
藍牙
與設備接收部分相似，從另一個藍牙設備發(fā)射來的GFSK信號也是由天線接收的。在這期間，開關與低噪聲放大器（LNA）相連，對接收到的信號（Rx）進行放大。下一級混頻器將接收信號下變換到IF頻率（一般為幾MHz），進行該步驟時用于發(fā)射的PLL/VCO部分作為接收器下變頻本機振蕩器使用，將IF信號解調(diào)并恢復出數(shù)據(jù)。
擴展頻譜
藍牙無線通信的一個獨特之處就是它使用了擴頻技術，該技術原來是為軍事應用開發(fā)的，因為軍事應用中無線數(shù)據(jù)傳送必須安全可靠。傳統(tǒng)意義上的窄帶應用要消耗更多功率，在一個頻率上停留的時間很長，因此頻譜很容易被檢測到；而將發(fā)射器功率分配（擴展）到更大的帶寬上之后，此時信號看起來更像隨機噪聲，這相當于犧牲帶寬效率來換取可靠性和安全性。由于功率密度較低，這些系統(tǒng)對其它信號接收器干擾小，而且即便存在信號丟失頻段，數(shù)據(jù)也可以在其它頻率恢復，從而增強了對干擾和噪聲的抵抗能力。兩種最主要的擴頻形式是跳頻（FHSS）和直接序列（DSSS），用原始數(shù)據(jù)對載波進行調(diào)制并使用與每個鏈路端點跳頻代碼一致的頻率范圍發(fā)射時（圖2）使用FHSS系統(tǒng)。采用這種方式后，由于某個頻率干擾而丟失的數(shù)據(jù)可以通過另一個頻率發(fā)射，F(xiàn)HSS中的擴展代碼生成器直接用GFSK調(diào)制技術對載波頻率進行調(diào)制。
振蕩器自其誕生以來就一直在通信、電子、航海航空航天及醫(yī)學等領域扮演重要的角色，具有廣泛的用途。在無線電技術發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機中用來產(chǎn)生高頻載波電壓，在超外差接收機中用作本機振蕩器，成為發(fā)射和接收設備的基本部件。隨著電子技術的迅速發(fā)展，振蕩器的用途也越來越廣泛，例如在無線電測量儀器中，它產(chǎn)生各種頻段的正弦信號電壓：在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設備中，它產(chǎn)生大功率的高頻電能對負載加熱;某些電氣設備用振蕩器做成的無觸點開關進行控制;電子鐘和電子手表中采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路作為定時部件等。尤其在通信系統(tǒng)電路中，壓控振蕩器（VCO）是其關鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說在電子通信技術領域，VCO幾乎與電流源和運放具有同等重要地位。
對振蕩器的研究未曾停止過。從早期的真空管時代到后期的晶體管時代，無論是理論上還是電路結構和性能上，無論是體積上還是制作成本上無疑都取得了飛躍性的進展，但在很長的一段時期內(nèi)都是處在用分離元件組裝而成的階段，其性能較差，成本相對較高，體積較大和難以大批量生產(chǎn)。隨著通信領域的不斷向前推進，終端產(chǎn)品越來越要求輕、薄、短、小，越來越要求低成本、高性能、大批量生產(chǎn)，這對于先前的分離元件組合模式將不再勝任，并提出新的要求和挑戰(zhàn)。集成電路各項技術的發(fā)展迎合了這些要求，特別是主流CMOS工藝提供以上要求的解決方案，單片集成振蕩器的研制取得了極大的進步。
然而，由于工藝條件的限制，RF電路的設計多采用GaAs， Bipolar， BiCMOS工藝實現(xiàn)，難以和主流的標準CMOS工藝集成。因此，優(yōu)性能的標準的CMOS VCO設計成為RF電路設計的熱門課題。
vco振蕩器
VCO是一個簡單的LC振蕩器，可以采用直流輸入控制電壓改變其輸出頻率。可以使用變?nèi)荻O管來達到這個目的。這些二極管根據(jù)直流電壓來改變電容值。
當被放在LC振蕩器的振蕩回路中時，振蕩回路的諧振頻率，也就是振蕩器的諧振頻率，在靜態(tài)頻率（或中心頻率）上下變化。靜態(tài)頻率由變?nèi)荻O管兩端的DC偏置產(chǎn)生，一般初始值被設置為某個中間值。因此，通過升高或降低靜態(tài)偏執(zhí)只，振蕩器的頻率可以在一個大范圍內(nèi)變動。
在VCO電路中，有兩種不同的變?nèi)荻O管。一種是突變性變?nèi)荻O管，具有很高的Q值和較低的相位噪聲，在整個電容值范圍內(nèi)其輸入電壓的調(diào)節(jié)范圍也很寬（0~50V）。這點說明變?nèi)荻O管的調(diào)諧靈敏度不高。另外，突變二極管的電容值變化范圍很小，可能失真也很小。
另一種是超圖變性變?nèi)荻O管，為了提高靈敏度，電壓調(diào)節(jié)范圍大約是0~20V，所以經(jīng)常應用在寬帶和低電壓情況下。與突變二極管相比，超突變二極管具有較低的Q值和較大的相位噪聲。
兩種類型的變?nèi)荻O管都具有0V電容特性，但是由于非線性和Q值問題，二極管的兩端總是至少有0.1V的電壓，有時會更高。
壓控振蕩器（VCO）的設計
壓控振蕩器（以下簡稱VCO）已經(jīng)成為當今無線收發(fā)器系統(tǒng)中不可缺少的模塊， 它是鎖相環(huán)中最重要的block， 他的噪聲性能直接決定了PLL輸出相位噪聲的噪聲性能。 有關PLL整體的分析和設計， 我們將在后期重點討論。 這里先重點討論一下VCO的理論， 設計以及對于廣大初學者最為關心的設計注意點。
根據(jù)參考書的理論， 振蕩器其實就是帶有”設計缺陷”的放大器， 分析振蕩器原理主要有兩個方法， 第一。 負反饋理論
ABS（H（jw））》1， 并且deg（H（jw）） =180度， 注意， 這里180度指的是反饋回路是與輸入信號相減再輸入到放大器A中的， 而放大器A的增益絕對值實際上要至少要為1dB， 而不是理論上的0dB.
第二， 負阻抗分析法， 這種方法原理簡單， 形象明了， 不僅用于振蕩器分析， 也經(jīng)常用于帶有反饋結構電路的振蕩與否的分析。
振蕩器常用的類型有環(huán)形振蕩器， LC振蕩器， 前者主要應用于低頻模擬設計中， 今天我們主要談一下LC振蕩器的設計， 現(xiàn)在IC芯片設計中， 比較流行的LC差分結構， 核心差分管可以是MOS， 也可以是bipolar， biploar結構一般頻率設計的可以較高， 相同電流下易起振（gm較大） ， 而MOS管還可以分為NMOS型和PMOS型， 在CMOS工藝下， 比如在64QAM以上的調(diào)制的系統(tǒng)中， 對相位噪聲的性能要求較高， 則一般設計成PMOS結構。
圖2. NMOS型VCO
一般判斷NMOS型VCO是否起振的條件為Rp-2/gm》0， Rp為平行諧振回路的總阻抗（Rl//Rc//Rother）， gm為單個NMOS管子開環(huán)時的gm，
圖3 bipolar LC VCO
判斷bipolar型VCO是否起振的條件為Rp-1/gm》0， 注意與上式的區(qū)別， gm只要大于1/Rp即可起振， 而NMOS型， gm要大于2/Rp才能起振， 也就是說相同的振蕩頻率， 振蕩范圍， bipolar型VCO所需要的功率消耗是mos的一半， 這也是為什么在高頻振蕩電路中， 現(xiàn)在還往往選用bipolar型VCO結構。
現(xiàn)在最流行的設計結構即圖3所示， 筆者在VCO設計中， 有一定的經(jīng)驗和專利， 如果詳細談VCO的設計的話， 可能篇幅會很長， 這里主要談一下其設計要點。
1） 關于inductor的設計
一般受process工藝的限制， ind的選用也有諸多限制， 比如沒有全差分型的ind， 或者ind的寄生電阻值較大， 導致Rp變大， 增加設計難度。 如果有條件設計ind的話， 我們會碰到如何對ind參數(shù)抽出及仿真的問題， 這里我會另設一篇文章專門談談ind的設計， 等效電路建立， 參數(shù)提取，以及如何通過S參數(shù)測試實際的電感值和Q值， R值。
總的來說， 在設計VCO的時候， 最好對ind先進行AC仿真， 了解你所使用的ind的Q曲線， freq曲線等特性。
2） 圖3中基極電容的作用
基極電容可是使vco振蕩信號幅度加大， 使其在非放大區(qū)也能工作。 電容要取適當， 太大相當于增加寄生電容， 頻率下降， 太小隔離作用減小， 輸出信號幅度減少。
3） 關于varactor
Varactor一般也分MOS型和PN型， MOS型一般可變范圍在-0.5-+0.5V， 變化率較陡， 范圍較窄， 而PN型一般在0-Vdd之間都變法， 范圍較寬， 但是PN型由于要反向加偏壓的緣故， 需要與其串接一個電容（直流隔離）， 這個電容的大小又反過來影響了varactor的可變范圍。 PN還有一個缺點，就是它的溫度特性要比MOS來的大， 也就是用它來設計的VCO的溫度特性需要特別注意， 如果過大， 則需要采取一些溫度補償措施來防止溫度變化中PLL的失鎖問題的出現(xiàn)。
這里還有一點需要注意， 從Vctrl端看VCO， 往往存在較大的寄生電容， 所以在設計PLL的環(huán)形濾波器時， 需要把其考慮進去
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環(huán)路的跟蹤狀態(tài)和鎖定狀態(tài)的區(qū)別？鎖相環(huán)路的鎖定狀態(tài)應滿足什么條件？
環(huán)路的跟蹤狀態(tài)是指鎖相環(huán)鎖定后的狀態(tài)，即環(huán)路中的壓控振蕩器（VCO）的輸出信號的相位能夠自動跟蹤輸入信號的相位，從而保持恒定的穩(wěn)態(tài)相位差。
驅動高壓鎖相環(huán)頻率合成器電路中的VCO詳細分析立即下載
類別：電子資料 2020-11-25 標簽：控制系統(tǒng)VCO
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