摘要：本文記錄了自1910年以來(lái)壓控振蕩器(VCO)的發(fā)展歷史，給出了在RF IC中集成VCO的實(shí)例。文章闡述了相關(guān)技術(shù)，并探討了產(chǎn)品性能、尺寸的演進(jìn)過(guò)程。文章還預(yù)測(cè)了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

引言

壓控振蕩器(VCO)在無(wú)線系統(tǒng)和其它必須在一個(gè)范圍的頻段內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧的通信系統(tǒng)中是十分常見(jiàn)的組成部分。許多廠商都提供VCO產(chǎn)品，它們的封裝形式和性能水平也是多種多樣?，F(xiàn)代表面貼裝的射頻集成電路(RFIC) VCO繼承了近百年來(lái)的工程研究成果。在這段歷史中，VCO技術(shù)一直在不斷的改進(jìn)中，產(chǎn)品外形越來(lái)越小而相位噪聲和調(diào)諧線性度越來(lái)越好。

振蕩器電路的發(fā)展

自從Edwin Armstrong提出外差原理*以來(lái)，振蕩器就成為了最基本的元件。在這種應(yīng)用中，振蕩器將正弦信號(hào)輸入到非線性混頻器元件中，混頻器通過(guò)將振蕩器信號(hào)與其它輸入信號(hào)相乘實(shí)現(xiàn)頻率變換。當(dāng)然，Armstrong意識(shí)到，為了控制頻率變換他需要一個(gè)可以產(chǎn)生具有相應(yīng)頻率的穩(wěn)定正弦時(shí)變電壓(或電流)的電子電路。大約就在那時(shí)，他發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)配置Audion (一種早期的真空管)來(lái)產(chǎn)生振蕩，于是他發(fā)明了第一個(gè)電子振蕩器** (不同于早期無(wú)線發(fā)射機(jī)中使用的那種原始的火花隙振蕩器)。

回首過(guò)去，Armstrong掀起的振蕩器技術(shù)革命使火花發(fā)射機(jī)迅速被淘汰，導(dǎo)致了高性能無(wú)線電接收機(jī)的發(fā)展。從20世紀(jì)10年代Armstrong的發(fā)明到今天，VCO技術(shù)的進(jìn)步經(jīng)歷了真空管振蕩器、晶體管振蕩器、振蕩器模塊兒解決方案直到今天基于RFIC的振蕩器幾個(gè)階段。VCO技術(shù)的面貌仍然處于快速的變化中，不久以后許多系統(tǒng)中的振蕩器將只保留在基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和算術(shù)原理上與早期振蕩器的相似。

Armstrong的發(fā)明很快被Ralph V. L. Hartley進(jìn)行了改良并發(fā)明出了他自己的振蕩器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1)。Hartley利用了真空管技術(shù)的進(jìn)步，在他發(fā)明的振蕩電路中將真空管作為放大器使用，并用電感反饋產(chǎn)生了一個(gè)再生振蕩。振蕩器的頻率是由線圈電感和電路電容決定的。這個(gè)電路是正弦信號(hào)發(fā)生技術(shù)的一項(xiàng)突破。它具有比以往更大的頻率范圍，只需要簡(jiǎn)單地改變線圈電感或者是電容值就能改變頻率。Hartley振蕩器電路開(kāi)始在發(fā)射機(jī)中普及起來(lái)并很快在第一次世界大戰(zhàn)中得到應(yīng)用。此時(shí)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都采用了這種新的、基于真空管的振蕩器電路。振蕩器電路的革新產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，此后發(fā)明的一些優(yōu)秀的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直到今天仍然在使用中，如Hartley、Colpitts、Clapp、Armstrong和Pierce等結(jié)構(gòu)。


圖1. Hartley振蕩器的實(shí)例：(a) 用真空管實(shí)現(xiàn)和(b) 用JFET實(shí)現(xiàn)

在Armstrong的超外差接收機(jī)理論中，輸入信號(hào)與振蕩器信號(hào)混頻產(chǎn)生恒定的中頻(IF)信號(hào)。為了保持中頻的恒定，輸入信號(hào)頻率變化時(shí)振蕩器也必須改變頻率。使用可變頻率的振蕩器就可以調(diào)諧頻率變換電路使之適用于很寬頻率范圍的RF輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)多信道的通信，就像調(diào)幅(AM)無(wú)線電那樣。這種可變頻率的振蕩器是基本諧振電路振蕩器的改進(jìn)版本，它的一個(gè)諧振元件(電感或者電容)取值是可變的，大多數(shù)情況下可變?cè)殡娙荨８咂焚|(zhì)可變電容器采用的是統(tǒng)調(diào)多金屬板空氣間隙電容。

隨著無(wú)線電技術(shù)的進(jìn)步，振蕩電路技術(shù)發(fā)生了很多的革新。工程師們發(fā)明了數(shù)不清類型的線圈、可變電容、反饋技術(shù)和真空管來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器和頻率變換電路。很多精致優(yōu)美的設(shè)計(jì)方案可以通過(guò)無(wú)線裝置外部的機(jī)械刻度盤(pán)對(duì)振蕩器頻率進(jìn)行精確和高質(zhì)量的調(diào)諧。圖2是一個(gè)重建的1929年Hartley型發(fā)射機(jī)的照片(由熱心的業(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者制作W9QZ)。和許多早期的電子設(shè)備一樣，它不僅體積龐大、造價(jià)昂貴而且需要很高的電源電壓。


圖2. 早期的1929年Hartley型發(fā)射機(jī)

雙極型晶體管和變?nèi)?a target="_blank">二極管

真空管振蕩器在商用和軍用無(wú)線電接收機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用持續(xù)了許多年的時(shí)間，例如AM和調(diào)頻(FM)無(wú)線電、電視以及軍用語(yǔ)音通信。然而，半導(dǎo)體放大器器件的發(fā)明，如晶體管和變?nèi)荻O管，引發(fā)了VCO技術(shù)的又一輪劇烈變革。

第一只雙極型晶體管是在40年代晚期由貝爾試驗(yàn)室(Bell Laboratories；Holmdel, NJ)發(fā)明的，隨后晶體管在50年代開(kāi)始代替真空電子管。新的晶體管比電子管體積更小消耗功率更低，隨著所需工作電壓的降低最終使成本變得更低。晶體管開(kāi)始取代真空電子管作為有源元件應(yīng)用在振蕩器中，這極大地改變了振蕩器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和已經(jīng)建立的振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

可以證明的是，變?nèi)荻O管(電容隨著電壓變化的反偏置PN結(jié))的使用對(duì)VCO的發(fā)展方向具有比晶體管更大的影響。60年代早期，對(duì)變?nèi)荻O管技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，變?nèi)荻O管迅速取代了機(jī)械調(diào)節(jié)元件的位置成為應(yīng)用在VCO中的可變電容元件。變?nèi)荻O管對(duì)頻率源信號(hào)精確的電子控制在鎖相環(huán)(PLL)電路發(fā)展過(guò)程中的重要作用是不可估量的。那一時(shí)期，電視機(jī)的快速發(fā)展為向基于變?nèi)荻O管和晶體管的VCO過(guò)渡作出了很大的貢獻(xiàn)。此時(shí)，價(jià)格合理、功耗低、高質(zhì)量、具有自身電子調(diào)諧功能、能夠容易地進(jìn)行頻率范圍重新配置的VCO已經(jīng)成為可能。基于分立晶體管和變?nèi)荻O管的VCO主宰了從60年代到80年代的電子電路設(shè)計(jì)。但是到了80年代，兩項(xiàng)新技術(shù)開(kāi)始對(duì)VCO的發(fā)展產(chǎn)生影響：模塊化方法和單片VCO集成電路(IC)。圖3顯示了在過(guò)去的80年中VCO技術(shù)的發(fā)展情況。


圖3. VCO技術(shù)的生命期及其相應(yīng)年代

模塊化方法

隨著變?nèi)荻O管、電容和電感體積的縮小，以模塊的形式實(shí)現(xiàn)VCO成為可能。VCO模塊本質(zhì)上就是一個(gè)建立在一塊襯底上并安裝在金屬外殼內(nèi)的分立元件振蕩器的微縮版本。模塊是獨(dú)立的，只需要外接地、電源、調(diào)諧電壓和輸出負(fù)載。這種模塊最早出現(xiàn)在60年代，主要用于軍事。那時(shí)它們很大(可達(dá)數(shù)平方英寸)并且較貴，而商用產(chǎn)品中依然使用分立晶體管和變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)的VCO。直到出現(xiàn)了移動(dòng)電話，商用VCO模塊的市場(chǎng)才發(fā)展起來(lái)。

盡管分立元件VCO能夠?yàn)槿魏晤l率和調(diào)諧范圍單獨(dú)設(shè)計(jì)，它們一般需要大量的勞動(dòng)對(duì)頻率設(shè)置元件生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整以補(bǔ)償元件一致性差的缺點(diǎn)。除此之外，分立VCO需要良好的屏蔽以減小輻射和牽引效應(yīng)。隨著80年代后期和90年代初期移動(dòng)電話銷售的增長(zhǎng)，對(duì)這種“封裝的”振蕩器模塊的需求也在上升。一些在小型化方面越來(lái)越精通的日本公司為移動(dòng)電話開(kāi)發(fā)了小型的、成本較低的VCO模塊。隨著新的無(wú)線應(yīng)用的崛起，VCO模塊制造商們開(kāi)發(fā)了工作頻率單獨(dú)針對(duì)每一種應(yīng)用的產(chǎn)品。隨著表面貼裝元件的體積越來(lái)越小(1206, 0805, 0603, 0402, 0201)，人們也開(kāi)發(fā)了新的體積更小、成本更低的VCO模塊。圖4所示為在這段時(shí)間內(nèi)商用VCO模塊尺寸縮減的情況，其數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是商用VCO模塊在那段時(shí)期內(nèi)典型的技術(shù)發(fā)展水平狀況。

今天，這些技術(shù)進(jìn)步達(dá)到了它的頂點(diǎn)，緊湊的(4mm x 5mm x 2mm)模塊得以實(shí)現(xiàn)而且批量銷售價(jià)格已經(jīng)接近1美元(在美國(guó))。15年來(lái)VCO模塊體積發(fā)生了令人吃驚縮減，滿足了像蜂窩電話這種新型移動(dòng)無(wú)線設(shè)備對(duì)產(chǎn)品占用空間的嚴(yán)格要求。然而，90年代末出現(xiàn)了一種體積更小成本更低的VCO技術(shù)，單片VCO IC技術(shù)。


圖4. VCO模塊的尺寸在各個(gè)年代的情況

單片VCO

單片IC VCO技術(shù)是將所有的LC (電感-電容) VCO電路元件，包括晶體管、電容、電阻、電感和變?nèi)荻O管，都集成到一塊芯片上的一種VCO實(shí)現(xiàn)技術(shù)。與VCO模塊相同，這些器件經(jīng)過(guò)配置組成一個(gè)完整的VCO，外部只需要連接電源、地、輸出、調(diào)諧輸入和數(shù)字控制線。(注：這里所說(shuō)的VCO不包括壓控環(huán)路振蕩器，因?yàn)樗鼈兊南辔辉肼曁匦暂^差以至于在大多數(shù)無(wú)線電系統(tǒng)中都不再使用)。

第一塊單片VCO IC的誕生碰巧與砷化鎵(GaAs) IC技術(shù)和單片微波集成電路(MMIC)的開(kāi)發(fā)處在同一時(shí)間。單片VCO技術(shù)最早出現(xiàn)在80年代早期的文獻(xiàn)1, 2中，那段時(shí)間人們正在對(duì)MMIC在商用和軍用領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)研究(大部分是由美國(guó)DARPA MIMIC項(xiàng)目資助的)。盡管MMIC VCO的制造占用面積不是特別的高效率，導(dǎo)致它的成本并不是很劃算，早期的MMIC VCO仍然使用2英寸直徑的晶圓和GaAs IC工藝制造。通常，這些VCO工作在數(shù)GHz的頻率上，這與其應(yīng)用目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)和雷達(dá)系統(tǒng)的頻率相一致。

大多數(shù)早期的單片GaAs VCO是作為DARPA MIMIC研究項(xiàng)目的一部分開(kāi)發(fā)出來(lái)的，對(duì)商用市場(chǎng)的影響很小。硅片IC技術(shù)在80年代仍然屬于低頻技術(shù)，缺乏千兆赫茲頻率單片VCO所要求的帶寬。但是到了90年代，硅片IC技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了具有足夠高特征頻率(fT)的器件以及相適應(yīng)的單片元件(高Q值電感、高頻率電容和變?nèi)荻O管)，這樣就能開(kāi)發(fā)出更高頻率的硅單片VCO。無(wú)線市場(chǎng)已經(jīng)展現(xiàn)出它的廣闊和增長(zhǎng)潛力，這些都刺激著對(duì)800MHz至2500MHz低成本VCO的需求。

在九十年代這些技術(shù)得到發(fā)展之前，大多數(shù)商用無(wú)線電系統(tǒng)都工作在很低的頻率，這使單片VCO IC的制作很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠?a target="_blank">電感器的值太大了。文獻(xiàn)中記載的第一個(gè)單片硅VCO IC的樣品來(lái)自加州大學(xué)伯克力分校，時(shí)間是1992年3。這個(gè)VCO使用了非傳統(tǒng)的獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)不同的諧振電路來(lái)改變頻率。即使是這樣，在技術(shù)上來(lái)說(shuō)它還是一個(gè)單片硅的VCO IC。這一成果以及Robert Meyer教授和他的研究生們?cè)诩又荽髮W(xué)伯克力分校的進(jìn)一步研究使人們開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)單片VCO技術(shù)的研究。

到1995年，技術(shù)文獻(xiàn)中出現(xiàn)了來(lái)自許多最主要大學(xué)的研究者們對(duì)單片硅VCO IC技術(shù)的研究成果報(bào)告4,5。在這些報(bào)告中，研究者們展示了現(xiàn)代單片LC諧振電路VCO IC最早的樣品。1996年至1997年，出現(xiàn)了大量的論文描述單片VCO各種不同實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究情況6–11。這段時(shí)期標(biāo)志著商業(yè)上可行的VCO IC的出現(xiàn)。

單片VCO IC同時(shí)使用高頻雙極型晶體管IC技術(shù)和硅CMOS IC技術(shù)開(kāi)發(fā)。大學(xué)里的研究者們一般使用CMOS技術(shù)，因?yàn)檫@種IC技術(shù)具有普遍的適用性。工業(yè)領(lǐng)域的研究者們使用RFIC專用的雙極型/BiCMOS工藝技術(shù)。圖5是分別用CMOS和雙極型/BiCOMS工藝實(shí)現(xiàn)的典型的單片VCO電路。


圖5. 用MOS和雙極型技術(shù)實(shí)現(xiàn)的典型的單片VCO核心電路

通常，這些早期VCO IC的整體性能比分立元件的VCO和VCO模塊要差。尤其是相位噪聲和調(diào)諧特性，比分立元件設(shè)計(jì)或VCO模塊已經(jīng)很成熟的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果要糟糕。這些缺點(diǎn)主要是由那一代IC技術(shù)中普遍存在的低Q電感和粗糙的變?nèi)荻O管造成的。

然而，單片VCO已經(jīng)證明了它具有非常小的體積和低廉的成本，而且它可以使用與實(shí)現(xiàn)RF收發(fā)機(jī)其它功能單元相同的工藝制作。這意味著VCO可以和其它的RF和IF單元集成在一起，如混頻器、低噪聲放大器(LNA)和鎖相環(huán)(PLL)?？梢缘统杀镜貙CO與其它接收機(jī)和發(fā)射機(jī)功能單元集成在一起的能力使單片VCO IC在商業(yè)上成為現(xiàn)實(shí)。商用900MHz擴(kuò)頻無(wú)繩電話芯片組12是這種技術(shù)早期一個(gè)很好的例子。

90年代后期，對(duì)VCO IC技術(shù)的研究大大地加強(qiáng)了13–19。這很大程度上是因?yàn)闊o(wú)線市場(chǎng)的迅速膨漲，也得益于高頻雙極工藝、CMOS和BiCMOS工藝技術(shù)的發(fā)展。重大的研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目在工業(yè)和學(xué)術(shù)兩個(gè)水平上展開(kāi)。研究者們都將注意力集中在改善相位噪聲、擴(kuò)展工作頻率范圍和VCO調(diào)諧范圍的片上調(diào)整幾個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了一些有用的性能改進(jìn)。這些改進(jìn)使VCO滿足了允許它們?cè)谟糜跓o(wú)繩電話、Bluetooth?、WLAN、GPS和DBS的RFIC中使用的電氣規(guī)范。表1是一些包含單片VCO的商用RFIC的簡(jiǎn)單情況。

表1. 單片VCO集成在商用RFIC中的實(shí)例

Unit	Frequency Range (MHz)	Source	Application
MAX2622/23/24	855 to 998	Maxim	General purpose, 900MHz ISM
MAX2750–MAX2753	2025 to 2500	Maxim	General purpose, 2.4GHz ISM band
MAX2754	1145 to 1250	Maxim	2.4GHz cordless phones
MAX2114	925 to 2175	Maxim	DBS
MAX3580	170 to 230, 470 to 878	Maxim	DVB-T
MAX3540	54 to 100, 100 to 300, 300 to 860	Maxim	Analog/digital terrestrial receivers
MAX2900	902 to 928	Maxim	900MHz ISM band (wireless meter reading)
MAX2820	2400 to 2500	Maxim	802.11b WLAN
MAX2830	2400 to 2500	Maxim	802.11g WLAN
MAX2837	2300 to 2700	Maxim	802.16e Mobile WiMAXSM
MAX2838	3300 to 3900	Maxim	802.16e Mobile WiMAX
MAX2839	2300 to 2700	Maxim	802.11n WLAN with MIMO down link
RF105	902 to 928	Conexant?	900MHz cordless phones
SA2400	2400 to 2500	Philips?	802.11b WLAN
BlueCore-01	2400 to 2500	CSR	Bluetooth
TRF	2400 to 2500	TI?	Bluetooth
GRF2i/LP	1575	SiRF	GPS
AR5111	5.2GHz to 5.8GHz	Atheros?	802.11a WLAN

這些VCO IC和包含它們的集成解決方案比VCO模塊體積更小成本更低，比分立的解決方案應(yīng)用起來(lái)更容易、更快速。這些單片VCO IC比過(guò)去的技術(shù)具有顯著提高的價(jià)值。

這一代VCO技術(shù)的性能足夠滿足無(wú)繩電話、無(wú)線數(shù)據(jù)傳送設(shè)備和DBS接收機(jī)這樣的系統(tǒng)的要求，因此在這些系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。然而，相位噪聲性能目前仍然不能滿足更高數(shù)據(jù)速率的移動(dòng)電話系統(tǒng)(如GSM、IS-136和CDMA等)的要求(噪聲過(guò)高，約為5dB至10dB)。電感的低Q值和過(guò)量的偏置噪聲限制了VCO相位噪聲的降低。盡管一些研究者展示的使用焊線電感獲得的結(jié)果是具有前途和希望的，實(shí)現(xiàn)低相位噪聲仍然很困難并且超出目前單片VCO IC技術(shù)能力范圍。然而，這看起來(lái)也只是暫時(shí)的。在過(guò)去的三年中(1999至2001)，VCO設(shè)計(jì)領(lǐng)域報(bào)導(dǎo)了許多重大的進(jìn)展并且清晰地指出了一些未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

主要趨勢(shì)

很多發(fā)展趨勢(shì)正在影響著具有改進(jìn)相位噪聲的單片VCO的開(kāi)發(fā)。例如，基本的RFIC工藝在不斷改進(jìn)，半導(dǎo)體工藝能實(shí)現(xiàn)的品質(zhì)因數(shù)在不斷改善，各種有源和無(wú)源器件的性能也都在提高中。在硅工藝方面，現(xiàn)在已經(jīng)能制造出fT超過(guò)50GHz的晶體管，具有寬電容比調(diào)諧范圍(低串連阻抗)的更高Q值變?nèi)荻O管也可以實(shí)現(xiàn)。這些工藝的特點(diǎn)是具有更低損耗的襯底，它的金屬層更厚，電感Q值更高。采用這些工藝制作的器件可以減少寄生元件，使VCO具有更低的相位噪聲，更高的工作頻率和更低的電流消耗。

設(shè)計(jì)技術(shù)正在變得越來(lái)越先進(jìn)。VCO的研究者通過(guò)發(fā)明更先進(jìn)的電路來(lái)充分利用IC技術(shù)的能力以進(jìn)一步改善VCO的性能。研究者們正在引入一些從前的分立VCO和模塊VCO方法不可能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，如差分振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、振幅控制、二次陷波、用于改善耦合的IC轉(zhuǎn)換器、多振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和一些能夠在更高頻率下工作的體系結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)工程師們對(duì)VCO理論的理解也越來(lái)越深入。他們正在對(duì)過(guò)去的數(shù)學(xué)模型如Van der Pol等式和Leeson等式作進(jìn)一步的研究，得出了新的解釋振蕩器工作現(xiàn)象(如調(diào)諧特性和相位噪聲性能)的分析表達(dá)式。例如，設(shè)計(jì)者們正在用Abidi關(guān)系改進(jìn)Leeson的噪聲公式。除此之外，隨著個(gè)人電腦和工作站計(jì)算機(jī)處理能力的提高，計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)工具的功能和復(fù)雜程度也在提高之中，這使工程師們可以對(duì)VCO功能模型進(jìn)行試驗(yàn)以發(fā)現(xiàn)其性能的改進(jìn)。

單片VCO技術(shù)新產(chǎn)品的數(shù)量在不斷地增多，并且這些高品質(zhì)的VCO與收發(fā)機(jī)電路集成在一起。例如，用于WLAN和Bluetooth市場(chǎng)的最新的收發(fā)機(jī)在其RF收發(fā)機(jī)IC內(nèi)集成了VCO，與使用分立元件相比極大地減小了產(chǎn)品尺寸。在更高性能的WLAN無(wú)線系統(tǒng)中(2.4GHz IEEE? 802.11b以及5GHz 802.11a)，系統(tǒng)需要具有非常低相位噪聲的更高性能VCO來(lái)滿足包數(shù)據(jù)率和阻塞水平的要求。

RFIC VCO技術(shù)的進(jìn)步使這些集成產(chǎn)品對(duì)數(shù)量日益增長(zhǎng)的商業(yè)RF應(yīng)用更加具有吸引力，這些應(yīng)用包括衛(wèi)星接收機(jī)、CATV機(jī)頂盒、無(wú)線數(shù)據(jù)應(yīng)用、無(wú)繩電話和移動(dòng)電話等。顯然，單片VCO與分立和模塊化VCO解決方案相比在大批量的應(yīng)用中正在獲得越來(lái)越多的份額。

單片VCO很快就會(huì)在所有大批量商用無(wú)線系統(tǒng)中成為最主流的振蕩器實(shí)現(xiàn)方案。從笨重的電子管電路到今天小于1平方毫米的硅片，VCO跨越了不同尋常的發(fā)展之路。



參考文獻(xiàn)

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