VCO设计与测量

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1、VCO/PLL的测量和设计技术·今日的行动通讯系统需要的是更高的通讯质量、传输速率、频率以及更多频道的带宽，并且提供轻便的、耗电量低、体积小的特色。在这些限制条件下，包含组件的选择及评估，最后结合成为一套完整的设计，这是非常大的挑战。根据上述所提及的要求内容，合成振荡器(synthesizedoscillator)在射频设计中是不可或缺的一环。典型的合成振荡器结合了一个电压控制振荡器、一个锁相回路（PLL）芯片、频率参考组件（如石英/TCXO）以及回路滤波器（loopfilter）。电压控制振荡器（VCO）是用来产生RF输出频率。PLL

2、（在这里是指模拟式PLL；即不同于纯数字式的PLL）是作为稳定和控制频率之用。回路滤波器的设计，必需整合所有的构成要素，在噪声和瞬间响应之间做取舍（如图一）。在本文中，将描述锁相回路（PLL）、电压控制振荡器（VCO）和相关的评量资料，这将让射频电路设计者能将包含回路滤波器在内的振荡器，发挥到最大的效益。最后介绍PLL频率合成振荡器和VCO电路的设计实例，这是因为在设计之前，电路设计者必须先了解相关的测量仪器所提供的功能、PLL/VCO的特性参数，如此才能精确地判断，自己设计的电路是否有达到规格的要求。 VCO的特性参数下列表示一般性的

3、VCO特性参数。要评估这些参数，各项仪器和装置都必需列入要求，甚至包括作为电源供应和可调式电压源（tuningvoltagesource）之特定DC电源。1）射频频率〔Hz〕2）射频功率〔dBm〕3）相位噪声〔dBc/Hz〕4）残余FM〔Hzrms〕5）DC消耗电流〔mA〕6）微调灵敏度〔Hz/V〕7）谐波/寄生频率〔dBc〕8）推频〔Hz/V〕和挽频〔Hzp-p〕为达到最佳的电路表现，许多VCO的特性都应在各种变化下作评估。举例来说：一个非常基本的参数就是，VCO输出频率对可调式电压（F-V）之关系。此参数的延伸是微调灵敏度（Hz/V

4、），它是F-V曲线的微分值。理论上，它被视为一个常数，但实际上却不然。F-V曲线斜率的改变是频率的函数，我们必须清楚了解它，因为这是设计回路滤波器的重要参数。然而，这两项参数也必须在不同电源电压（Vcc）的情况下被评估，因为输出频率可能会随着电源电压的改变而漂移。DC功率灵敏度被称之为推频(frequencypushing)，射频输出功率也是Vcc和输出频率的函数，这些都应该做评估。因为当输出功率过低时，将产生严重的噪声；而当输出功率过高时，则会产生讯号失真和消耗太多DC功率。此外，DC功率灵敏度可能会将Vcc噪声转换成为振荡器输出的调

5、变（modulation）/噪声。许多其他的参数也必需列入评估，不仅只是相位噪声（phasenoise）。相位噪声是一个极重要的参数，我们在设计正确的回路时，势必要知道的。而且相位噪声将会影响合成振荡器的许多重要的工作特性，这包括相邻通道的功率。图一为PLL频率合成器之基础方块图，其中包括了：。分频器（frequencydivider）。相位比较器（phasecomparator）。可编程分频器（programmablefrequencydivider）。预标定器（prescaler） 图一：PLL频率合成器之基础方块图 DC控制电压源

6、噪声VCO的工作是将任何可控制电压的变化转换成频率的变化，因此DC可调式/控制电压源上的噪声会影响VCO相位噪声的量测（如图二）。基于这个原因，此电压源的噪声必须是非常微小，通常是利用低通滤波器（low-passfilter）达到此目的。选择超低截止频率（cut-offfrequency）之滤波器将产生非常好的噪声抑制效果，但这也将会降低电压源的灵活度（亦即，使频率扫瞄率下降）以及降低量测的精确性。因此，当需要滤波器解决一些问题的同时，也会引发另外一些问题的产生。图二为控制电压源上的噪声会影响相位噪声之量测，其中包括了：。红色线:控制电

7、压源上伴随的噪声。黄色线:控制电压源上伴随的低噪声 图二：控制电压源上的噪声会影响相位噪声之量测VCO频率的稳定性和相位噪声的测量·相位噪声是一个随机噪声，相当于在特定的偏移频率之「功率频谱密度（powerspectrumdensity）」和「载波讯号强度」的比值。这是一个非常敏感的测量，因此，一般都会取平均值，以确保此测量动作可以重复再来（复制）。测量相位噪声可以使用频谱分析仪和量测相位噪声专用的测量系统。传统量测VCO相位噪声所产生的问题，是来自于这些装置的输出频率，当这些频率没有被锁相回路锁住，而在测量时间之内明显地漂移时，问题就

8、会产生。VCO是一个极敏感的装置，即使是微小的温度变化，甚至震动都将造成频率的漂移。这种载波漂移（carrierdrift）会产生明显的错误，只能透过广泛地取平均值做部份更正（如图三）。另一个问题是噪声量测