【導讀】許xu多duo電dian子zi應ying用yong需xu要yao根gen據ju其qi他ta信xin號hao的de幅fu值zhi來lai改gai變bian某mou個ge信xin號hao的de頻pin率lv。調tiao頻pin信xin號hao便bian是shi一yi個ge很hen好hao的de例li子zi，其qi中zhong的de載zai波bo頻pin率lv隨sui著zhe調tiao製zhi源yuan幅fu值zhi的de變bian化hua而er變bian化hua。此ci外wai
，還hai有you鎖suo相xiang環huan (PLL)：這種電路使用控製係統來改變振蕩器的頻率和/或相位，以匹配輸入參考信號的頻率/相位。

設計者的目標是：確定如何盡可能以高效、低成本的方式實現該功能
，同時確保精度、可靠性以及不受時間和溫度影響的穩定性。

這就是壓控振蕩器 (VCO) 的功能。這類器件專用於提供一種頻率會在合理的範圍內隨輸入信號的電壓幅值變化而變化的輸出信號。壓控振蕩器可用於PLL
、頻率和相位調製器
、雷達和許多其他電子係統中。

本文將說明為什麼VCO往往是設計者實現這一功能的最佳選擇，然後簡要介紹VCO的工作原理，以及從分立元器件設計到單片VCO IC的各種VCO設計。然後

，通過來自不同供應商的實際案例來探討如何指定VCO，以匹配特定應用。這些廠商包括Maxim Integrated、Analog Devices
、Infineon Technologies、NXP Semiconductors、Skyworks Solutions和Crystek Corporation等。

VCO的作用是什麼？

如前所述
，許多電子應用需要根據另一個信號的幅值來改變或控製某個信號的頻率或相位。典型應用包括通信係統
、雷達中的頻率啁啾
、PLL中的相位跟蹤以及遠程無鑰匙進入等跳頻應用（圖1）。

圖1：需要通過施加電壓信號來控製頻率或相位變化的應用實例包括：通信係統中的調頻（上圖）

、雷達中的頻率啁啾（下圖第二張）、鎖相環路中的相位跟蹤（下圖第三張）以及跳頻應用，如遠程無鑰匙進入係統（下圖）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

VCO專門用於產生一種頻率會根據輸入信號的幅值在合理範圍內變化的輸出信號。

VCO如何工作

VCO分為分立
、模塊化和單片形式，但通過對分立式VCO的討論有助於讀者從基本上了解其工作原理以及為什麼某些指標非常重要。之後
，我們會簡要介紹模塊化和單片解決方案。

使用分立式VCO
，設計者能夠極其靈活地滿足定製指標。這種方法在自己動手 (DIY) 項目中尤為常見，特別是在業餘無線電領域。這類設計用於高頻無線電項目，基於經典的振蕩器拓撲結構
，包括Hartley和Colpitts電感電容 (LC) 振蕩器（圖2）。

圖2：經典振蕩器包括Hartley和Colpitts LC振蕩器
，可以作為VCO的設計基礎。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

所有的振蕩器都是基於使用正反饋來實現持續振蕩的。Hartley和Colpitts振蕩器是基本設計，用不同方式產生正反饋。正反饋要求振蕩器輸出的信號返回到輸入端

，總相移為 360°。放大器提供180°倒相，360°的另一半來自振蕩電路的LC。振蕩電路決定了標稱振蕩頻率。在Hartley振蕩器電路中，振蕩電路由L1、L2和Ct組成；在Colpitts振蕩器中，振蕩電路由L1、Ct1和Ct2組成。

Hartley振蕩器采用電感耦合方式，通過電路中所示的雙電感或分接電感（L1和L2）來實現倒相。Colpitts振蕩器在相應電路中采用了由Ct1和Ct2組(zu)成(cheng)的(de)容(rong)性(xing)分(fen)壓(ya)器(qi)。從(cong)這(zhe)些(xie)基(ji)本(ben)設(she)計(ji)衍(yan)生(sheng)出(chu)許(xu)多(duo)設(she)計(ji)，每(mei)個(ge)設(she)計(ji)都(dou)有(you)自(zi)己(ji)的(de)名(ming)稱(cheng)。這(zhe)些(xie)衍(yan)生(sheng)設(she)計(ji)嚐(chang)試(shi)將(jiang)振(zhen)蕩(dang)電(dian)路(lu)與(yu)放(fang)大(da)器(qi)隔(ge)離(li)，以(yi)防(fang)止(zhi)負(fu)載(zai)造(zao)成(cheng)頻(pin)率(lv)偏(pian)移(yi)。這(zhe)樣(yang)的(de)衍(yan)生(sheng)設(she)計(ji)有(you)很(hen)多(duo)
，設(she)計(ji)者(zhe)可(ke)以(yi)從(cong)中(zhong)挑(tiao)選(xuan)自(zi)己(ji)喜(xi)歡(huan)的(de)。

通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)變(bian)容(rong)二(er)極(ji)管(guan)為(wei)這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)增(zeng)加(jia)頻(pin)率(lv)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)，從(cong)而(er)改(gai)變(bian)振(zhen)蕩(dang)電(dian)路(lu)的(de)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)，變(bian)容(rong)二(er)極(ji)管(guan)有(you)時(shi)也(ye)稱(cheng)為(wei)變(bian)容(rong)器(qi)二(er)極(ji)管(guan)，是(shi)專(zhuan)門(men)用(yong)來(lai)提(ti)供(gong)可(ke)變(bian)電(dian)容(rong)的(de)結(jie)型(xing)二(er)極(ji)管(guan)。P-N結經過反向偏置，並且可以通過改變所施加的直流偏置電壓來改變二極管的電容。變容二極管的電容與所施加的直流偏置電壓成反比：反向偏置越高，二極管的耗盡區越大
，因而電容也越小。這種變化可以從Skyworks Solutions的SMV1232_079LF超突變結變容二極管的電容反向電壓圖中看出（圖3）。這種二極管在零電壓下的電容為4.15皮法拉 (pF)
，在8V下的電容為0.96pF。

圖3：Skyworks Solution的SMV1232變容二極管的電壓電容圖清楚地顯示了電容是如何隨著所施加的直流偏置電壓而發生反向變化的。（圖片來源：Skyworks Solutions）

變容二極管的電容範圍決定了VCO的調諧範圍。振蕩器的電壓控製是通過增加變阻器與振蕩電路並聯實現的，如圖4所示。圖中所示為一個中心頻率為1千兆赫(GHz)
、調諧範圍約為100兆赫 (MHz) 的Colpitts振蕩器VCO的評估板參考設計。該參考設計集成了一個射極跟隨器緩衝器
，以隔離VCO的負載變化。本設計中的諧振電路包括電感L3和電容C4、C7


、C8。變容二極管VC1與振蕩電路並聯。電容器C4控製給定變容二極管的頻率變化範圍，而C7和C8則提供維持振蕩所需的反饋。

圖4：Colpitts振蕩器VCO的評估板參考設計，其中心頻率為1GHz
，調諧範圍約100MHz。變容二極管VC1（左下）與振蕩電路並聯，由電感L3和電容C4
、C7


、C8組成。（圖片來源：NXP Semiconductors）

變容二極管和雙極結晶體管的選擇取決於振蕩器頻率。對於1GHz的標稱頻率
，可以使用諸如NXP Semiconductor的BFU520WX或Infineon Technologies的BFP420FH6327XTSA1之類的射頻晶體管。BFU520WX的過渡頻率為10GHz，增益為18.8分貝 (dB)，BFP420FH6327XTSA1的過渡頻率為25GHz，增益為19.5dB。兩者在1GHz時都有足夠的增益帶寬積來適應該電路。

總之

，分立式VCO的設計靈活性最大，但與模塊化或單片器件相比
，則其體積更大且PCB占用麵積更多。

指定VCO

主要的VCO指標通常從標稱頻率範圍開始，即可獲得的最低和最高頻率。另外，這些參數也可以被指定為標稱頻率或中心頻率以及調諧範圍。

輸入調諧電壓範圍對應於輸入電壓擺動，在調諧範圍內對VCO進行調諧（圖5）。

圖5：輸出頻率作為輸入調諧電壓函數時的調諧曲線圖，可以讓您基本了解相比線性擬合的VCO線性度。輸出頻率與調諧電壓的斜率就是調諧靈敏度。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

調諧增益或靈敏度就是頻率電壓曲線的斜率
，以MHz/volt (V) 為單位。這是衡量調諧線性的標準。在VCO處於控製環路中的應用中，如PLL
，調諧靈敏度是VCO元件的增益，可能會影響控製環路的動態性能和穩定性。

VCO的輸出功率規定了向指定阻抗負載輸送的功率，對於RF VCO來說通常是50歐姆 (Ω)。輸出功率以dB為單位，參考1毫瓦 (mW) (dBm)。在VCO的頻率範圍內
，功率輸出的平坦度也是值得關注的。

負載牽引是指由於負載阻抗變化而引起的VCO輸出頻率變化，測量單位為MHz峰峰值 (pk-pk)。通常，通過使用類似圖4所示的發射極跟隨器之類的緩衝放大器來提高負載隔離度。

電源推進是指由於電源電壓的變化而導致VCO輸出頻率變化的現象。其單位是MHz/V。

相位噪聲規格是VCOxinhaodechunduzhibiao。lixiangzhendangqidepinpushizhendangqipinlvxiadezhaipuxian。xiangweizaoshengdaibiaolezhendangqibuxuyaodetiaozhi，qiekuodalepinpuxiangying。xiangweizaoshengshiyouzhendangqidianluneidereyuanheqitazaoshengyuanzaochengde

，yongzaiboxiafenbeimeihezi (dBc/Hz) 表示。頻域的相位噪聲會導致時域出現時序抖動，表現為時間間隔誤差(TIE)。

模塊化VCO

模塊化VCO代表了電路集成的下一個最高水平。這類VCO被封裝在小型模塊化外殼中，可以象組件一樣使用。模塊化VCO通常比分立式VCO具有更高的封裝密度。這類器件具有一係列輸出頻率、調諧範圍和功率輸出水平。例如Crystek Corporation的CRBV55BE-0325-0775VCO（圖6）。該器件的尺寸為1.25 x 0.59英寸 (in.)（31.75 x 14.99毫米 (mm)）
，高度為1.25in.
，輸入電壓範圍為0 - 12伏，調諧範圍為325 - 775MHz。其輸出功率水平為+7dBm（典型值），10千赫茲(kHz) 載波偏移時相位噪聲為-98dBc/Hz
，100kHz時為-118dBc/Hz。

圖 6 ：Crystek CRBV55BE VCO的外形圖顯示了其外形緊湊，具體為1.25 x 1.25 x 0.59in.。（圖片來源：Crystek Corporation）

在動態控製方麵
，Crystek VCO的典型調諧靈敏度為45MHz/V。電源推進指定為0.5MHz/V（典型值）

，最大1.5MHz/V。負載牽引最大為5.0MHz pk-pk。

單片VCO

VCO可以作為單片IC實施。單片IC的體積密度最高。與模塊化VCO一樣
，單片VCO也是為特定的工作頻段設計的。這種器件如Maxim Integrated 的MAX2623EUA+T。這是一款自足式VCO，在8引腳mMax單封裝中集成了振蕩器和輸出緩衝器（圖7）。

圖7：Maxim Integrated的MAX2623 VCO的框圖和引腳配置。該器件是一款基於LC的傳統VCO，通過雙變容二極管控製電壓。該器件在其8針封裝內置了一個輸出緩衝器。（圖片源：Maxim Integrated）

該設計包括片載振蕩器電感和變容二極管。該器件的工作電源為+2.7至+5.5V，電流消耗僅8毫安 (mA)。MAX2623是該產品係列中的三款VCO之一
，每款VCO都有不同的預期工作頻率
，因此各不相同。MAX2623的調諧範圍為885 - 950MHz，涵蓋了902 - 928MHz的工業、科學和醫療 (ISM) 頻段，可用作本地振蕩器。該VCO向50Ω負載輸送的輸出功率水平為-3dBm，且在100kHz偏移下的典型相位噪聲為-101dBc/Hz。控製電壓範圍為0.4 - 2.4V
，負載牽引一般為0.75MHz (pk-pk)。電源推進為280kHz/V（典型值）。封裝尺寸為0.12 × 0.12 × 0.043in.(3.03 x 3.05 x 1.1mm)。

另一個單片VCO的例子是Analog Devices的HMC512LP5ETR。該VCO的頻率範圍為9.6 - 10.8GHz，調諧電壓範圍為2 - 13V。該器件專用於衛星通信、多點無線電和軍事應用（圖8）。

圖8：Analog Devices的HMC512LPETR VCO的框圖
，顯示了集成變容二極管和具有集成諧振器的振蕩器內核。（圖片來源：Analog Devices）

這種單片微波集成電路 (MMIC) VCO采用GaAs和InGaP異質結雙極晶體管
，使用5伏直流電源，可實現寬帶寬和對50Ω負載的+9dBm輸出功率水平。在100kHz偏移下
，相位噪聲為-110dBc/Hz。負載牽引一般為5MHz峰峰（典型值）。電源推進通常是5V電壓下30MHz/V（典型值）。該器件采用QFN 5 x 5mm表麵貼裝封裝。請注意，該VCO 還包括半頻和四分之一頻輔助輸出。這些小數頻率輸出可用於驅動PLL合成器
，以便在需要時鎖定VCO初級輸出，或同步其他時序鏈信號。

體積小巧既是這兩種單片VCO器件的特點，也是其主要優勢。

本文小結

無論是分立式、模塊化還是單片式VCO
，都能滿足許多應用對基於電壓的頻率控製的需求。這些器件用於函數發生器
、PLL、頻率合成器
、時shi鍾zhong發fa生sheng器qi和he模mo擬ni音yin樂le合he成cheng器qi。雖sui然ran這zhe些xie器qi件jian都dou相xiang對dui簡jian單dan，但dan正zheng確que使shi用yong則ze需xu要yao充chong分fen了le解jie其qi工gong作zuo方fang式shi和he主zhu要yao指zhi標biao。一yi旦dan了le解jie了le這zhe些xie知zhi識shi
，就jiu會hui發fa現xian有you很hen多duo設she計ji和he供gong應ying商shang可ke供gong選xuan擇ze。

來源：DigiKey

作者：Art Pini

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