壓控振盪器 (VCO) 的基本知識以及挑選與使用方法

許多電子應用都會要求訊號的頻率隨著另一個訊號的振幅變化。頻率調變訊號即為一例，其中載波的頻率會隨著調變源的振幅而變化。另一個例子是鎖相迴路 (PLL)：為了匹配輸入參考訊號的頻率／相位，此迴路使用控制系統來改變振盪器的頻率及／或相位。

設計人員的目標是找出如何盡可能符合成本效益並有效率地執行此功能，同時確保準確度、可靠性，以及在時間和溫度變化下的穩定性。

這便是壓控振盪器 (VCO) 的功能。這類元件的設計目的在於所產生的輸出訊號頻率，會隨著輸入訊號的電壓振幅在合理的頻率範圍內變化。這些元件可用於 PLL、頻率和相位調變器、雷達，以及其他許多電子系統中。

本文將先說明設計人員為何經常將 VCO 視為執行此功能的最佳選擇，接著再簡扼說明 VCO 的工作原理，以及從離散元件設計到單晶片 VCO IC 的 VCO 設計。然後透過 Maxim Integrated、Analog Devices、Infineon Technologies、NXP Semiconductors、Skyworks Solutions 及 Crystek Corporation 等不同廠商的真實案例，探討如何指定符合特定應用的 VCO。

VCO 的作用是什麼？

如前所述，許多電子應用會要求訊號的頻率或相位，都要根據另一個訊號的振幅來改變或受到控制。典型的應用包括：通訊系統、雷達的頻率啁啾、PLL 的相位追蹤，以及遠端遙控鎖之類的跳頻應用 (圖 1)。

圖 1：一些應用需由施加的訊號電壓控制頻率或相位變化，範例包括：通訊系統的頻率調變 (最上方)、雷達的頻率啁啾 (向下第二個)、鎖相迴路的相位追蹤 (向下第三個)，以及遠端遙控鎖系統之類的跳頻應用 (最下方)。(圖片來源：DigiKey)

VCO 是經過特殊設計的元件，所產生的輸出訊號頻率，隨著輸入訊號的振幅在合理的頻率範圍內變化。

VCO 的工作原理

VCO 雖有離散式、模組化和單晶片形式，但只需探討離散式 VCO 就能基本瞭解這些元件的工作原理，以及為何特定規格相當重要。本文接著將概要說明模組化和單晶片解決方案。

在使用離散式方法設計 VCO 時，設計人員在滿足客製化規格上有極大的彈性。這種方法尤其常見於自己動手做 (DIY) 專案，特別是業餘無線電專案。此類設計適合用於高頻無線電專案，並以經典振盪器拓撲為基礎，其中包括 Hartley 和 Colpitts 電感電容 (LC) 振盪器 (圖 2)。

圖 2：經典振盪器可用作 VCO 設計的基礎，其中包括 Hartley 和 Colpitts LC 振盪器。(圖片來源：DigiKey)

所有振盪器的基本原理都是使用正向回授來達到持續的振盪。Hartley 和 Colpitts 振盪器屬於基本設計，能以不同方式產生正向回授。正向回授的要求是，振盪器的輸出訊號返回到輸入時，總移相為 360°。放大器提供 180° 的單相反轉，而 360° 的另一半相位則來自諧振槽狀電路的 LC。槽狀電路可決定振盪的標稱頻率。此電路由 Hartley 振盪器電路中的 L1、L2 和 Ct，以及 Colpitts 振盪器中的 L1、Ct1 和 Ct2 共同組成。

Hartley 振盪器使用電感耦合，並透過電路所示的雙電感或分接電感 (L1 和 L2) 來得到相位反轉。Colpitts 振盪器採用電容分壓器，後者由各別電路中的 Ct1 和 Ct2 組成。這些基本設計衍生出許多設計，每種設計都有各自的名稱。衍生設計會嘗試將槽狀電路與放大器隔離，以避免因負載造成頻移。此類的衍生設計非常多，設計人員可依喜好進行選擇。

在這些設計中，透過採用變容二極體改變槽狀電路的共振頻率，即可增加頻率控制功能。變容二極體是一種能提供可變電容量的接面二極體。P-N 接面屬逆向偏壓，只要改變施加的 DC 偏壓，就能改變此二極體的電容量。變容管的電容量會隨施加的 DC 偏壓而逆向變化，亦即逆向偏壓越高，二極體空乏區越寬，電容量也越低。在 Skyworks Solutions 的 SMV1232_079LF 超陡接面變容二極體的電容量與逆向電壓比較圖中，可以看出此種變化 (圖 3)。此二極體在 0 V 時電容量為 4.15 pF，在 8 V 時則為 0.96 pF。

圖 3：Skyworks Solution 的 SMV1232 變容二極體電壓電容量比較圖顯示，電容量如何隨施加的 DC 偏壓而逆向變化。(圖片來源：Skyworks Solutions)

變容二極體的電容量範圍可決定 VCO 的微調範圍。藉由將變容管以並聯方式加入槽狀電路，即可實現振盪器的電壓控制，如圖 4 所示。本圖為 Colpitts 振盪器 VCO 的評估板公版設計，中心頻率為 1 GHz，微調範圍約為 100 MHz。此設計加入一個射極隨耦器緩衝器，可將 VCO 與負載變化隔離。在此設計中，諧振器槽狀電路包括電感 L3 和電容 C4、C7、C8。變容二極體 VC1 與槽狀電路並聯。電容器 C4 可控制已知變容管選項的頻率變化範圍，而 C7 和 C8 則能提供維持振盪所需的回授。

圖 4：Colpitts 振盪器 VCO 的評估板公版設計，中心頻率為 1 GHz，微調範圍約為 100 MHz。變容二極體 VC1 (左下) 與槽狀電路並聯，同時包括電感 L3 和電容 C4、C7、C8。(圖片來源：NXP Semiconductors)

如何選擇變容管和雙極性接面電晶體，需視振盪器的頻率而定。如果標稱頻率為 1 GHz，可以使用 NXP Semiconductor 的 BFU520WX 或 Infineon Technologies 的 BFP420FH6327XTSA1 等 RF 電晶體。BFU520WX 的過渡頻率為 10 GHz，增益為 18.8 dB；BFP420FH6327XTSA1 的過渡頻率為 25 GHz，增益為 19.5 dB。在 1 GHz 下，這兩款元件均可為此電路提供足夠的增益頻寬乘積。

總結來說，離散式 VCO 具有最大的設計彈性，但尺寸和電路板面積會比模組化或單晶片元件更大。

指定 VCO

VCO 的主要規格通常從標稱頻率範圍起算，這意味著可以取得最小和最大頻率。此外，這些元件能以標稱或中心頻率及微調範圍來指定。

輸入微調電壓範圍相當於輸入電壓擺盪，亦即在微調範圍內，可對 VCO 進行微調 (圖 5)。

圖 5：輸出頻率作為輸入微調電壓函數的微調曲線圖，此圖顯示 VCO 線性與線性擬合進行比較的基本檢視。輸出頻率與微調電壓比較的斜率，即代表微調靈敏度。(圖片來源：DigiKey)

微調增益 (或稱靈敏度) 以 MHz/V 為測量單位，是頻率與電壓圖的斜率，這是微調線性的測量結果。在 VCO 位於控制迴路的應用中 (例如含 PLL 的應用)，微調靈敏度代表 VCO 元件的增益，可能影響控制迴路的動態範圍和穩定性。

VCO 的輸出功率指明供應給特定阻抗負載 (如果是 RF VCO，通常為 50 Ω) 的功率。輸出功率的指定單位為 dBm，即以 1 mW 為參考的 dB 值。此外，在 VCO 頻率範圍內的功率輸出平坦度也可能是關注點。

負載拉動是指因負載阻抗改變而造成的 VCO 輸出頻率變化，以 MHz 峰峰值 (pk-pk) 為測量單位。負載隔離通常可用緩衝放大器 (類似圖 4 中的射極隨耦器) 來加以改善。

電源供應推送是指因電源供應電壓改變而造成的 VCO 輸出頻率變化。測量單位為 MHz/V。

相位雜訊規格是 VCO 訊號純度的指標。理想的振盪器有一個頻率頻譜，即振盪器頻率下的窄頻譜線。相位雜訊代表振盪器不需要的調變，並會擴大頻譜響應。相位雜訊是由振盪器電路中的熱源和其他雜訊源造成，以 dBc/Hz 為表示單位。頻域中的相位雜訊會在時間域中造成時序抖動，且以時間間隔誤差 (TIE) 表現出來。

模組化 VCO

模組化 VCO 代表下一個最高程度的電路整合。這些 VCO 是以小型模組化外殼封裝，如同作為元件使用。模組化 VCO 的封裝密度通常高於離散式 VCO 實作。這些元件有各種不同的輸出頻率、微調範圍和功率輸出位準可供選擇。範例是 Crystek Corporation 的 CRBV55BE-0325-0775 VCO (圖 6)。此元件的長寬為 1.25 x 0.59 in(31.75 x 14.99 mm)，高度為 1.25 in；當輸入電壓範圍介於 0 至 12 V 時，微調範圍介於 325 至 775 MHz。此元件的輸出功率位準為 +7 dB (典型值)，當載波偏移為 10 kHz 時，相位雜訊為 -98 dBc/Hz；在 100 kHz 時為 -118 dBc/Hz。

圖 6：Crystek 的 CRBV55BE VCO 外型圖顯示，此元件相當精巧，尺寸僅為 1.25 x 1.25 x 0.59 in。(圖片來源： Crystek Corporation)

在控制動力學方面，Crystek VCO 的典型微調靈敏度為 45 MHz/V。電源供應推送規格為 0.5 MHz/V (典型值) 和 1.5 MHz/V (最大值)。負載拉動為 5.0 MHz 峰峰值 (最大值)。

單晶片 VCO

VCO 可作為單晶片 IC 實作。單晶片 IC 具有最高的體密度。如同模組化 VCO，單晶片 VCO 是專為特定操作頻寬而設計。以 Maxim Integrated 的 MAX2623EUA+T 為例，此元件採用 8 引腳單一 mMax 封裝，是內含整合式振盪器和輸出緩衝器的自足式 VCO (圖 7)。

圖 7：Maxim Integrated 的 MAX2623 VCO 引腳配置和方塊圖。這是一款傳統的 LC 型 VCO，是以變容二極體來控制電壓。此元件採用 8 引腳封裝並內建輸出緩衝器。(圖片來源：Maxim Integrated)

設計包含一個晶片上槽狀電感和多個變容二極體。電源供應電壓為 +2.7 至 +5.5 V，消耗電流僅為 8 mA。MAX2623 是該產品系列中的三款 VCO 之一，每一款均以預期工作頻率來區別。MAX2623 已經過微調到 885 至 950 MHz 的頻率範圍，這涵蓋工業、科學和醫學 (ISM) 902 至 928 MHz 的頻寬，因此可作為局部振盪器使用。此 VCO 的輸出功率位準在 50 Ω 時為 -3 dBm，相位雜訊為 -101 dBc/Hz (典型值) 和 100 kHz (偏移)。控制電壓範圍為 0.4 至 2.4 V，負載拉動通常為 0.75 MHz 峰峰值。電源供應推送為 280 kHz/V (典型值)。封裝尺寸為 0.12 x 0.12 x 0.043 in(3.03 x 3.05 x 1.1 mm)。

Analog Devices 的 HMC512LP5ETR 是另一種單晶片 VCO 的範例。此 VCO 的頻率覆蓋範圍為 9.6 至 10.8 GHz，使用的微調電壓為 2 至 13 V。主要用途包括衛星通訊、多點無線電和軍事應用 (圖 8)。

圖 8：Analog Devices 的 HMC512LPETR VCO 方塊圖顯示了整合式變容二極體，以及包含整合式諧振器的振盪器核心。(圖片來源：Analog Devices)

此款單晶微波積體電路 (MMIC) VCO 採用 GaA 和 InGaP 異質接面雙極電晶體以取得較寬的頻寬，並使用一個 5 V DC 電源在 50 Ω 負載中獲得 +9 dBm 的輸出功率位準。100 kHz 偏移時的相位雜訊為 -110 dBc/Hz。負載拉動通常為 5 MHz 峰峰值 (典型值)。在 5 V 時，電源供應推送通常為 30 MHz/V (典型值)。此元件採用 QFN 5 x 5 mm 表面黏著式封裝。如圖所示，此 VCO 也包括二分之一頻率和四分之一頻率的輔助輸出。這些分數頻率輸出可用於驅動 PLL 合成器，以便在需要時鎖定 VCO 主輸出的相位，或與其他正時鏈條訊號同步。

這兩種單晶片元件的尺寸都很小，也是此類 VCO 的主要優勢。

結論

無論是離散式、模組化還是單晶片形式的 VCO，都能滿足許多應用所需的電壓型頻率控制。這些元件可用於函數產生器、PLL、頻率合成器、時脈產生器和類比音樂合成器。雖然它們相對簡單，但若要正確使用，就需要深入瞭解其工作方式和關鍵規格。在明確瞭解之後，就能從許多設計和廠商中進行選擇。