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1、压控振荡器VCO技术综述1. 前言压控振荡器(voltage-controlled oscillator, VCO) 是一种以电压输入来用来控制振荡频率的电子振荡电路,是现代无线电通信系统的重要组成局部课题。在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低开展的趋势下，应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题。环形振荡器易于集成，可调频率范围大，但相位噪声不如性能不如LC振荡器。LC压控振荡器要求高品质因素的无源器件，需要片上电感和变容管器件才能集成集成。振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技
2、术开展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的根本部件。随着电子技术的迅速开展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位
3、。2. 主题 VCO的开展过程 上世纪初，Armstrong创造了电子管振荡器，经Hartley改良电路设计并开发成功电子管VCO。电子管VCO的振荡频率是通过改变振荡电路中电感器或电容器的参数值来进行调节。当时人们对电子管振荡电路开展了大量的研究，今天仍在沿用的Hartley，Colpitts，Clapp，Armstrong，Pierce等经典振荡电路结构，就是当时的研究成果。上世纪中叶，晶体管问世并很快取代电子管成为振荡电路的有源器件。特别是变容二极管的应用对VCO的开展具有重要意义。变容二极管的电容随外加电压的改变而变化，用变容二极管作压控器件，改变其控制电压就可实现VCO振荡频率的调节
4、。这样，晶体管、变容二极管和其他无源元件就构成了分立式的晶体管VCO。这种晶体管VCO实现了振荡频率的电子调谐，这是变容二极管对VCO开展的重大奉献。与电子管VCO相比拟，晶体管VCO具有电子调谐、体积小、本钱低、功耗小、质量好、调频范围设置简便等优点。晶体管VCO的开展也是是电视技术能在当时迅速推广的重要原因。1960年至1980年，晶体管VCO被电子系统设计所广泛采用。到了1980年，情况发生了变化，混合集成的VCO组件和单片集成的VCO IC出现了。这两种新技术对VC0的开展产生了重要的影响。VCO从此就开始步入现代VCO技术的开展时期。各种VCO技术的寿命期与时间的关系示于图l。该图简
5、要地说明了VCO技术在过去80多年里的开展历程。图1 各种VCO技术寿命期 变容二极管、电容器、电感器等元器件的小型化为制造VCO组件创造了条件。VCO组件是一种混合集成电路器件，具有封装和外引线。虽然分立元件的晶体管VCO具有按用户要求设计工作频率和调谐范围的灵活性，但一般在生产中都需要消耗大量的人工对确定频率的元件进行调试，以消除元件误差对频率的影响。此外，分立元件VCO需要良好的屏蔽，其尺寸也比拟大。分立元件的VCO已不能完全满足现代无线电子系统开展的要求。20世纪80年代末、90年代初，移动 迅速开展，对带封装的振荡器组件的需求也日益增长。这为VCO组件的开展提供了难得的市场机遇。随着
6、新型无线应用领域的不断开展，各VCO组件厂商开发了适合不同应用领域所需频率的产品。由于外表安装元件的不断小型化(1206，0805，0603，0402和0201)，新开发的VCO组件的尺寸也越来越小，本钱也越来越低。图2说明了现代商用VCO组件尺寸随时间减小的变化情况。目前，VCO组件到达了新的水平，其体积已减小到4 mm5mm2mm，大批量供货VCO的销售单价已降至1美元左右。VCO组件在15年中其尺寸急剧减小，满足了蜂窝 等新型无线移动装置对小型化的要求。VCO组件体积变化过程图2 20世纪90年代末期，出现了一种尺寸更小、本钱更低的VCO技术，这就是单片集成VCO技术。单片集成VCO是一
7、种半导体集成电路器件，其全部电路元件均集成在同一芯片上。这种器件像VCO组件一样，是一个完整的VCO，具有封装和外引线。首批单片集成VCO采用2英寸GaAs IC工艺和单片微波集成电路(MMIC)技术制造，是为卫星接收机和雷达系统研制的。其工作频率高达数GHz，但本钱高昂。大多数早期单片GaAs VCO的研究工作都是针对军事应用展开的，很少涉及民用领域。在20世纪80年代，Si-IC技术还是一种低频技术，不能为单片集成VCO提供上千兆赫兹的工作频率和所需的带宽。 经过研究与开发，1990年Si-IC技术在高频化和无源元件集成方面获得重大进展，开发成功工作频率很高的晶体管、变容二极管和单片集成的
8、高Q值电感器与高频电容器。这为高频硅单片集成VCO的研究与开发奠定了技术根底。无线移动通信系统的开展，要求大批量提供本钱低、体积小、工作在8002500MHz频段的VCO。人们为此开展了大量的研究与开发工作。1992年，美国California大学首先报道了硅单片VCO IC的研究成果。其后，对硅单片VCO IC的研究进入繁荣期，采用不同技术方案的硅单片VCO IC相续问世。硅单片VCO IC由高频双极晶体管IC技术和SiCMOS-IC技术研制而成。在硅单片VCO IC的研制过程中，学术研究机构通常采用获得广泛应用的SiCMOS-IC技术，而工业界那么采用RFIC专用的BiCMOS技术。硅单片
9、集成VCO体积更小、本钱更低并适合大批量生产的产品，而且可以采用RF收发前端的工艺技术进行制造。这说明，VCO可以与混频器、低噪声放大器、锁相环等其他RF收发前端的功能电路模块实现集成。正是由于VCO IC具备这些潜在的优势，尽管早期产品性能欠佳，但人们对它的研究工作一直没有停顿。通过不断改良，其产品已广泛应用于无绳 、蓝牙装置、WLAN、GPS、DBS等无线装置与系统之中。表1列出了一些单片集成VCO的应用实例。表1 含有单片集成VCO的商用RFIC实例目前，单片集成VCO还不能用于对相位噪声要求很高的应用领域。像GSM、CDMA等具有高数据速率的移动 系统，还只能使用VCO组件。 VCO技
10、术的开展趋势今后，VCO技术的研究与开发工作将继续围绕VCO组件和单片集成VCO展开。但是，全集成单片VCO技术是研究工作的重点，也是未来VCO技的开展方向为了适应现代无线系统开展的要求，VCO组件不断向小型、高频、宽带、高输出化和特性多样化方向开展。将采用新的超小型元件和更先进的薄膜技术与外表安装技术，继续推进VCO组件封装的微型化和外表安装化。通过晶体管的改良及振荡电路的开发，解决好小型化带来的谐振器Q值降低的问题和低功耗引起的特性劣化问题。第四代移动 以及其他工作在微波频段高端的无线系统需要VCO组件进一步提高工作频率，实现VCO组件高频化。开发工作频率更高的微波VCO组件是未来十分重要
11、的研究课题。SiGe BiCMOS等RF IC根底工艺技术正在不断开展与进步。半导体工艺制造有源器件与无源器件将具有更好的性能。现在，即使用Si工艺技术，也可制得 超过50GHZ的晶体管和高Q值，大电容变比，低串联电阻的优质便容二极管。这类工艺技术还具有衬底损耗低，金属化层厚，器件寄生元件少，工作频率高，工作电流小的单片集成VCO。现代无线系统，尤其是现代无线移动通信系统，不仅要求VCO自身小型化和低本钱化，而且希望VCO能同频率合成器与收发机的其他单元电路进行单片集成，以到达减少整机体积和本钱的目的。此外，单片集成VCO的设计理论也在深化，设计技术也越来越先进。差分放大器，幅度控制，二次谐波
12、抑制器，IC耦合变压器，复合振荡器，高频结构设计等技术正不断被纳入单片集成VCO的设计之中。利用单片集成VCO技术把优质VCO同收发机电路集成在一起的新产品不断问世。例如在WLAN和蓝牙装置中，最新的收发机就把高质量的VCO同RF收发前端IC集成在一起，使其尺寸大大减小。 WLAN系统2.4GHZ 802.11b型和5GHZ 802.11a型要求VCO具有很低的相位噪声。由于RF IC VCO技术的不断开展，卫星接收机，CATV机顶盒，无线数据装置，无绳 ，移动 等商用RF系统与装置越来越多地采用集成化频率源。显然，在大规模商业应用领域中，单片集成VCO占有的市场份额将不断增大，而分立元件VC
13、O和VCO组件占有市场将逐步减小。单片集成VCO在大规模商用无线系统中占主导地位的时代很快就会到来。VCO技术已经实现了从笨重的电电子管VCO电路到面积小于1平方毫米Si IC的跨越。3. 总结VCO是频率源的关键器件，已广泛应用于各种电子系统之中。VCO的性能对电子系统有决定性的影响。现代无线移动通信系统的开展促进VCO高频化，形成了新一代微波VCO。VCO组件和单片集成VCO是微波VCO的主要结构形式，是目前无线系统采用的主流产品。虽然，在总体性能水平方面，单片集成VCO目前还不如VCO组件好，但它具有集成优势，仍然是VCO未来开展的方向。在RF IC工艺技术中，SiGe BiCMOS技术
14、是单片集成VCO最有前途的制造技术。来源于：ISO/IEC JTC1/SC29/WG1 (ITU-SG8) N2058, JPEG2000 is now an International Standard, 9 March 2001.附：英文原文voltage controlled oscillator 1 PrefaceVoltage controlled oscillator ( voltage-controlled oscillator, VCO ) is a kind of voltage input to control the oscillation frequency of th
15、e oscillating circuit, is a modern radio communication system is an important part of task 1 2. In the integrated circuit to the smaller size, less power consumption, higher frequency, lower price trends, application standard process design and production of high performance voltage controlled oscil
16、lator RF integrated circuit is an important subject in the. The ring oscillator is easy to be integrated, the adjustable frequency range, but better performance than LC oscillator phase noise. LC VCO requirements quality factors of passive devices, need the on-chip inductor and varactor devices to integrate 3.Oscillator since its birth has been in communication, elec
