- 射頻電路設(shè)計中壓控振蕩器的應用
- 采用差分形式交叉耦合電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)
- 采用以射極跟隨器為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成的buffer
隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信設(shè)備所應用的頻率日益提高,射頻 (RF)和微波(MW)電路在通信系統(tǒng)中得到了廣泛應用,高頻電路設(shè)計也得到工業(yè)界的特別關(guān)注,新型半導體器件制造技術(shù)的不斷發(fā)展更使得高速數(shù)字系統(tǒng)和高頻模擬系統(tǒng)的應用領(lǐng)域不斷擴展。通常這些電路的工作頻率都在1 GHz以上,并且隨著通信技術(shù)發(fā)展,這種趨勢會一直持續(xù)。而射頻電路最主要的應用領(lǐng)域是無線通信,一個典型的無線通信收發(fā)機(tranceiver)的系統(tǒng)包含發(fā)射機電路、接收機電路以及通信天線,可應用于個人通信和無線局域網(wǎng)絡(luò)中。其中模擬電路分為2部分:發(fā)射部分和接收部分。在發(fā)射部分中,將數(shù)一模轉(zhuǎn)換輸出的低頻模擬信號與本地振蕩器提供的高頻載波經(jīng)過混頻器上變頻為射頻調(diào)制信號,然后經(jīng)天線輻射到空間中;在接收部分中,先將從天線耦合進來的空間輻射信號經(jīng)低噪聲放大器放大,然后與本地振蕩信號經(jīng)混頻器下變頻為包含中頻信號分量的信號,經(jīng)濾波后輸入模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后進入數(shù)字處理部分處理。由此可知,提供本地振蕩的壓控振蕩器是射頻電路中必不可少的一部分。同時射頻壓控振蕩器VCO(Voltage Controlled Oscillator)作為鎖相環(huán)、頻率綜合和時鐘恢復等電路的關(guān)鍵模塊,廣泛應用于手機、衛(wèi)星通信終端、基站、雷達、導彈制導系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)、數(shù)字無線通信、光學多工器、光發(fā)射機等電子系統(tǒng)中,對電子系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和成本都有決定性的影響,是RF電路設(shè)計與集成的一個難點。VCO雖然可采用分立元件構(gòu)成,但由于設(shè)計中考慮的參量太多,電路復雜,電路尺寸較大,設(shè)計周期長,難以滿足當今便攜式無線通訊設(shè)備低功耗、低成本、小型化、輕量化、高性能的要求,因此設(shè)計滿足在射頻領(lǐng)域要求的全集成壓控振蕩器對于推動便攜式移動通訊設(shè)備的發(fā)展尤其重要,具有廣闊的市場前景。近年來,人們對壓控振蕩器的研究日益深入。
壓控振蕩器可分為環(huán)路振蕩器和LC振蕩器。環(huán)路振蕩器易于集成,但其相位噪聲性能比LC振蕩器差。為了使相位噪聲滿足通信標準的要求,這里對負阻LC壓控振蕩器進行了分析,利用安捷倫公司的ADS軟件設(shè)計了一款性能優(yōu)異的壓控振蕩器,并對其進行仿真驗證。
1 電路原理及設(shè)計
1.1 buffer的設(shè)計
射極跟隨器(又稱射極輸出器,簡稱射隨器或跟隨器)是一種共集(Common Collector)接法的電路,如圖l所示。它從基極輸入信號,從射極輸出信號。其輸入阻抗高,對前級電路影響小,可作為多級放大器的第1級;輸出阻抗低,帶負載能力強,可作為多級放大器的輸出級。由于其上述2個特點,可以在多級放大器里用作緩沖級。信號從發(fā)射極輸出的放大器。其特點為輸入阻抗高,輸出阻抗低,電壓放大系數(shù)略低于1,帶負載能力強,也可認為是一種電流放大器,常用于阻抗變換和級間隔離。三極管按共集方式連接,即基極與發(fā)射極共地,基極輸入,發(fā)射極輸出,亦稱為共集電極放大器。動態(tài)電壓放大倍數(shù)小于1且接近1,且輸出電壓與輸入電壓同相,但輸出電阻低,具有電流放大作用,因此具有功率放大作用。
圖2是對buffer隔離作用的仿真。通過仿真發(fā)現(xiàn):壓控振蕩器與外部電路相接時,外部電路阻抗的變化不會對壓控振蕩器的阻抗產(chǎn)生影響。 [page]
1.2 電路原理及設(shè)計仿真
壓控振蕩器按構(gòu)成原理可分為反饋型振蕩器和負阻型振蕩器2大類。這里采用負阻型振蕩器,其主要是由負阻器件和諧振回路組成的振蕩器,利用負阻器件的負電阻效應與諧振回路中的損耗正電阻相抵消,維持諧振回路的穩(wěn)定振蕩。圖3為壓控振蕩器電路。
圖3中VQ5,VQ6管的負跨導可以補償振蕩中的電路損耗,為振蕩提供能量。控制電壓Vr控制變?nèi)荻O管電容的變化,以達到控制振蕩頻率的目的。VQ5和VQ6尺寸相同,交叉耦合,忽略溝道調(diào)制效應和體效應等二階效應,可得到其等效電路,如圖4所示。
由于Vce5=Vbe6,Vce6=Vbe5,在振蕩平衡時,A、B兩點的電壓幅度對稱相等,得Vce5=Vce6,則VQ5的集電極到發(fā)射極(即AM兩端)的交流等效電導為: 式中,gmVbe5前面加負號的原因為:此電流源增大時Vce5是減少的?;喪?1)可得:
這是一個負電導。正電阻吸收能量,負電阻提供能量,而此處VQ5的集電極到發(fā)射極的負電導表示晶體管提供能量轉(zhuǎn)換,將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為交流能量。同理,VQ6的集電極到發(fā)射極(即BM兩端)的等效電導為-gm。則單端口網(wǎng)絡(luò)AB的輸入電阻是VQ5、VQ6兩端發(fā)射極輸出電阻的串聯(lián),即 當由單端口網(wǎng)絡(luò)提供的負阻Rm等于并聯(lián)諧振回路的電阻時,負阻提供的能量補充了并聯(lián)諧振電路的損耗,則振蕩維持。振蕩器的諧振頻率等于并聯(lián)諧振頻率,其輸出頻率為:
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利用安捷倫公司的ADS軟件對電路進行仿真,從圖5可看出壓控振蕩器在控制電壓為1.98~3.98 V變化時,振蕩器調(diào)諧范圍為1.14~1.18GHz。圖6為壓控振蕩器電路版圖。2 結(jié)論
介紹一種寬調(diào)頻高頻LC VCO的設(shè)計。其核心電路采用差分形式交叉耦合電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。在與外部電路相接時,考慮到外部電路的變化對壓控振蕩器的影響,采用以射極跟隨器為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成的buffer,消除了外部電路的影響。并且在版圖設(shè)計中采用片上集成電感,實現(xiàn)了整個VC0電路的片上集成,達到設(shè)計要求。