壓控振蕩器的電路設(shè)計第1頁共32頁1緒論1.1壓控振蕩器原理及發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)節(jié)可變電阻或可變電容可以改變波形發(fā)生電路的振蕩頻率，要求波形發(fā)生電路的振蕩頻率與控制電壓成正比。這種電路稱為壓控振蕩器，又稱為VCO或u-f轉(zhuǎn)換電路。怎樣用集成運放構(gòu)成壓控振蕩器呢？我們知道積分電路輸出電壓變化的速率與輸入電壓的大小成正比，如果積分電容充電使輸出電壓達到一定程度后，設(shè)法使它迅速放電，然后輸入電壓再給它充電，如此周而復始，產(chǎn)生振蕩，其振蕩頻率與輸入電壓成正比，即壓控振蕩器。其特性用輸出角頻率0與輸入控制電壓Cu之間的關(guān)系曲線(圖1.1)來表示。圖中Cu為零時的角頻率，（0，0）稱為自由振蕩角頻率；曲線在（0，0）處的斜率0K稱為控制靈敏度。使振蕩器的工作狀態(tài)或振蕩回路的元件參數(shù)受輸入控制電壓的控制，就可構(gòu)成一個壓控振蕩器。在通信或測量儀器中，輸入控制電壓是欲傳輸或欲測量的信號（調(diào)制信號）。人們通常把壓控振蕩器稱為調(diào)頻器，用以產(chǎn)生調(diào)頻信號。在自動頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個受控部件。圖1.1壓控振蕩器的控制特性壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對壓控振蕩器的技術(shù)要求主要有：頻率穩(wěn)定度好，控制靈敏度高，調(diào)頻范圍寬，頻偏與控制電壓成線性關(guān)系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)壓控振蕩器的電路設(shè)計第2頁共32頁頻范圍窄，RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。壓控振蕩器（VCO）是一種振蕩頻率隨外加控制電壓變化的振蕩器，是頻率產(chǎn)生源的關(guān)鍵部件。頻率產(chǎn)生源是大多數(shù)電子系統(tǒng)必不可少的組成部分，更是無線通信系統(tǒng)的核心。在許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，VCO是可調(diào)信號源，用以實現(xiàn)鎖相環(huán)（PLL）和其他頻率合成源電路的快速頻率調(diào)諧。VCO已廣泛用于手機、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)射機和其他電子系統(tǒng)。VCO對電子系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和成本都有決定性的影響。相位噪聲是VCO的一項關(guān)鍵參數(shù)。低相位噪聲的VCO將提高通信系統(tǒng)的頻帶利用率，增加數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，這是VCO對電子系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的一個例證。電子裝置和電子系統(tǒng)的發(fā)展不斷推動著VCO技術(shù)的更新與進步。從現(xiàn)代和將來的無線系統(tǒng)，特別是無線移動通信系統(tǒng)，不僅具有很高的工作頻率，而且對小型化，輕量化，高性能化，多功能化，低功耗化和低成本化方面的要求不斷提高且日益迫切。為適應這一需求，人們利用先進的微電子技術(shù)。表面安裝技術(shù)(SMT).表面安裝元器件(SMC和SMD)技術(shù)和現(xiàn)代電路設(shè)計等，建立了全新的VCO技術(shù)，開發(fā)了許多工作頻率高，性能優(yōu)異，體積微校價格合理的VCO產(chǎn)品投放市場，形成了新一代微波VCO系列1。20世紀80年代末、90年代初，移動電話迅速發(fā)展，對帶封裝的振蕩器組件的需求也日益增長。這為VCO組件的發(fā)展提供了難得的市場機遇。隨著新型無線應用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，各VCO組件廠商開發(fā)了適合不同應用領(lǐng)域所需頻率的產(chǎn)品。由于表面安裝元件的不斷小型化，新開發(fā)的VCO組件的尺寸也越來越小，成本也越來越低。VCO組件在15年中其尺寸急劇減小，滿足了蜂窩電話等新型無線移動裝置對小型化的要求。20世紀90年代末期，出現(xiàn)了一種尺寸更小、成本更低的VCO技術(shù)，這就是單片集成VCO技術(shù)。單片集成VCO是一種半導體集成電路器件，其全部電路元件均集成在同一芯片上。這種器件像VCO組件一樣，是一個完整的VCO，具有封裝和外引線。首批單片集成VCO采用2英寸GaAsIC工藝和單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)制造，是為衛(wèi)星接收機和雷達系統(tǒng)研制的。其工作頻率高達數(shù)GHz，但成本高昂。大多數(shù)早期單片GaAsVCO的研究工作都是針對軍事應用展開的，很少涉及民用領(lǐng)域。在20世紀80年代，Si-IC技術(shù)還是一種低頻技術(shù)，不能為單片集成VCO提供上千兆赫茲的工作頻率和所需的帶寬2。經(jīng)過研究與開發(fā)，1990年Si-IC技術(shù)在高頻化和無源元件集成方面獲得重大進展，開發(fā)成功工作頻率很高的晶體管、變?nèi)荻O管和單片集成的高Q值電感器與高頻電容器。壓控振蕩器的電路設(shè)計第3頁共32頁這為高頻硅單片集成VCO的研究與開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，要求大批量提供成本低、體積小、工作在8002500MHz頻段的VCO。人們?yōu)榇碎_展了大量的研究與開發(fā)工作。硅單片VCOIC由高頻雙極晶體管IC技術(shù)和SiCMOS-IC技術(shù)研制而成。在硅單片VCOIC的研制過程中，學術(shù)研究機構(gòu)通常采用獲得廣泛應用的SiCMOS-IC技術(shù)，而工業(yè)界則采用RFIC專用的BiCMOS技術(shù)。硅單片集成VCO體積更小、成本更低并適合大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，而且可以采用RF收發(fā)前端的工藝技術(shù)進行制造。這表明，VCO可以與混頻器、低噪聲放大器、鎖相環(huán)等其他RF收發(fā)前端的功能電路模塊實現(xiàn)集成。正是由于硅單片VCOIC具備這些潛在的優(yōu)勢，盡管早期產(chǎn)品性能欠佳，但人們對它的研究工作一直沒有停頓。通過不斷改進，其產(chǎn)品已廣泛應用于無繩電話、藍牙裝置、WLAN、GPS、DBS等無線裝置與系統(tǒng)之中。單片集成低相位噪聲SiGeVCO技術(shù)近年來，SiGeBiCMOS技術(shù)的發(fā)展令人矚目，現(xiàn)已成為單片集成VCO最有前途的制造技術(shù)。用SiGeBiCMOS技術(shù)制造的單片集成VCO具有相位噪聲低等眾多優(yōu)異性能，可完全滿足GSM.CDMA.WCDMA和無線LAN等現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)的要求。SiGeBiCMOS技術(shù)具有一系列優(yōu)于SiBiCMOS技術(shù)和GaAsIC技術(shù)的性能，現(xiàn)已在無線通信系統(tǒng)IC芯片制造中獲得廣泛應用。SiGeBiCMOS技術(shù)采用SiGeHBT作有源器件，這是它與常規(guī)SiBiCMOS技術(shù)的主要區(qū)別。SiGeHBT是基區(qū)為SiGe應變層。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)為硅的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，具有工作頻率高?；鶚O電阻低。擊穿電壓高等優(yōu)異特性，其微波特性尤為突出。SiGeHBT的特征頻率已達到210GHz的高水平。在微波頻段，SiGeHBT已成為GaAs器件的競爭對手。此外，SiGe的制造工藝可以同常規(guī)SiIC工藝相兼容。這種工藝兼容性使SiGe器件可以沿用硅大圓片IC的生產(chǎn)設(shè)施來進行制造。其生產(chǎn)成本比GaAsIC技術(shù)低得多。利用SiGeBiCMOS技術(shù)容易在同一芯片上實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的RF前端。基帶信號處理電路和數(shù)字信號處理電路的集成。采用SiGeBiCMOS技術(shù)制造單片集成VCO有許多優(yōu)點，尤其在VCO相位噪聲的降低方面作用突出。SiGeBiCMOSHBT改進了相位噪聲本底電平和小頻偏相位噪聲。VCO的相位噪聲本底電平由有源器件的散粒噪聲。振蕩電路中有源器件與無源器件的熱噪聲和偏置電路的注入噪聲共同決定。SiGeHBT不僅特征頻率很高，而且噪聲系數(shù)很小，對設(shè)計低相位噪聲VCO特別有利。有源器件的最小噪聲系數(shù)是決定VCO噪聲本底電平高低的主要因素。小頻偏相位噪聲主要同VCO振蕩電路的加載Q值。VCO有源器件的閃爍噪聲與角頻率有關(guān)。SiGeHBT的閃爍噪聲小，角頻率也很低。這對降低壓控振蕩器的電路設(shè)計第4頁共32頁小頻偏相位噪聲十分有利。SiGeBiCMOS技術(shù)除了能制造性能優(yōu)良的HBT之外，還能制造優(yōu)質(zhì)無源元件。這些片上集成的電感器，電容器等優(yōu)質(zhì)無源元件也為設(shè)計制造單片集成低相位噪聲VCO創(chuàng)造了有利條件。SiGeBiCMOS技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成0.5mm.0.25mm和0.18mm三代不同水平的SiGe技術(shù)。運用SiGeBiCMOS技術(shù)研究，開發(fā)單片集成VCO，已經(jīng)取得了許多成果。有三種全集成VCO業(yè)已開發(fā)成功，其芯片均采用0.5mmSiGeBiCMOS生產(chǎn)工藝制造。今后，VCO技術(shù)的研究與開發(fā)工作將繼續(xù)圍繞VCO組件和單片集成VCO展開。但是，全集成單片VCO技術(shù)是研究工作的重點，也是未來VCO技術(shù)的發(fā)展方向。為了適應現(xiàn)代無線系統(tǒng)發(fā)展的要求，VCO組件不斷向小型、高頻、寬帶、高輸出化和特性多樣化方向發(fā)展。將采用新的超小型元件和更先進的薄膜技術(shù)與表面安裝技術(shù)，繼續(xù)推進VCO組件封裝的微型化和表面安裝化。通過晶體管的改進及振蕩電路的開發(fā)，解決好小型化帶來的諧振器Q值降低的問題和低功耗引起的特性劣化問題。第四代移動電話以及其他工作在微波頻段高端的無線系統(tǒng)需要VCO組件進一步提高工作頻率，實現(xiàn)VCO組件的高頻化。開發(fā)工作頻率更高的微波VCO組件是未來十分重要的研究課題。SiGeBiCMOS等RFIC基礎(chǔ)工藝技術(shù)正在不斷發(fā)展與進步。半導體工藝制造有源器件與無源器件將具有更好的性能。現(xiàn)在，即使用Si工藝技術(shù)，也可制得Tf超過50GHz的晶體管和高Q值、大電容變比、低串聯(lián)電阻的優(yōu)質(zhì)變?nèi)荻O管。這類工藝技術(shù)還具有襯底損耗低、金屬化層厚、器件寄生元件少等特點。利用這類工藝技術(shù)可以制造相位噪聲低、工作頻率高、工作電流小的單片集成VCO。現(xiàn)代無線系統(tǒng)，尤其是現(xiàn)代無線移動通信系統(tǒng)，不僅要求VCO自身小型化和低成本化，而且希望VCO能同頻率合成器與收發(fā)機的其他單元電路進行單片集成，以達到減小整機體積和成本的目的。此外，單片集成VCO的設(shè)計理論也在深化，設(shè)計技術(shù)也越來越先進。差分放大器、幅度控制、二次諧波抑止器、IC耦合變壓器、復合振蕩器、高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)正不斷被納入單片集成VCO的設(shè)計之中。利用單片集成VCO技術(shù)把優(yōu)質(zhì)VCO同收發(fā)機電路集成在一起的新產(chǎn)品不斷問世3。VCO發(fā)展至今已有80多年的歷史，從早期的電子管VCO，經(jīng)過分立晶體管VCO，VCO組件，最終實現(xiàn)VCO的單片集成。VCO是頻率源的關(guān)鍵器件，已廣泛應用于各種電子系統(tǒng)之中。VCO的性能對電子系統(tǒng)有決定性的影響。現(xiàn)代無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展促進VCO高頻化，形成了新一代微波VCO。VCO組件和單片集成VCO是微波VCO的主要結(jié)構(gòu)形式，是目前無線系統(tǒng)采用的主流產(chǎn)品。雖然，在總體性能水平方面，壓控振蕩器的電路設(shè)計第5頁共32頁單片集成VCO目前還不如VCO組件好，但它具有集成優(yōu)勢，仍然是VCO未來發(fā)展的方向。在RFIC工藝技術(shù)中，SiGeBiCMOS技術(shù)是單片集成VCO最有前途的制造技術(shù)。1.2集成運算放大器原理及組成運算放大器是目前應用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運放結(jié)構(gòu)不同，但對于外部電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路，輸入級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差動放大電路（抑制電源），中間級一般采用有源負載的共射負載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級一般采用互補對稱輸出級電路（提高電路驅(qū)動負載的能力），這里只是簡單的介紹一下，具體的實現(xiàn)比較復雜4。運算放大器的性能指標包括5個，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。（開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小，要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。共模抑制比放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路，CMRR越大越好。）但是我們涉及到的只是要求輸入端等效電阻無窮大，開環(huán)增益無窮大5。圖1.2運算放大器特性曲線圖1.3運算放大器輸入輸出端圖圖1.2是運算放大器的特性曲線，一般用到的只是曲線中的線性部分，如圖1.3所示。U對應的端子為“-”，當輸入U單獨加于該端子時，輸出電壓與輸入電壓U反相，故稱它為反相輸入端。U對應的端子為“”，當輸入U單獨由該端加入時，輸出電壓與U同相，故稱它為同相輸入端。輸出：0U=A(U-U)；A稱為運算放大器的開環(huán)增益（開環(huán)電壓放大倍數(shù)）。在實際運用經(jīng)常將運放理想化，這是由于一般說來，運放的輸入電阻很大，開環(huán)增壓控振蕩器的電路設(shè)計第6頁共32頁益也很大，輸出電阻很小，可以將之視為理想化的，這樣就能得到：iR，00R，A。由A得到U=U，于是兩個輸入端可以近似看作短路（稱為“虛短”），如果同向輸入端接地，反向輸入端與地幾乎同電位（稱為“虛地”）。由iR可知，輸入端電路近似等于0，故可把輸入端看作是斷路（稱之為“虛斷”）6。集成運算放大器由輸入級，中間級，輸出級和偏置電路組成，如圖1.4。圖1.4運算放大器組成(1)輸入級：高性能差放電路，輸入電阻大，共模抑制比大，靜態(tài)電流小。(2)中間級：復合管共射電壓放大電路，提供電壓放大。(3)輸出級：互補對稱輸出電路，帶載能力強，失真小。(4)偏置電路：電流源電路，提供合適的靜態(tài)工作點。1.3論文的研究內(nèi)容本課題的主要研究內(nèi)容是采用集成運算放大器設(shè)計壓控振蕩器的電路，并使用EWB仿真工具對其進行仿真。包括壓控鋸齒波發(fā)生器電路、壓控矩形波發(fā)生器電路、壓控三角波發(fā)生器電路、壓控方波發(fā)生器電路。所設(shè)計的電路應具有相應的功能及較好的性能。設(shè)計中要掌握電子電路設(shè)計的基本方法包括設(shè)計步驟、設(shè)計公式、參數(shù)計算及電子元器件的選擇，掌握EWB在電子電路設(shè)計中的應用。壓控振蕩器的電路設(shè)計第7頁共32頁2EWB2.1EWB概述及其使用經(jīng)驗ElectronicsWorkbench(簡稱EWB)即虛擬電子實驗臺。它是加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出的以Windows為系統(tǒng)平臺的電路分析和設(shè)計軟件，適用于板級模擬數(shù)字電路的設(shè)計工作。用電子模擬仿真軟件EWB分析、設(shè)計電路，具有工作界面優(yōu)化、直觀的特點，比較符合電路設(shè)計的一般步驟，而且實驗數(shù)據(jù)曲線比較完整，具有較強的電路仿真分析能力，電路設(shè)計者在設(shè)計電路過程中，可以不斷地修改電路和參數(shù)，即時觀察輸出結(jié)果并進行仿真調(diào)試，用電子模擬仿真軟件EWB進行電子電路設(shè)計的