中频压控振荡器的IC简化实现

新的集成电路系列可以简化为if应用开发紧凑型固定频率压控振荡器（vco）的任务。
设计用于固定中频（if）的 vco 可能令人望而生畏。幸运的是，maxim的vco ic （max2605-max2609）可以简化任务。与传统的分立器件vco相比，maxim器件成本更低，需要的印刷电路板空间更小。
在传统的 if vco 设计中，振荡器内核和输出缓冲级由分立晶体管、电阻、电容器和电感组成（图 1）。该谐振箱由频率设置电感器、变容二极管、耦合电容器和反馈电容器组成的网络构成。输出级使用电抗元件将输出阻抗与特定负载阻抗相匹配。
图1.该原理图显示了使用分立电路元件实现的if vco。
为了确保设计成功，元件值不仅必须建立所需的标称振荡频率，而且还必须保证足够的调谐范围、适当的偏置、振荡器在所有条件下的启动以及适当的输出级性能。即使采用良好的一阶设计，也会出现问题，因为电流消耗、启动裕量、频率调谐范围和相位噪声之间存在权衡。
分立式中频vco设计的一个主要缺点是所需的pcb面积很大。必须花费大量精力将布局优化到6mm x 10mm以下。此外，印刷电路板布局对vco的性能和设计精度也有着关键的影响。布局包含影响振荡频率的寄生电容和电感，因此必须考虑在内才能正确实现振荡器。寄生元件通常会在标称振荡频率中带来不希望的偏移，从而导致更大的设计中心误差，并最终迫使需要更大的调谐范围来解释这些误差。
max2605-max2609 if vco系列提供了更好的选择。这五款ic专为中频频率在45mhz至650mhz范围内的低功耗、固定和单频便携式无线应用而设计。大部分所需电路都包含在片内;只有谐振电感器（建立振荡频率）是外部的。
一旦选择了正确的外部电感值，ic就会保证调谐电压范围内（+0.4vdc至+2.4vdc）中的某个电平将调谐到相应的频率。ic的调谐电压输入可直接从锁相环（pll）之后的环路滤波器输出驱动。max2605-max2609 ic设计用于+2.7vdc至+5.5vdc范围的电源电压，电源电压连接无需特殊调节即可正常工作。每个 ic 均采用纤巧的 6 引脚塑料 sot23 封装（图 2）。
图2.max2605-max2609 if vco ic采用6引脚表贴sot23封装，设计占用最小的印刷电路板空间。
max2605的调谐频率范围为45mhz至70mhz，载波在100khz时相位噪声为-117dbc/hz。对于其他器件，这些参数包括：载波100khz时调谐为70mhz至150mhz、相位噪声为-112dbc/hz（max2606）、150mhz至300mhz（-107dbc/hz）（max2607）、300mhz至500mhz（-100dbc/hz）（max2608）和500mhz至650mhz（-93dbc/hz）（max2609）。
频率调谐范围、偏置、启动和其他振荡器特性都在ic内进行管理，消除了通常与vco设计相关的设计难题。片内变容二极管和电容无需外部调谐元件，简化了if vco设计。电感与振荡频率的关系图（参见max2605-max2609数据资料）进一步简化了选择外部电感的任务。
max2605系列为rf设计人员提供了几个重要的新优势。ic设计用于创建无需微调且无需外部调整的vco。为了适应双变频系统中的预期系统if范围，它们被设计为涵盖广泛的应用频率。此外，它们还具有灵活的输出接口，有助于降低中频vco的成本并缩小最终设计的尺寸。
由于max2605-max2609代表了vco中的一个新概念，因此它们需要一种全新的电路方法来实现产品目标。maxim设计了一种基于可靠灵活的colpitts振荡器结构的振荡器方案。这种拓扑结构经过调整，使得所有振荡器电路元件（电感器除外）都可以集成到ic中。在片上集成几乎整个振荡器可提供良好vco所需的所有工作目标：适当的振荡器启动、宽频率范围、无微调操作所需的调谐特性、受控的电流消耗以及独立于温度和电源电压的偏置。
片外电感器允许vco在非常宽的工作频率范围内应用。片内电容保持不变，但改变外部电感值会改变振荡器谐振电路的谐振频率。如果电感具有最小品质因数（q），则可以保证相位噪声和启动行为（图3）。
图3.max2605-max2609 vco ic的简化电路图显示，只需一个外部电感即可完成振荡频率的振荡电路。
为了实现这种新方法，ic技术需要完整的有源和无源元件，以支持所示振荡器电路的构建。具体而言，工艺技术必须提供高频晶体管、高q值电容器、具有高电容比的高q值变容二极管以及pnp或pmos器件。
max2605-max2609采用硅bicmos工艺制造，专为rf集成电路开发，包括单芯片振荡器结构。该工艺的特点是pnp，nmos和pmos器件，具有转换频率（ft）的 25ghz、电容比优于 2：1 的低串联电阻变容二极管（适用于 0.4v 至 2.4v 的调谐电压）、超高 q 值金属绝缘体金属（mim） rf 电容器、精密薄膜电阻器和三层金属。
这些完整的器件补充允许实现完整的ic。vco设计需要仔细和广泛的计算机仿真，包括性能各个方面之间的多次设计迭代，以确保在所有操作条件下都能保证所有规格和要求。
最后，为了保证振荡器具有足够的频率调谐范围，以应对元件容差引起的工作频率偏移，maxim选择对器件进行生产测试，并保证一组频率限值。这些限值为max2605-max2609用户提供了一组有保证的高频和低频调谐限值（f.max和 f最低），其中通过的ic具有振荡频率（f理学学士。) max2605-max2609应用高度简化，易于理解。涉及两个简单的步骤：
选择并实现外部电感以设置所需的振荡频率。
将输出级与负载进行电阻或电抗匹配（图 4）。
图4.这个简单的原理图代表了max2605-max2609 vco ic的典型应用。
标称工作频率（f名词）所需的vco仅由ind（引脚1）处的有效外部电感值决定，该值由曲线确定（图5）。
图5.该图包含所需的总调谐电感值（lf），作为max2607 vco ic所需振荡频率（150mhz至300mhz）的函数。
电感值（lf），所需工作频率所需的值不一定与表面贴装技术（smt）电感器的任何标准值一致，后者通常以相差约1.2倍的步长增加。在这种情况下，为了达到所需的值，电感必须由两个电感构成：lf1和 lf2.lf1应选择为低于所需值的最接近的标准值。然后，选择 lf2作为最接近的标准值，刚好小于lf， mf1.lf1应遵守最低 q 要求，但 lf2可以作为低成本的薄膜smt类型实现。由于它的值小于总量的 20%，因此其较低的 q 对整体 q 的影响很小。
还允许通过实现带有pc板走线的少量电感来调整总电感值。对于max2608/max2609电路，电感值为lf2有时作为接地短路的 pc 板走线比作为 smt 电感器更精确地实现。一旦在引脚ind处建立了所需的电感值，vco就可以保证在所有元件变化、工作温度和电源电压范围内调谐到该振荡频率。
max2605-max2609vco在振荡器内核之后包括一个差分输出放大器。放大器级提供有价值的隔离，并为混频器和/或pll预分频器等if功能提供灵活的接口。输出可以是单端或差分，但在差分输出模式下可实现最大输出功率和最低谐波输出。集电极开路输出（out- 和 out+）都需要一个上拉元件至集电极电压（vcc).输出级可采用上拉电阻器或电感器。上拉电阻是形成输出接口的最直接方法，适用于工作频率较低或只需要适度电压摆幅的应用。
当工作频率高于负载电阻/电容网络的3db带宽和/或需要更大的电压摆幅或输出功率时，需要无功功率匹配。匹配网络是带有并联电感器和串联电容器的简单电路。为了给输出级提供直流偏置，电感器从out和out+连接到v抄送，串联电容器从 out- 和 out+ 连接到负载。电感和电容器的值根据工作频率和负载阻抗进行选择。输出与任何常规差分输出一样应用。唯一的限制是需要上拉到 v抄送以及 out- 和 out+ 处的电压摆幅限制。
比较应用每种方法所需的设计时间，可以发现存在巨大差异。所示的经典/分立式方法非常耗费设计资源，分立式中频vco的成功开发可能需要数周时间。在达到稳健、可制造的设计之前，可能需要多次迭代。另一方面，max2605-max2609可以在几分钟内设计出vco，然后在一个下午进行验证和测试！
由于max2605-max2609解决了频率调谐范围、偏置和启动等问题，因此完全消除了vco设计通常涉及的困难任务。您只需根据所需的振荡频率和输出负载选择外部电感值。通过从max2605-max2609数据资料中给出的图表中读取所需的电感值，可以轻松完成此任务。
在物料清单成本方面，max2605-max2609与传统的分立式中频vco相当。在制造方面，maxim的器件可以支持更便宜的if vco，因为需要放置的元件更少，每个元件节省0.03美元。