用緩沖放大器解決VCO問(wèn)題

振蕩電路輸出的不良隔離會(huì)造成許多負(fù)面影響，本文描述了圍繞VCO電路出現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題，如：負(fù)載牽引、電源推進(jìn)、相位噪聲和鄰近功率放大器(PA) 輻射能量的影響。說(shuō)明了如何利用VCO緩沖器隔離振蕩器緩解上述問(wèn)題。文中給出了MAX2472/MAX2473 VCO緩沖器的應(yīng)用電路和測(cè)試數(shù)據(jù)。

一般的設(shè)計(jì)慣例是通過(guò)引入緩沖放大器對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行級(jí)間隔離。隔離可以將射頻(RF)中的許多不利影響減到最小。不夠好的輸出隔離會(huì)擾亂振蕩器的性能，所以振蕩器的輸出通常包括緩沖級(jí)。

在 討論增加緩沖放大器之前，我們考慮一些典型的VCO特性以及隔離問(wèn)題是如何降低其性能的。例如，很普遍的一個(gè)問(wèn)題是負(fù)載條件的變化會(huì)使VCO的頻率發(fā)生變 化(頻率牽引)。從VCO輸出看到的阻抗變化會(huì)引起VCO的有源器件結(jié)上DC電壓的變化。例如，雙極型器件集電極到基極電壓(Vcb)的變化會(huì)影響集電極 與基極之間的電容(Ccb)，從而通過(guò)影響整個(gè)槽路的諧振改變振蕩器頻率(圖1)。

圖1. 從這個(gè)Colpitts VCO輸出反射回來(lái)的信號(hào)功率能引起耗盡電流和偏置點(diǎn)的波動(dòng)。其結(jié)果是晶體管Vcb的波動(dòng)改變了Ccb，最終影響到振蕩器的頻率和相位噪聲。

另一個(gè)頻率牽引的現(xiàn)象有時(shí)被稱(chēng)為注入捕獲或注入牽引。它考慮的是距離VCO工作頻率非常近的一個(gè)干擾信號(hào)帶來(lái)的影響。當(dāng)VCO輸出端的干擾信號(hào)幅度足夠大時(shí)，將導(dǎo)致VCO為匹配干擾頻率而使其振蕩頻率產(chǎn)生漂移¹。

另一個(gè)會(huì)被糟糕的輸出隔離影響到的關(guān)鍵因數(shù)是相位噪聲。在過(guò)去的幾年中做了大量的研究以更好的描述振蕩器中相位噪聲的產(chǎn)生。產(chǎn)生相位噪聲的原因包括負(fù)載阻抗 的變化、反射回VCO輸出端的功率、過(guò)量的地電流和由于粗劣的RF電路板設(shè)計(jì)造成的輻射耦合。由這些因素引起的感應(yīng)電壓變化能夠?qū)е掠性雌骷衅秒娏鞯?波動(dòng)、對(duì)Ccb的調(diào)制效應(yīng)、幅度的波動(dòng)和其它能夠降低性能的細(xì)微問(wèn)題²。

足夠的VCO隔離也要依賴(lài)于電路板的布板設(shè)計(jì)，無(wú)論這個(gè)VCO是分 立元件的、集成的還是模塊。VCO的工作狀態(tài)能夠被任何耦合到它的輻射RF能量干擾。能量可以直接耦合到VCO或者通過(guò)其它連接到VCO的電路或?qū)Ь€(xiàn)耦 合。即使是沒(méi)有與VCO連接只是在距離VCO很近的地方經(jīng)過(guò)的導(dǎo)線(xiàn)也可以像天線(xiàn)一樣捕捉到輻射能量后再將其輻射給VCO。如果VCO的噪聲性能很重要，就應(yīng)該時(shí)刻注意板面設(shè)計(jì)是否合適。

在 信號(hào)通道中傳導(dǎo)并反射回VCO輸出的RF能量也可以產(chǎn)生上面討論的問(wèn)題。這種信號(hào)傳導(dǎo)引起的性能降低的一個(gè)原因是RF功率放大器(PA)的開(kāi)、關(guān)操作，這 些操作可以引起信號(hào)通道或其他電路上阻抗的變化，于是將捕獲到輻射的RF能量并通過(guò)信號(hào)通道將其反向傳送。好的PCB面設(shè)計(jì)可以幫助將輻射和傳導(dǎo)引起的 VCO波動(dòng)降低至最小。接地、屏蔽和VCO附近的布線(xiàn)方式都會(huì)影響VCO的工作和VCO緩沖電路能夠?qū)崿F(xiàn)的隔離量。

既然已經(jīng)指出了一些引起 性能降低的原理，了解它們?cè)跓o(wú)線(xiàn)電工作中的具體表現(xiàn)是同樣重要的。當(dāng)反射信號(hào)到達(dá)VCO時(shí)輸出隔離不好會(huì)降低PLL的鎖定時(shí)間。為緩解這一問(wèn)題，將相位檢 測(cè)器輸入與接收機(jī)或發(fā)射機(jī)之間隔離是必要的。無(wú)論是在發(fā)射模式還是接收模式，相位噪聲的增加還會(huì)降低鄰信道保護(hù)。糟糕的VCO隔離還可能造成發(fā)射期間的調(diào) 制失真。

解決輻射干擾問(wèn)題通常需要大量的思考和試驗(yàn)，但我們只需增加一個(gè)VCO緩沖放大器就可以解決傳導(dǎo)干擾的問(wèn)題。如MAX2472這種 集成的緩沖器能夠節(jié)約電路板的資源并為VCO提供完美的隔離。它的電路拓?fù)鋵?duì)于給LO和相位檢測(cè)器提供輸入信號(hào)同時(shí)保持它們和VCO之間的隔離是十分理想 的。

表1中給出的S參數(shù)的簡(jiǎn)明分析體現(xiàn)了MAX2472的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使MAX2472成為解決糟糕的VCO輸出隔離問(wèn)題的完美方案³ (圖2)。VCO和混頻器之間隔離的典型值在900MHz約為44dB，在1900MHz約為30dB。本器件在這些頻率還分別提供10dB和8dB的高 穩(wěn)定度增益。

表1. MAX2472典型的S參數(shù)

圖2. 在900MHz, 這款I(lǐng)C (MAX2472)緩沖放大器具有約10dB的增益并為VCO與混頻器之間提供44dB的隔離。

當(dāng)VCO的輸出只有一個(gè)信號(hào)通道時(shí)，MAX2473也是很好的VCO緩沖器，它能提供更大的反向隔離并使用同樣小的SOT23-6封裝。作為附加的特點(diǎn)，它的可調(diào)節(jié)偏置電流使蜂窩電話(huà)和其它電池供電應(yīng)用中的耗用電流降至最小。

各種各樣的機(jī)理都可以降低移動(dòng)無(wú)線(xiàn)環(huán)境中VCO的性能，但這些問(wèn)題已經(jīng)有解決的辦法。一些問(wèn)題需要大量的分析和精細(xì)的解決方法，另一些問(wèn)題則可以容易地解決。小尺寸，集成的VCO緩沖器MAX2472/MAX2473能夠?yàn)檫@些VCO問(wèn)題提供簡(jiǎn)單的解決方案。