单位代码学号_*********分类号_ _ _密级_ _ _文献综述跟踪VCO的发展院（系）名称信息工程学院专业名称通信工程学生姓名郭威指导教师宋家友2012年5月2日跟踪VCO技术的发展摘要随着人们生活水平的不断提高和电子科技的飞速发展，特别是近年来物质生活水平的提高，人们相互之间交往所利用的通信手段也越来越多，人们不断追求生活方式的多样化和个性化；电子科学的发展尤其是无线通信的快速发展给人们工作和生活注入了新的色彩；人们可以随心所欲地享受着无线通信工具所带来的乐趣。

本文记录了自1910年以来压控振荡器(VCO)的发展历史，给出了在RF IC中集成VCO的实例。

文章阐述了相关技术，并探讨了产品性能、尺寸的演进过程。

文章还预测了未来的发展趋势。

关键词：压控振荡器，谐振回路，变容二极管1引言压控振荡器(VCO)在无线系统和其它必须在一个范围的频段内进行调谐的通信系统中是十分常见的组成部分。

许多厂商都提供VCO产品，它们的封装形式和性能水平也是多种多样。

现代表面贴装的射频集成电路(RFIC) VCO继承了近百年来的工程研究成果。

在这段历史中，VCO技术一直在不断的改进中，产品外形越来越小而相位噪声和调谐线性度越来越好。

2振荡器电路的发展与分类2.1振荡器的发展自从Edwin Armstrong提出外差原理以来，振荡器就成为了最基本的元件。

在这种应用中，振荡器将正弦信号输入到非线性混频器元件中，混频器通过将振荡器信号与其它输入信号相乘实现频率变换[1]。

当然，Armstrong意识到，为了控制频率变换他需要一个可以产生具有相应频率的稳定正弦时变电压(或电流)的电子电路。

大约就在那时，他发现可以通过配置Audion (一种早期的真空管)来产生振荡，于是他发明了第一个电子振荡器** (不同于早期无线发射机中使用的那种原始的火花隙振荡器)。

回首过去，Armstrong掀起的振荡器技术革命使火花发射机迅速被淘汰，导致了高性能无线电接收机的发展。

从20世纪10年代Armstrong的发明到今天，VCO技术的进步经历了真空管振荡器、晶体管振荡器、振荡器模块儿解决方案直到今天基于RFIC的振荡器几个阶段。

VCO技术的面貌仍然处于快速的变化中，不久以后许多系统中的振荡器将只保留在基本拓扑结构和算术原理上与早期振荡器的相似。

Armstrong的发明很快被Ralph V. L. Hartley进行了改良并发明出了他自己的振荡器电路拓扑结构(图1)。

Hartley利用了真空管技术的进步，在他发明的振荡电路中将真空管作为放大器使用，并用电感反馈产生了一个再生振荡。

振荡器的频率是由线圈电感和电路电容决定的。

这个电路是正弦信号发生技术的一项突破。

它具有比以往更大的频率范围，只需要简单地改变线圈电感或者是电容值就能改变频率。

Hartley振荡器[2]电路开始在发射机中普及起来并很快在第一次世界大战中得到应用。

此时的发射机和接收机都采用了这种新的、基于真空管的振荡器电路。

振荡器电路的革新产生了深远的影响，此后发明的一些优秀的电路拓扑结构直到今天仍然在使用中，如Hartley、Colpitts、Clapp、Armstrong和Pierce等结构。

图1. Hartley振荡器的实例：(a) 用真空管实现和(b) 用JFET实现在Armstrong的超外差接收机理论中，输入信号与振荡器信号混频产生恒定的中频(IF)信号。

为了保持中频的恒定，输入信号频率变化时振荡器也必须改变频率。

使用可变频率的振荡器就可以调谐频率变换电路使之适用于很宽频率范围的RF输入信号，从而实现多信道的通信，就像调幅(AM)无线电那样。

这种可变频率的振荡器是基本谐振电路振荡器的改进版本，它的一个谐振元件(电感或者电容)取值是可变的，大多数情况下可变元件为电容。

高品质可变电容器采用的是统调多金属板空气间隙电容。

随着无线电技术的进步，振荡电路技术发生了很多的革新。

工程师们发明了数不清类型的线圈、可变电容、反馈技术和真空管来实现振荡器和频率变换电路。

很多精致优美的设计方案可以通过无线装置外部的机械刻度盘对振荡器频率进行精确和高质量的调谐。

图2是一个重建的1929年Hartley型发射机的照片(由热心的业余无线电爱好者制作W9QZ)[3]。

图2. 早期的1929年Hartley型发射机2.2振荡器的分类2.2.1双极型晶体管和变容二极管真空管振荡器在商用和军用无线电接收机中得到广泛的应用持续了许多年的时间，例如AM和调频(FM)无线电、电视以及军用语音通信。

然而，半导体放大器器件的发明，如晶体管和变容二极管，引发了VCO技术的又一轮剧烈变革。

第一只双极型晶体管是在40年代晚期由贝尔试验室(Bell Laboratories；Holmdel, NJ)发明的，随后晶体管在50年代开始代替真空电子管。

新的晶体管比电子管体积更小消耗功率更低，随着所需工作电压的降低最终使成本变得更低。

晶体管开始取代真空电子管作为有源元件应用在振荡器中，这极大地改变了振荡器的实现技术和已经建立的振荡器拓扑结构[4]。

可以证明的是，变容二极管(电容随着电压变化的反偏置PN结)的使用对VCO的发展方向具有比晶体管更大的影响。

60年代早期，对变容二极管技术进行了大量的研究，变容二极管迅速取代了机械调节元件的位置成为应用在VCO中的可变电容元件。

变容二极管对频率源信号精确的电子控制在锁相环(PLL)电路发展过程中的重要作用是不可估量的。

那一时期，电视机的快速发展为向基于变容二极管和晶体管的VCO过渡作出了很大的贡献。

此时，价格合理、功耗低、高质量、具有自身电子调谐功能、能够容易地进行频率范围重新配置的VCO已经成为可能。

基于分立晶体管和变容二极管的VCO 主宰了从60年代到80年代的电子电路设计。

但是到了80年代，两项新技术开始对VCO 的发展产生影响：模块化方法和单片VCO集成电路(IC)。

图3显示了在过去的80年中VCO技术的发展情况。

图3. VCO技术的生命期及其相应年代2.2.2单片VCO单片IC VCO技术是将所有的LC (电感-电容) VCO电路元件，包括晶体管、电容、电阻、电感和变容二极管，都集成到一块芯片上的一种VCO实现技术。

与VCO模块相同，这些器件经过配置组成一个完整的VCO，外部只需要连接电源、地、输出、调谐输入和数字控制线。

(注：这里所说的VCO不包括压控环路振荡器，因为它们的相位噪声特性较差以至于在大多数无线电系统中都不再使用)[5]。

第一块单片VCO IC的诞生碰巧与砷化镓(GaAs) IC技术和单片微波集成电路(MMIC)的开发处在同一时间。

单片VCO技术最早出现在80年代早期的文献1, 2中，那段时间人们正在对MMIC在商用和军用领域的应用进行重点研究(大部分是由美国DARPA MIMIC项目资助的)。

尽管MMIC VCO的制造占用面积不是特别的高效率，导致它的成本并不是很划算，早期的MMIC VCO仍然使用2英寸直径的晶圆和GaAs IC 工艺制造。

通常，这些VCO工作在数GHz的频率上，这与其应用目标卫星接收机和雷达系统的频率相一致。

大多数早期的单片GaAs VCO是作为DARPA MIMIC研究项目的一部分开发出来的，对商用市场的影响很小。

硅片IC技术在80年代仍然属于低频技术，缺乏千兆赫兹频率单片VCO所要求的带宽。

但是到了90年代，硅片IC技术已经开发出了具有足够高特征频率(fT)的器件以及相适应的单片元件(高Q值电感、高频率电容和变容二极管)，这样就能开发出更高频率的硅单片VCO。

无线市场已经展现出它的广阔和增长潜力，这些都刺激着对800MHz至2500MHz低成本VCO的需求。

2.2.3振荡器的发展趋势很多发展趋势正在影响着具有改进相位噪声的单片VCO的开发。

例如，基本的RFIC工艺在不断改进，半导体工艺能实现的品质因数在不断改善，各种有源和无源器件的性能也都在提高中。

在硅工艺方面，现在已经能制造出f T超过50GHz的晶体管，具有宽电容比调谐范围(低串连阻抗)的更高Q值变容二极管也可以实现。

这些工艺的特点是具有更低损耗的衬底，它的金属层更厚，电感Q值更高。

采用这些工艺制作的器件可以减少寄生元件，使VCO具有更低的相位噪声，更高的工作频率和更低的电流消耗[6]。

设计技术正在变得越来越先进。

VCO的研究者通过发明更先进的电路来充分利用IC技术的能力以进一步改善VCO的性能。

研究者们正在引入一些从前的分立VCO和模块VCO方法不可能实现的技术，如差分振荡器拓扑结构、振幅控制、二次陷波、用于改善耦合的IC转换器、多振荡器拓扑结构和一些能够在更高频率下工作的体系结构。

设计工程师们对VCO理论的理解也越来越深入。

他们正在对过去的数学模型如Van der Pol等式和Leeson等式作进一步的研究，得出了新的解释振荡器工作现象(如调谐特性和相位噪声性能)的分析表达式。

例如，设计者们正在用Abidi关系改进Leeson 的噪声公式。

除此之外，随着个人电脑和工作站计算机处理能力的提高，计算机辅助工程(CAE)工具的功能和复杂程度也在提高之中，这使工程师们可以对VCO功能模型进行试验以发现其性能的改进。

单片VCO技术新产品的数量在不断地增多，并且这些高品质的VCO与收发机电路集成在一起。

例如，用于WLAN和Bluetooth市场的最新的收发机在其RF收发机IC 内集成了VCO，与使用分立元件相比极大地减小了产品尺寸。

在更高性能的WLAN无线系统中(2.4GHz IEEE® 802.11b以及5GHz 802.11a)，系统需要具有非常低相位噪声的更高性能VCO来满足包数据率和阻塞水平的要求[7]。

RFIC VCO技术的进步使这些集成产品对数量日益增长的商业RF应用更加具有吸引力，这些应用包括卫星接收机、CATV机顶盒、无线数据应用、无绳电话和移动电话等。

显然，单片VCO与分立和模块化VCO解决方案相比在大批量的应用中正在获得越来越多的份额。

单片VCO很快就会在所有大批量商用无线系统中成为最主流的振荡器实现方案。

从笨重的电子管电路到今天小于1平方毫米的硅片，VCO跨越了不同寻常的发展之路成为现代发展的主流方向。

所以在今天企业几乎都在制作研究这种单片VCO,各大学也在积极配合这种趋势。

总结LC振荡器因谐振回路具有很高的选择性，即使放大器工作在非线性区，振荡电压仍非常接近正弦形。

但因它的谐振元件LC之值限于体积不宜过大，振荡频率不宜太低,一般为几百千赫到几百兆赫。

频率稳定度一般为10-2～10-4量级，略优于RC振荡器，但比石英晶体振荡器要低几个数量级。

谐振元件L或C的数值调节方便，可借以改变荡频率，因而为广播、通信、电子仪器等电子设备所广泛采用参考文献[1] 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2005)[J]．北京：北京理工大学出版社，2006.[2] 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2003)[J]．北京：北京理工大学出版社，2004.[3] 林春方. 高频电子线路[M]．北京:电子工业出版社,2007.[4] 王卫东，傅佑麟.高频电子线路[M]．北京：电子工业出版社，2004.[5] 于海勋，郑长明.高频电路实验与仿真[M]．北京：科学出版社，2005.[6] 陈梓城.模拟电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，2007.[7] 侯丽敏.通信电子线路[M]．北京：清华大学出版社，2008.[8] 稻叶保.振荡电路的设计与应用[M]．北京：科学出版社，2004.[9] 刘延飞，李琪，王晓戎，常春藤.基于multisim 9的电子系统设计、仿真与综合应用[M]．北京：人民电邮出版社，2008.[10] 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛电路设计（第2版）[M]．北京：北京航空航天。