壓控振蕩器技術(shù)的回顧與展望

云振新
（國(guó)營(yíng)970廠，四川 成都 610051）

1 引言

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(wú)線通信系統(tǒng)的。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。在許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，VCO是可調(diào)信號(hào)源，用以實(shí)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(jī)、衛(wèi)星通信終端、基站、雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)、數(shù)字無(wú)線通信、光學(xué)多工器、光發(fā)射機(jī)和其他電子系統(tǒng)。VCO 對(duì)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(xiàng)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(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的一個(gè)例證。

電子裝置和電子系統(tǒng)的發(fā)展不斷推動(dòng)著VCO技術(shù)的更新與進(jìn)步。從現(xiàn)代和將來(lái)的無(wú)線系統(tǒng)，特別是無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)，不僅具有很高的工作頻率，而且對(duì)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(yīng)這一需求，人們利用先進(jìn)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(jì)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、體積微小、價(jià)格合理的VCO產(chǎn)品投放市場(chǎng)，形成了新一代微波VCO系列。

2 VCO的發(fā)展過(guò)程

上世紀(jì)初，Armstrong發(fā)明了電子管振蕩器，經(jīng)Hartley改進(jìn)電路設(shè)計(jì)并開發(fā)成功電子管VCO。電子管VCO的振蕩頻率是通過(guò)改變振蕩電路中電感器或電容器的參數(shù)值來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)時(shí)人們對(duì)電子管振蕩電路開展了大量的研究，今天仍在沿用的 Hartley，Colpitts，Clapp，Armstrong，Pierce等經(jīng)典振蕩電路結(jié)構(gòu)，就是當(dāng)時(shí)的研究成果。

上世紀(jì)中葉，晶體管問(wèn)世并很快取代電子管成為振蕩電路的有源器件。特別是變?nèi)?a target="_blank">二極管的應(yīng)用對(duì)VCO的發(fā)展具有重要意義。變?nèi)荻O管的電容隨外加電壓的改變而變化，用變?nèi)荻O管作壓控器件，改變其控制電壓就可實(shí)現(xiàn)VCO振蕩頻率的調(diào)節(jié)。這樣，晶體管、變?nèi)荻O管和其他無(wú)源元件就構(gòu)成了分立式的晶體管VCO。這種晶體管VCO實(shí)現(xiàn)了振蕩頻率的電子調(diào)諧，這是變?nèi)荻O管對(duì)VCO發(fā)展的重大貢獻(xiàn)。與電子管VCO相比較，晶體管 VCO具有電子調(diào)諧、體積小、成本低、功耗小、質(zhì)量好、調(diào)頻范圍設(shè)置簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。晶體管VCO 的發(fā)展也是是電視技術(shù)能在當(dāng)時(shí)迅速推廣的重要原因。1960年至1980年，晶體管VCO被電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)所廣泛采用。

到了1980年，情況發(fā)生了變化，混合集成的 VCO組件和單片集成的VCOIC出現(xiàn)了。這兩種新技術(shù)對(duì)VCO的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。VCO從此就開始步入現(xiàn)代VCO技術(shù)的發(fā)展時(shí)期。各種VCO技術(shù)的壽命期與時(shí)間的關(guān)系示于圖1。該圖簡(jiǎn)要地說(shuō)明了VCO技術(shù)在過(guò)去80多年里的發(fā)展歷程。

變?nèi)荻O管、電容器、電感器等元器件的小型化為制造VCO組件創(chuàng)造了條件。VCO組件是一種混合集成電路器件，具有封裝和外引線。雖然分立元件的晶體管VCO具有按用戶要求設(shè)計(jì)工作頻率和調(diào)諧范圍的靈活性，但一般在生產(chǎn)中都需要耗費(fèi)大量的人工對(duì)確定頻率的元件進(jìn)行調(diào)試，以消除元件誤差對(duì)頻率的影響。此外，分立元件VCO需要良好的屏蔽，其尺寸也比較大。分立元件的VCO已不能完全滿足現(xiàn)代無(wú)線電子系統(tǒng)發(fā)展的要求。

20世紀(jì)80年代末、90年代初，移動(dòng)電話迅速發(fā)展，對(duì)帶封裝的振蕩器組件的需求也日益增長(zhǎng)。這為VCO組件的發(fā)展提供了難得的市場(chǎng)機(jī)遇。隨著新型無(wú)線應(yīng)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(yīng)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（1206，0805，0603，0402和0201），新開發(fā)的VCO組件的尺寸也越來(lái)越小，成本也越來(lái)越低。圖2說(shuō)明了現(xiàn)代商用VCO組件尺寸隨時(shí)間減小的變化情況。目前，VCO組件達(dá)到了新的水平，其體積已減小到4 mm×5 mm×2mm，大批量供貨VCO的銷售單價(jià)已降至1美元左右。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(wú)線移動(dòng)裝置對(duì)小型化的要求。

20世紀(jì)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(dǎo)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(gè)完整的VCO，具有封裝和外引線。首批單片集成VCO采用2英寸GaAs IC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(jī)和雷達(dá)系統(tǒng)研制的。其工作頻率高達(dá)數(shù)GHz，但成本高昂。大多數(shù)早期單片GaAs VCO的研究工作都是針對(duì)軍事應(yīng)用展開的，很少涉及民用領(lǐng)域。在20世紀(jì)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。

經(jīng)過(guò)研究與開發(fā)，1990年Si-IC技術(shù)在高頻化和無(wú)源元件集成方面獲得重大進(jìn)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。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(wú)線移動(dòng)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800～2500MHz頻段的VCO。人們?yōu)榇碎_展了大量的研究與開發(fā)工作。1992年，美國(guó)California大學(xué)首先報(bào)道了硅單片VCO IC的研究成果。其后，對(duì)硅單片VCO IC的研究進(jìn)入繁榮期，采用不同技術(shù)方案的硅單片VCO IC相續(xù)問(wèn)世。

硅單片VCO IC由高頻雙極晶體管-IC技術(shù)和Si CMOS-IC技術(shù)研制而成。在硅單片VCO IC的研制過(guò)程中，學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)通常采用獲得廣泛應(yīng)用的Si CMOS-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(jìn)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(shí)現(xiàn)集成。正是由于硅單片 VCO IC具備這些潛在的優(yōu)勢(shì)，盡管早期產(chǎn)品性能欠佳，但人們對(duì)它的研究工作一直沒(méi)有停頓。通過(guò)不斷改進(jìn)，其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于無(wú)繩電話、藍(lán)牙裝置、WLAN、GPS、DBS等無(wú)線裝置與系統(tǒng)之中。表1列出了一些單片集成VCO的應(yīng)用實(shí)例。

目前，單片集成VCO還不能用于對(duì)相位噪聲要求很高的應(yīng)用領(lǐng)域。像GSM、CDMA等具有高數(shù)據(jù)速率的移動(dòng)電話系統(tǒng)，還只能使用VCO組件。

3 單片集成低相位噪聲SiGe VCO 技術(shù)

近年來(lái)，SiGe BiCMOS技術(shù)的發(fā)展令人矚目，現(xiàn)已成為單片集成VCO有前途的制造技術(shù)。用 SiGe BiCMOS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(wú)線LAN等現(xiàn)代無(wú)線電通信系統(tǒng)的要求。

SiGe BiCMOS技術(shù)具有一系列優(yōu)于Si BiCMOS技術(shù)和GaAs IC技術(shù)的性能，現(xiàn)已在無(wú)線通信系統(tǒng)IC芯片制造中獲得廣泛應(yīng)用。SiGe BiCMOS技術(shù)采用SiGe HBT作有源器件，這是它與常規(guī)Si BiCMOS技術(shù)的主要區(qū)別。SiGe HBT是基區(qū)為SiGe應(yīng)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、基極電阻低、擊穿電壓高等優(yōu)異特性，其微波特性尤為突出。SiGe HBT的特征頻率已達(dá)到210GHz的高水平。在微波頻段，SiGe HBT已成為GaAs器件的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。此外，SiGe 的制造工藝可以同常規(guī)Si IC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(lái)進(jìn)行制造。其生產(chǎn)成本比GaAs IC技術(shù)低得多。利用SiGe BiCMOS技術(shù)容易在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)的RF前端、基帶信號(hào)處理電路和數(shù)字信號(hào)處理電路的集成。

采用SiGe BiCMOS技術(shù)制造單片集成VCO有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其在VCO相位噪聲的降低方面作用突出。SiGe BiCMOS HBT改進(jìn)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(wú)源器件的熱噪聲和偏置電路的注入噪聲共同決定。SiGe HBT不僅特征頻率很高，而且噪聲系數(shù)很小，對(duì)設(shè)計(jì)低相位噪聲VCO特別有利。有源器件的噪聲系數(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)。SiGe HBT的閃爍噪聲小，角頻率也很低。這對(duì)降低小頻偏相位噪聲十分有利。SiGe BiCMOS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(wú)源元件。這些片上集成的電感器、電容器等優(yōu)質(zhì)無(wú)源元件也為設(shè)計(jì)制造單片集成低相位噪聲VCO創(chuàng)造了有利條件。

SiGe BiCMOS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(yùn)用SiGe BiCMOS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0.5mm SiGe BiCMOS生產(chǎn)工藝制造。種是為雙頻帶GSM和DCS系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)品。在該產(chǎn)品的芯片上，除了VCO電路之外，還集成了分頻器。VCO電路的工作基為 3.6GHz，用于GSM時(shí)進(jìn)行4分頻，用于DCS時(shí)則進(jìn)行2分頻。這種VCO用于DCS系統(tǒng)中，當(dāng)頻偏為90kHz時(shí)，其相位噪聲為－115dBc/Hz。第二種是為無(wú)線LAN和無(wú)線數(shù)字手機(jī)研制的產(chǎn)品。它的頻率調(diào)諧范圍寬，高達(dá)3.4～4.6GHz；其工作的電源電壓范圍也較廣，達(dá)2～3V。而且，當(dāng)電源電壓變化時(shí)，VCO的RF性能變化極小。第三種VCO的工作頻率為3.3～4GHz。當(dāng)載頻為3.37GHz、頻偏為3MHz時(shí)，其相位噪聲為－143.2dBc/Hz。該VCO具有每變化0.1V電源電壓、頻率改變低于 2MHz的電源牽引特性以及全相上發(fā)生2︰1駐波比負(fù)載阻抗變化時(shí)頻率改變小于1MHz的負(fù)載牽引特性。此外，這種VCO含有共射-共基差分緩沖放大器，可以向100Ω負(fù)載輸出0dBm的功率。這樣大的輸出功率通?？芍苯域?qū)動(dòng)三頻帶GSM接收機(jī)的混頻器。VCO的額定電源壓為2.8V，工作電流為 15mA。工作電流中包含有輸出緩沖器消耗的5mA電流。

4 VCO技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

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(diǎn)，也是未來(lái)VCO技術(shù)的發(fā)展方向。

為了適應(yīng)現(xiàn)代無(wú)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(jìn)的薄膜技術(shù)與表面安裝技術(shù)，繼續(xù)推進(jìn)VCO組件封裝的微型化和表面安裝化。通過(guò)晶體管的改進(jìn)及振蕩電路的開發(fā)，解決好小型化帶來(lái)的諧振器Q值降低的問(wèn)題和低功耗引起的特性劣化問(wèn)題。第四代移動(dòng)電話以及其他工作在微波頻段高端的無(wú)線系統(tǒng)需要VCO組件進(jìn)一步提高工作頻率，實(shí)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(lái)十分重要的研究課題。

SiGe BiCMOS等RF IC基礎(chǔ)工藝技術(shù)正在不斷發(fā)展與進(jìn)步。半導(dǎo)體工藝制造有源器件與無(wú)源器件將具有更好的性能?，F(xiàn)在，即使用Si工藝技術(shù)，也可制得fT 超過(guò)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(diǎn)。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(wú)線系統(tǒng)，尤其是現(xiàn)代無(wú)線移動(dòng)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(jī)的其他單元電路進(jìn)行單片集成，以達(dá)到減小整機(jī)體積和成本的目的。此外，單片集成VCO的設(shè)計(jì)理論也在深化，設(shè)計(jì)技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)。差分放大器、幅度控制、二次諧波抑止器、IC耦合變壓器、復(fù)合振蕩器、高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)正不斷被納入單片集成VCO的設(shè)計(jì)之中。利用單片集成VCO技術(shù)把優(yōu)質(zhì)VCO同收發(fā)機(jī)電路集成在一起的新產(chǎn)品不斷問(wèn)世。例如，在WLAN和藍(lán)牙裝置中，的收發(fā)機(jī)就把高質(zhì)量的VCO同RF收發(fā)前端IC集成在一起，使其尺寸大大減小。WLAN系統(tǒng)（2.4GHz 802.11b型和5GHz 802.11a型）要求VCO具有很低的相位噪聲。

由于RF IC VCO技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星接收機(jī)、CATV機(jī)頂盒、無(wú)線數(shù)據(jù)裝置、無(wú)繩電話、移動(dòng)電話等商用RF系統(tǒng)與裝置越來(lái)越多地采用集成化頻率源。顯然，在大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，單片集成VCO占有的市場(chǎng)份額將不斷增大，而分立元件VCO和VCO組件占有市場(chǎng)將逐步減少。單片集成VCO在大規(guī)模商用無(wú)線系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的時(shí)代很快就會(huì)到來(lái)。VCO技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從笨重的電子管VCO電路到面積小于1mm2 Si IC的跨越。

5 結(jié)語(yǔ)

VCO是頻率源的關(guān)鍵器件，已廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)之中。VCO的性能對(duì)電子系統(tǒng)有決定性的影響?，F(xiàn)代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)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(wú)線系統(tǒng)采用的主流產(chǎn)品。雖然，在總體性能水平方面，單片集成VCO目前還不如VCO組件好，但它具有集成優(yōu)勢(shì)，仍然是VCO未來(lái)發(fā)展的方向。在RF IC工藝技術(shù)中，SiGe BiCMOS技術(shù)是單片集成VCO有前途的制造技術(shù)。