本文介紹了覆蓋45MHz至650MHz頻率范圍的IF壓控振蕩器(VCO)家族產品。這些IC采用6引腳SOT23封裝。MAX2608在300MHz至500MHz的范圍內相位噪聲為-100dBc/Hz。使用一個片外電感設置工作頻率。輸出級可以用電阻或者其它無損耗技術匹配。

新的集成電路家族產品可以使開發緊湊、固定頻率的IF壓控振蕩器(VCO)變得很容易。

設計一個固定中頻(IF)的VCO是非常困難的。幸運的是，Maxim的VCO IC (MAX2605-MAX2609)可以使這項任務變得簡單。與傳統的分立元件VCO相比，Maxim器件的成本更低，占用的PCB面積更小。

在傳統的IF VCO設計中，振蕩器的核心部分和輸出緩沖級是由分立的晶體管、電阻、電容和電感組成的(圖1)。整個諧振回路由包括設置頻率的電感、變容二極管、耦合電容和反饋電容的網絡組成。輸出級使用電抗性元件將輸出阻抗與特定的負載阻抗匹配。

圖1. 使用分立元件實現的IF VCO原理圖。

為了保證設計的成功，元件的取值不僅必須能夠實現預期的額定振蕩頻率，還要具有足夠的調諧范圍、合理的偏置、在任何條件下起振的能力以及適當的輸出級特性。由于要為電流消耗、起振裕量、頻率調諧范圍和相位噪聲等方面的矛盾進行權衡，即使是一個很好的一階設計也會存在問題。

分立元件IF VCO的主要缺點是所需的PCB面積較大。為使其占用面積在6mm ×10mm以下，需要花費大量的工作優化電路板設計。此外，PCB的設計對VCO的性能和設計精度具有關鍵性的影響。布局設計要考慮到影響振蕩頻率的寄生電容和電感，在振蕩器的實現過程中必需把它們考慮進去。寄生元件經常導致不希望的額定振蕩頻率漂移，這一漂移使設計的中心頻率誤差更大，最終不得不通過實現更大的調諧范圍彌補這些誤差。

MAX2605-MAX2609 IF VCO家族產品提供了一種更好的選擇。這5款IC是為低功率、固定的單一頻率、可移動無線應用設計的，具有45MHz至650MHz的IF頻率范圍。大多數必需的電路在片內實現，只有諧振回路電感(由它設置振蕩頻率)是片外的。

一旦選擇了正確的外部電感值，在調諧電壓范圍內(+0.4VDC至+2.4VDC)的某值一定能夠將IC調諧至相應的頻率。IC的調諧電壓輸入可以直接由鎖相環(PLL)后面的環路濾波器輸出驅動。MAX2605-MAX2609 IC設計為使用+2.7VDC至+5.5VDC的電壓供電，與電源的連接不需要特殊的規則。每一款IC都使用小型的6引腳塑膠SOT23封裝(圖2)。

圖2. MAX2605-MAX2609 IF VCO IC采用6引腳表貼SOT23封裝，所占PCB面積被降至最小。

MAX2605可以從45MHz調諧至70MHz，在距離載波100kHz處的相位噪聲為-117dBc/Hz。對于其它器件，這些參數分別為，70MHz至150MHz，距離載波100kHz處的相位噪聲-112dBc/Hz (MAX2606)，150MHz至300MHz，相位噪聲-107dBc/Hz (MAX2607)，300MHz至500MHz，相位噪聲-100dBc/Hz (MAX2608)， 500MHz至650MHz，相位噪聲-93dBc/Hz (MAX2609)。

頻率調諧范圍、偏置、起振和其它的振蕩器特性都在IC內部管理，消除了VCO設計中常見的難題。由于使用片內變容二極管和電容器，不需要外部調諧元件，從而簡化了IF VCO設計。電感與振蕩頻率關系的曲線圖(見MAX2605-MAX2609數據資料)進一步簡化了選擇外部電感的工作。

MAX2605家族產品對于RF設計者來說具有幾個主要的優點。這些IC組成的VCO是無需微調的，因此不需要外部調節。為了給雙變頻系統提供所需的IF頻率，它們能覆蓋很寬的應用頻率范圍。除此之外，它們擁有靈活的輸出接口幫助降低IF VCO的成本并縮小最終電路占用的面積。

MAX2605-MAX2609體現了VCO的一種全新的概念，它們需要完全新的電路方法實現產品目標。Maxim設計了一種基于可靠而且靈活的Colpitts結構的振蕩器。采用這種拓撲結構使所有的振蕩器電路元件(除了電感)都可以集成到IC里面去。將幾乎整個振蕩器都集成到芯片內可以實現一個好的VCO所有期望的目標：合適的起振、寬頻率范圍、無調節應用中必要的調諧特性、可控制的電流消耗和不依賴于溫度與電源電壓的偏置。

片外電感使VCO能夠實現很寬的工作頻率范圍。在片內電容不變的情況下，僅改變外部電感就能修改振蕩器諧振回路的諧振頻率。如果電感的品質因數(Q)得到保證，相位噪聲和起振的性能就能得到保證(圖3)。

圖3. 這幅簡化的MAX2605-MAX2609 VCO IC電路圖表明只需要一個外部電感器就能組成整個諧振電路并設置振蕩器的頻率。

為了實現這種新的方法，在IC技術中需要利用有源和無源元件的相互補充實現圖中所示的振蕩器電路。特別地，制造工藝必須要提供高頻晶體管、高Q值電容、具有高電容比和高Q值的變容二極管以及PNP或PMOS器件。

MAX2605-MAX2609是使用硅BiCMOS工藝制造的，這種工藝是為包含單片振蕩器結構的RF IC專門開發的。這種工藝能夠制造PNP、NMOS和PMOS器件，如具有25GHz特征頻率(fT)的NPN晶體管、電容比優于2:1的低串聯阻抗變容二極管(調諧電壓為0.4V至2.4V)、非常高Q值的金屬-絕緣體-金屬(MIM) RF電容、精密的細薄膜電阻和三層金屬。

這種器件的完全互補使用才能實現完整的IC。VCO設計需要仔細和大量的計算機仿真，還包括為了不同方面的性能而進行的多次反復設計，這樣才能確保在所有的工作條件下滿足所有的規范和要求。

最后，為保證振蕩器具有足夠的頻率調諧范圍以補償由元件公差造成的工作頻率漂移，Maxim選擇進行產品測試并得出一組可靠的頻率極限數據。這些極限頻率給MAX2605-MAX2609用戶提供了一組可靠的最高和最低調諧頻率值(fMAX和fMIN)，通過檢測的IC在調諧電壓(VTUNE)為0.4V時的振蕩頻率(fOSC) ≤ fMIN ，VTUNE = 2.4V時fOSC ≤ fMAX 。假設外部電感具有±2%的誤差，包括溫度漂移和很小的設計中心誤差(<0.5%)，這一測試結果說明不用調節外部電感值VCO也可以保證調諧到由電感確定的工作電壓。最終的結果即實現了無需微調的VCO設計。

MAX2605-MAX2609的應用非常簡單和容易理解，只包括兩個很簡單的步驟:

選擇并安裝外部電感設置預期的振蕩頻率。

對輸出級負載進行電阻或電抗匹配(圖4)。

圖4. 這幅簡單的原理圖給出了MAX2605-MAX2609 VCO IC的典型應用。

VCO的額定工作頻率(fNOM)由IND (pin 1)的外部電感值唯一確定，如下面的曲線所示(圖5)。

圖5. 本圖為MAX2607 VCO IC的預期振蕩頻率與所需的總調諧電感值(LF)的函數關系(150MHz至300MHz)。

為實現預期的工作頻率選擇的電感值(LF)不需與表貼電感元件的標準值保持一致，表貼元件標準值的變化臺階一般以大約1.2的因數增大。在這種情況下為了得到想要的電感值，必需用兩個電感實現：LF1和LF2。LF1是小于且最接近預期值的標準值。LF2是小于LF - LF1并且最接近它的標準值。LF1應該符合最小的Q值要求，而LF2可以使用成本較低的薄膜SMT型元件實現。由于它的值占總值的20%還要少，所以其較低的Q值對總Q值的影響很小。

還可以使用PCB導線實現小電感以調節總電感值。對于MAX2608/MAX2609電路來說，使用PCB上與地短接的導線實現LF2比用SMT元件具有更精確的電感值。一旦在IND引腳實現了所需的電感值，VCO一定可以在所有的元件誤差、工作溫度和供電電壓范圍內調諧到其振蕩頻率。

MAX2605-MAX2609 VCO在振蕩器核心電路之后是差分輸出放大器。放大級提供寶貴的隔離并為IF功能電路如混頻器和PLL預定標電路(PLL prescaler)提供靈活的接口。輸出可以采用單端形式或差分形式，但是最大輸出功率和最低諧波輸出只在差分輸出模式才能得到。兩個集電極開路輸出(OUT-與OUT+)都需要上拉元件才能達到集電極電壓(VCC)。輸出級可以使用上拉電阻或電感。使用上拉電阻是實現輸出接口的最直接的辦法，它在較低的工作頻率或者對電壓擺動的需要很小的應用中效果很好。

當需要更大的電壓擺動或輸出功率時，要為大于負載電阻/電容網絡的3dB帶寬的頻率進行無功功率匹配。匹配網絡是一個具有并聯電感和串聯電容的簡單電路。為了給輸出級提供DC偏置，用電感把OUT-和OUT+與VCC連接起來，在OUT-和OUT+與負載之間串聯上電容。電感和電容的取值根據工作頻率和負載阻抗決定。輸出和任何傳統的差分輸出都一樣。唯一的約束條件是需要VCC上拉器件和對OUT-、OUT+電壓擺動的限制。

比較使用這兩種方法所需的設計時間就能看出其中的巨大差別。經典的/分立元件方法要進行精心的設計，成功地開發出分立IF VCO需要幾個星期的時間，在實現可靠的、能夠投產的設計之前可能需要多次的反復。另一方面，MAX2605-MAX2609可以使VCO的設計在數分鐘內完成，而驗證和測試僅僅需要一個下午的時間。

由于MAX2605-MAX2609解決了頻率調諧范圍、偏置和起振的問題，它們徹底地消除了在以往的VCO設計中遇到的難題。只需根據想要的振蕩頻率選擇一個外部電感和輸出負載。閱讀MAX2605-MAX2609數據資料中提供的圖表得到想要的電感值就能輕松地完成設計任務。

在材料成本方面，MAX2605-MAX2609可以比得上傳統的分立元件IF VCO。對于制造來說，由于需要很少的元件，Maxim能夠實現更便宜的IF VCO，其中每一元件可節省$0.03。

審核編輯：郭婷