RF电路设计讲座(2)VCO/PLL的测量和设计技术

今日的行动通讯系统需要的是更高的通讯质量、传输速率、频率以及更多频道的带宽，并且提供轻便的、耗电量低、体积小的特色。在这些限制条件下，包含组件的选择及评估，最后结合成为一套完整的设计，这是非常大的挑战。根据上述所提及的要求内容，合成振荡器(synthesized oscillator)在射频设计中是不可或缺的一环。

典型的合成振荡器结合了一个电压控制振荡器、一个锁相回路（PLL）芯片、频率参考组件（如石英/TCXO）以及回路滤波器（loop filter）。电压控制振荡器（VCO）是用来产生RF输出频率。PLL（在这里是指模拟式PLL；即不同于纯数字式的PLL）是作为稳定和控制频率之用。回路滤波器的设计，必需整合所有的构成要素，在噪声和瞬间响应之间做取舍（如图一）。在本文中，将描述锁相回路（PLL）、电压控制振荡器（VCO）和相关的评量资料，这将让射频电路设计者能将包含回路滤波器在内的振荡器，发挥到最大的效益。最后介绍PLL频率合成振荡器和VCO电路的设计实例，这是因为在设计之前，电路设计者必须先了解相关的测量仪器所提供的功能、PLL/VCO的特性参数，如此才能精确地判断，自己设计的电路是否有达到规格的要求。
 
VCO的特性参数

下列表示一般性的VCO特性参数。要评估这些参数，各项仪器和装置都必需列入要求，甚至包括作为电源供应和可调式电压源（tuning voltage source）之特定DC电源。
1） 射频频率〔Hz〕
2） 射频功率〔dBm〕
3） 相位噪声〔dBc/Hz〕
4） 残余FM〔Hz rms〕
5） DC消耗电流〔mA〕
6） 微调灵敏度〔Hz/V〕
7） 谐波/寄生频率〔dBc〕
8） 推频〔Hz/V〕和挽频〔Hz p-p〕

为达到最佳的电路表现，许多VCO的特性都应在各种变化下作评估。举例来说：一个非常基本的参数就是，VCO输出频率对可调式电压（F-V）之关系。此参数的延伸是微调灵敏度（Hz/V），它是F-V曲线的微分值。理论上，它被视为一个常数，但实际上却不然。F-V曲线斜率的改变是频率的函数，我们必须清楚了解它，因为这是设计回路滤波器的重要参数。然而，这两项参数也必须在不同电源电压（Vcc）的情况下被评估，因为输出频率可能会随着电源电压的改变而漂移。DC功率灵敏度被称之为推频(frequency pushing)，射频输出功率也是Vcc和输出频率的函数，这些都应该做评估。因为当输出功率过低时，将产生严重的噪声；而当输出功率过高时，则会产生讯号失真和消耗太多DC功率。此外，DC功率灵敏度可能会将Vcc噪声转换成为振荡器输出的调变（modulation）/噪声。

许多其他的参数也必需列入评估，不仅只是相位噪声（phase noise）。相位噪声是一个极重要的参数，我们在设计正确的回路时，势必要知道的。而且相位噪声将会影响合成振荡器的许多重要的工作特性，这包括相邻通道的功率。

图一为PLL频率合成器之基础方块图，其中包括了：
。分频器（frequency divider）
。相位比较器（phase comparator）
。可编程分频器（programmable frequency divider）
。预标定器（prescaler）

 
图一：PLL频率合成器之基础方块图
 
DC控制电压源噪声

VCO的工作是将任何可控制电压的变化转换成频率的变化，因此DC可调式/控制电压源上的噪声会影响VCO相位噪声的量测（如图二）。基于这个原因，此电压源的噪声必须是非常微小，通常是利用低通滤波器（low-pass filter）达到此目的。选择超低截止频率（cut-off frequency）之滤波器将产生非常好的噪声抑制效果，但这也将会降低电压源的灵活度（亦即，使频率扫瞄率下降）以及降低量测的精确性。因此，当需要滤波器解决一些问题的同时，也会引发另外一些问题的产生。

图二为控制电压源上的噪声会影响相位噪声之量测，其中包括了：
。红色线: 控制电压源上伴随的噪声
。黄色线: 控制电压源上伴随的低噪声

 
图二：控制电压源上的噪声会影响相位噪声之量测