摘要：本文記錄了自1910年以來壓控振蕩器(VCO)的發展歷史，給出了在RF IC中集成VCO的實例。文章闡述了相關技術，并探討了產品性能、尺寸的演進過程。文章還預測了未來的發展趨勢。

引言

壓控振蕩器(VCO)在無線系統和其它必須在一個范圍的頻段內進行調諧的通信系統中是十分常見的組成部分。許多廠商都提供VCO產品，它們的封裝形式和性能水平也是多種多樣。現代表面貼裝的射頻集成電路(RFIC) VCO繼承了近百年來的工程研究成果。在這段歷史中，VCO技術一直在不斷的改進中，產品外形越來越小而相位噪聲和調諧線性度越來越好。

振蕩器電路的發展

自從Edwin Armstrong提出外差原理*以來，振蕩器就成為了最基本的元件。在這種應用中，振蕩器將正弦信號輸入到非線性混頻器元件中，混頻器通過將振蕩器信號與其它輸入信號相乘實現頻率變換。當然，Armstrong意識到，為了控制頻率變換他需要一個可以產生具有相應頻率的穩定正弦時變電壓(或電流)的電子電路。大約就在那時，他發現可以通過配置Audion (一種早期的真空管)來產生振蕩，于是他發明了第一個電子振蕩器** (不同于早期無線發射機中使用的那種原始的火花隙振蕩器)。

回首過去，Armstrong掀起的振蕩器技術革命使火花發射機迅速被淘汰，導致了高性能無線電接收機的發展。從20世紀10年代Armstrong的發明到今天，VCO技術的進步經歷了真空管振蕩器、晶體管振蕩器、振蕩器模塊兒解決方案直到今天基于RFIC的振蕩器幾個階段。VCO技術的面貌仍然處于快速的變化中，不久以后許多系統中的振蕩器將只保留在基本拓撲結構和算術原理上與早期振蕩器的相似。

Armstrong的發明很快被Ralph V. L. Hartley進行了改良并發明出了他自己的振蕩器電路拓撲結構(圖1)。Hartley利用了真空管技術的進步，在他發明的振蕩電路中將真空管作為放大器使用，并用電感反饋產生了一個再生振蕩。振蕩器的頻率是由線圈電感和電路電容決定的。這個電路是正弦信號發生技術的一項突破。它具有比以往更大的頻率范圍，只需要簡單地改變線圈電感或者是電容值就能改變頻率。Hartley振蕩器電路開始在發射機中普及起來并很快在第一次世界大戰中得到應用。此時的發射機和接收機都采用了這種新的、基于真空管的振蕩器電路。振蕩器電路的革新產生了深遠的影響，此后發明的一些優秀的電路拓撲結構直到今天仍然在使用中，如Hartley、Colpitts、Clapp、Armstrong和Pierce等結構。


圖1. Hartley振蕩器的實例：(a) 用真空管實現和(b) 用JFET實現

在Armstrong的超外差接收機理論中，輸入信號與振蕩器信號混頻產生恒定的中頻(IF)信號。為了保持中頻的恒定，輸入信號頻率變化時振蕩器也必須改變頻率。使用可變頻率的振蕩器就可以調諧頻率變換電路使之適用于很寬頻率范圍的RF輸入信號，從而實現多信道的通信，就像調幅(AM)無線電那樣。這種可變頻率的振蕩器是基本諧振電路振蕩器的改進版本，它的一個諧振元件(電感或者電容)取值是可變的，大多數情況下可變元件為電容。高品質可變電容器采用的是統調多金屬板空氣間隙電容。

隨著無線電技術的進步，振蕩電路技術發生了很多的革新。工程師們發明了數不清類型的線圈、可變電容、反饋技術和真空管來實現振蕩器和頻率變換電路。很多精致優美的設計方案可以通過無線裝置外部的機械刻度盤對振蕩器頻率進行精確和高質量的調諧。圖2是一個重建的1929年Hartley型發射機的照片(由熱心的業余無線電愛好者制作W9QZ)。和許多早期的電子設備一樣，它不僅體積龐大、造價昂貴而且需要很高的電源電壓。


圖2. 早期的1929年Hartley型發射機

雙極型晶體管和變容二極管

真空管振蕩器在商用和軍用無線電接收機中得到廣泛的應用持續了許多年的時間，例如AM和調頻(FM)無線電、電視以及軍用語音通信。然而，半導體放大器器件的發明，如晶體管和變容二極管，引發了VCO技術的又一輪劇烈變革。

第一只雙極型晶體管是在40年代晚期由貝爾試驗室(Bell Laboratories；Holmdel, NJ)發明的，隨后晶體管在50年代開始代替真空電子管。新的晶體管比電子管體積更小消耗功率更低，隨著所需工作電壓的降低最終使成本變得更低。晶體管開始取代真空電子管作為有源元件應用在振蕩器中，這極大地改變了振蕩器的實現技術和已經建立的振蕩器拓撲結構。

可以證明的是，變容二極管(電容隨著電壓變化的反偏置PN結)的使用對VCO的發展方向具有比晶體管更大的影響。60年代早期，對變容二極管技術進行了大量的研究，變容二極管迅速取代了機械調節元件的位置成為應用在VCO中的可變電容元件。變容二極管對頻率源信號精確的電子控制在鎖相環(PLL)電路發展過程中的重要作用是不可估量的。那一時期，電視機的快速發展為向基于變容二極管和晶體管的VCO過渡作出了很大的貢獻。此時，價格合理、功耗低、高質量、具有自身電子調諧功能、能夠容易地進行頻率范圍重新配置的VCO已經成為可能。基于分立晶體管和變容二極管的VCO主宰了從60年代到80年代的電子電路設計。但是到了80年代，兩項新技術開始對VCO的發展產生影響：模塊化方法和單片VCO集成電路(IC)。圖3顯示了在過去的80年中VCO技術的發展情況。


圖3. VCO技術的生命期及其相應年代

模塊化方法

隨著變容二極管、電容和電感體積的縮小，以模塊的形式實現VCO成為可能。VCO模塊本質上就是一個建立在一塊襯底上并安裝在金屬外殼內的分立元件振蕩器的微縮版本。模塊是獨立的，只需要外接地、電源、調諧電壓和輸出負載。這種模塊最早出現在60年代，主要用于軍事。那時它們很大(可達數平方英寸)并且較貴，而商用產品中依然使用分立晶體管和變容二極管實現的VCO。直到出現了移動電話，商用VCO模塊的市場才發展起來。

盡管分立元件VCO能夠為任何頻率和調諧范圍單獨設計，它們一般需要大量的勞動對頻率設置元件生產進行調整以補償元件一致性差的缺點。除此之外，分立VCO需要良好的屏蔽以減小輻射和牽引效應。隨著80年代后期和90年代初期移動電話銷售的增長，對這種“封裝的”振蕩器模塊的需求也在上升。一些在小型化方面越來越精通的日本公司為移動電話開發了小型的、成本較低的VCO模塊。隨著新的無線應用的崛起，VCO模塊制造商們開發了工作頻率單獨針對每一種應用的產品。隨著表面貼裝元件的體積越來越小(1206, 0805, 0603, 0402, 0201)，人們也開發了新的體積更小、成本更低的VCO模塊。圖4所示為在這段時間內商用VCO模塊尺寸縮減的情況，其數據體現的是商用VCO模塊在那段時期內典型的技術發展水平狀況。

今天，這些技術進步達到了它的頂點，緊湊的(4mm x 5mm x 2mm)模塊得以實現而且批量銷售價格已經接近1美元(在美國)。15年來VCO模塊體積發生了令人吃驚縮減，滿足了像蜂窩電話這種新型移動無線設備對產品占用空間的嚴格要求。然而，90年代末出現了一種體積更小成本更低的VCO技術，單片VCO IC技術。


圖4. VCO模塊的尺寸在各個年代的情況

單片VCO

單片IC VCO技術是將所有的LC (電感-電容) VCO電路元件，包括晶體管、電容、電阻、電感和變容二極管，都集成到一塊芯片上的一種VCO實現技術。與VCO模塊相同，這些器件經過配置組成一個完整的VCO，外部只需要連接電源、地、輸出、調諧輸入和數字控制線。(注：這里所說的VCO不包括壓控環路振蕩器，因為它們的相位噪聲特性較差以至于在大多數無線電系統中都不再使用)。

第一塊單片VCO IC的誕生碰巧與砷化鎵(GaAs) IC技術和單片微波集成電路(MMIC)的開發處在同一時間。單片VCO技術最早出現在80年代早期的文獻1, 2中，那段時間人們正在對MMIC在商用和軍用領域的應用進行重點研究(大部分是由美國DARPA MIMIC項目資助的)。盡管MMIC VCO的制造占用面積不是特別的高效率，導致它的成本并不是很劃算，早期的MMIC VCO仍然使用2英寸直徑的晶圓和GaAs IC工藝制造。通常，這些VCO工作在數GHz的頻率上，這與其應用目標衛星接收機和雷達系統的頻率相一致。

大多數早期的單片GaAs VCO是作為DARPA MIMIC研究項目的一部分開發出來的，對商用市場的影響很小。硅片IC技術在80年代仍然屬于低頻技術，缺乏千兆赫茲頻率單片VCO所要求的帶寬。但是到了90年代，硅片IC技術已經開發出了具有足夠高特征頻率(fT)的器件以及相適應的單片元件(高Q值電感、高頻率電容和變容二極管)，這樣就能開發出更高頻率的硅單片VCO。無線市場已經展現出它的廣闊和增長潛力，這些都刺激著對800MHz至2500MHz低成本VCO的需求。

在九十年代這些技術得到發展之前，大多數商用無線電系統都工作在很低的頻率，這使單片VCO IC的制作很難實現，因為片上電感器的值太大了。文獻中記載的第一個單片硅VCO IC的樣品來自加州大學伯克力分校，時間是1992年3。這個VCO使用了非傳統的獨特的拓撲結構，通過兩個不同的諧振電路來改變頻率。即使是這樣，在技術上來說它還是一個單片硅的VCO IC。這一成果以及Robert Meyer教授和他的研究生們在加州大學伯克力分校的進一步研究使人們開始加強對單片VCO技術的研究。

到1995年，技術文獻中出現了來自許多最主要大學的研究者們對單片硅VCO IC技術的研究成果報告4,5。在這些報告中，研究者們展示了現代單片LC諧振電路VCO IC最早的樣品。1996年至1997年，出現了大量的論文描述單片VCO各種不同實現技術的研究情況6–11。這段時期標志著商業上可行的VCO IC的出現。

單片VCO IC同時使用高頻雙極型晶體管IC技術和硅CMOS IC技術開發。大學里的研究者們一般使用CMOS技術，因為這種IC技術具有普遍的適用性。工業領域的研究者們使用RFIC專用的雙極型/BiCMOS工藝技術。圖5是分別用CMOS和雙極型/BiCOMS工藝實現的典型的單片VCO電路。


圖5. 用MOS和雙極型技術實現的典型的單片VCO核心電路

通常，這些早期VCO IC的整體性能比分立元件的VCO和VCO模塊要差。尤其是相位噪聲和調諧特性，比分立元件設計或VCO模塊已經很成熟的技術實現的結果要糟糕。這些缺點主要是由那一代IC技術中普遍存在的低Q電感和粗糙的變容二極管造成的。

然而，單片VCO已經證明了它具有非常小的體積和低廉的成本，而且它可以使用與實現RF收發機其它功能單元相同的工藝制作。這意味著VCO可以和其它的RF和IF單元集成在一起，如混頻器、低噪聲放大器(LNA)和鎖相環(PLL)。可以低成本地將VCO與其它接收機和發射機功能單元集成在一起的能力使單片VCO IC在商業上成為現實。商用900MHz擴頻無繩電話芯片組12是這種技術早期一個很好的例子。

90年代后期，對VCO IC技術的研究大大地加強了13–19。這很大程度上是因為無線市場的迅速膨漲，也得益于高頻雙極工藝、CMOS和BiCMOS工藝技術的發展。重大的研究與開發項目在工業和學術兩個水平上展開。研究者們都將注意力集中在改善相位噪聲、擴展工作頻率范圍和VCO調諧范圍的片上調整幾個方面，實現了一些有用的性能改進。這些改進使VCO滿足了允許它們在用于無繩電話、Bluetooth?、WLAN、GPS和DBS的RFIC中使用的電氣規范。表1是一些包含單片VCO的商用RFIC的簡單情況。

表1. 單片VCO集成在商用RFIC中的實例

Unit	Frequency Range (MHz)	Source	Application
MAX2622/23/24	855 to 998	Maxim	General purpose, 900MHz ISM
MAX2750–MAX2753	2025 to 2500	Maxim	General purpose, 2.4GHz ISM band
MAX2754	1145 to 1250	Maxim	2.4GHz cordless phones
MAX2114	925 to 2175	Maxim	DBS
MAX3580	170 to 230, 470 to 878	Maxim	DVB-T
MAX3540	54 to 100, 100 to 300, 300 to 860	Maxim	Analog/digital terrestrial receivers
MAX2900	902 to 928	Maxim	900MHz ISM band (wireless meter reading)
MAX2820	2400 to 2500	Maxim	802.11b WLAN
MAX2830	2400 to 2500	Maxim	802.11g WLAN
MAX2837	2300 to 2700	Maxim	802.16e Mobile WiMAXSM
MAX2838	3300 to 3900	Maxim	802.16e Mobile WiMAX
MAX2839	2300 to 2700	Maxim	802.11n WLAN with MIMO down link
RF105	902 to 928	Conexant?	900MHz cordless phones
SA2400	2400 to 2500	Philips?	802.11b WLAN
BlueCore-01	2400 to 2500	CSR	Bluetooth
TRF	2400 to 2500	TI?	Bluetooth
GRF2i/LP	1575	SiRF	GPS
AR5111	5.2GHz to 5.8GHz	Atheros?	802.11a WLAN

這些VCO IC和包含它們的集成解決方案比VCO模塊體積更小成本更低，比分立的解決方案應用起來更容易、更快速。這些單片VCO IC比過去的技術具有顯著提高的價值。

這一代VCO技術的性能足夠滿足無繩電話、無線數據傳送設備和DBS接收機這樣的系統的要求，因此在這些系統中得到了廣泛的使用。然而，相位噪聲性能目前仍然不能滿足更高數據速率的移動電話系統(如GSM、IS-136和CDMA等)的要求(噪聲過高，約為5dB至10dB)。電感的低Q值和過量的偏置噪聲限制了VCO相位噪聲的降低。盡管一些研究者展示的使用焊線電感獲得的結果是具有前途和希望的，實現低相位噪聲仍然很困難并且超出目前單片VCO IC技術能力范圍。然而，這看起來也只是暫時的。在過去的三年中(1999至2001)，VCO設計領域報導了許多重大的進展并且清晰地指出了一些未來的發展趨勢。

主要趨勢

很多發展趨勢正在影響著具有改進相位噪聲的單片VCO的開發。例如，基本的RFIC工藝在不斷改進，半導體工藝能實現的品質因數在不斷改善，各種有源和無源器件的性能也都在提高中。在硅工藝方面，現在已經能制造出fT超過50GHz的晶體管，具有寬電容比調諧范圍(低串連阻抗)的更高Q值變容二極管也可以實現。這些工藝的特點是具有更低損耗的襯底，它的金屬層更厚，電感Q值更高。采用這些工藝制作的器件可以減少寄生元件，使VCO具有更低的相位噪聲，更高的工作頻率和更低的電流消耗。

設計技術正在變得越來越先進。VCO的研究者通過發明更先進的電路來充分利用IC技術的能力以進一步改善VCO的性能。研究者們正在引入一些從前的分立VCO和模塊VCO方法不可能實現的技術，如差分振蕩器拓撲結構、振幅控制、二次陷波、用于改善耦合的IC轉換器、多振蕩器拓撲結構和一些能夠在更高頻率下工作的體系結構。

設計工程師們對VCO理論的理解也越來越深入。他們正在對過去的數學模型如Van der Pol等式和Leeson等式作進一步的研究，得出了新的解釋振蕩器工作現象(如調諧特性和相位噪聲性能)的分析表達式。例如，設計者們正在用Abidi關系改進Leeson的噪聲公式。除此之外，隨著個人電腦和工作站計算機處理能力的提高，計算機輔助工程(CAE)工具的功能和復雜程度也在提高之中，這使工程師們可以對VCO功能模型進行試驗以發現其性能的改進。

單片VCO技術新產品的數量在不斷地增多，并且這些高品質的VCO與收發機電路集成在一起。例如，用于WLAN和Bluetooth市場的最新的收發機在其RF收發機IC內集成了VCO，與使用分立元件相比極大地減小了產品尺寸。在更高性能的WLAN無線系統中(2.4GHz IEEE? 802.11b以及5GHz 802.11a)，系統需要具有非常低相位噪聲的更高性能VCO來滿足包數據率和阻塞水平的要求。

RFIC VCO技術的進步使這些集成產品對數量日益增長的商業RF應用更加具有吸引力，這些應用包括衛星接收機、CATV機頂盒、無線數據應用、無繩電話和移動電話等。顯然，單片VCO與分立和模塊化VCO解決方案相比在大批量的應用中正在獲得越來越多的份額。

單片VCO很快就會在所有大批量商用無線系統中成為最主流的振蕩器實現方案。從笨重的電子管電路到今天小于1平方毫米的硅片，VCO跨越了不同尋常的發展之路。



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