用緩沖放大器解決VCO問題

振蕩電路輸出的不良隔離會造成許多負面影響，本文描述了圍繞VCO電路出現的關鍵問題，如：負載牽引、電源推進、相位噪聲和鄰近功率放大器(PA) 輻射能量的影響。說明了如何利用VCO緩沖器隔離振蕩器緩解上述問題。文中給出了MAX2472/MAX2473 VCO緩沖器的應用電路和測試數據。

一般的設計慣例是通過引入緩沖放大器對兩個電路進行級間隔離。隔離可以將射頻(RF)中的許多不利影響減到最小。不夠好的輸出隔離會擾亂振蕩器的性能，所以振蕩器的輸出通常包括緩沖級。

在 討論增加緩沖放大器之前，我們考慮一些典型的VCO特性以及隔離問題是如何降低其性能的。例如，很普遍的一個問題是負載條件的變化會使VCO的頻率發生變 化(頻率牽引)。從VCO輸出看到的阻抗變化會引起VCO的有源器件結上DC電壓的變化。例如，雙極型器件集電極到基極電壓(Vcb)的變化會影響集電極 與基極之間的電容(Ccb)，從而通過影響整個槽路的諧振改變振蕩器頻率(圖1)。

圖1. 從這個Colpitts VCO輸出反射回來的信號功率能引起耗盡電流和偏置點的波動。其結果是晶體管Vcb的波動改變了Ccb，最終影響到振蕩器的頻率和相位噪聲。

另一個頻率牽引的現象有時被稱為注入捕獲或注入牽引。它考慮的是距離VCO工作頻率非常近的一個干擾信號帶來的影響。當VCO輸出端的干擾信號幅度足夠大時，將導致VCO為匹配干擾頻率而使其振蕩頻率產生漂移¹。

另一個會被糟糕的輸出隔離影響到的關鍵因數是相位噪聲。在過去的幾年中做了大量的研究以更好的描述振蕩器中相位噪聲的產生。產生相位噪聲的原因包括負載阻抗 的變化、反射回VCO輸出端的功率、過量的地電流和由于粗劣的RF電路板設計造成的輻射耦合。由這些因素引起的感應電壓變化能夠導致有源器件中偏置電流的 波動、對Ccb的調制效應、幅度的波動和其它能夠降低性能的細微問題²。

足夠的VCO隔離也要依賴于電路板的布板設計，無論這個VCO是分 立元件的、集成的還是模塊。VCO的工作狀態能夠被任何耦合到它的輻射RF能量干擾。能量可以直接耦合到VCO或者通過其它連接到VCO的電路或導線耦 合。即使是沒有與VCO連接只是在距離VCO很近的地方經過的導線也可以像天線一樣捕捉到輻射能量后再將其輻射給VCO。如果VCO的噪聲性能很重要，就應該時刻注意板面設計是否合適。

在 信號通道中傳導并反射回VCO輸出的RF能量也可以產生上面討論的問題。這種信號傳導引起的性能降低的一個原因是RF功率放大器(PA)的開、關操作，這 些操作可以引起信號通道或其他電路上阻抗的變化，于是將捕獲到輻射的RF能量并通過信號通道將其反向傳送。好的PCB面設計可以幫助將輻射和傳導引起的 VCO波動降低至最小。接地、屏蔽和VCO附近的布線方式都會影響VCO的工作和VCO緩沖電路能夠實現的隔離量。

既然已經指出了一些引起 性能降低的原理，了解它們在無線電工作中的具體表現是同樣重要的。當反射信號到達VCO時輸出隔離不好會降低PLL的鎖定時間。為緩解這一問題，將相位檢 測器輸入與接收機或發射機之間隔離是必要的。無論是在發射模式還是接收模式，相位噪聲的增加還會降低鄰信道保護。糟糕的VCO隔離還可能造成發射期間的調 制失真。

解決輻射干擾問題通常需要大量的思考和試驗，但我們只需增加一個VCO緩沖放大器就可以解決傳導干擾的問題。如MAX2472這種 集成的緩沖器能夠節約電路板的資源并為VCO提供完美的隔離。它的電路拓撲對于給LO和相位檢測器提供輸入信號同時保持它們和VCO之間的隔離是十分理想 的。

表1中給出的S參數的簡明分析體現了MAX2472的特點，這些特點使MAX2472成為解決糟糕的VCO輸出隔離問題的完美方案³ (圖2)。VCO和混頻器之間隔離的典型值在900MHz約為44dB，在1900MHz約為30dB。本器件在這些頻率還分別提供10dB和8dB的高 穩定度增益。

表1. MAX2472典型的S參數

圖2. 在900MHz, 這款IC (MAX2472)緩沖放大器具有約10dB的增益并為VCO與混頻器之間提供44dB的隔離。

當VCO的輸出只有一個信號通道時，MAX2473也是很好的VCO緩沖器，它能提供更大的反向隔離并使用同樣小的SOT23-6封裝。作為附加的特點，它的可調節偏置電流使蜂窩電話和其它電池供電應用中的耗用電流降至最小。

各種各樣的機理都可以降低移動無線環境中VCO的性能，但這些問題已經有解決的辦法。一些問題需要大量的分析和精細的解決方法，另一些問題則可以容易地解決。小尺寸，集成的VCO緩沖器MAX2472/MAX2473能夠為這些VCO問題提供簡單的解決方案。