1、 黄河科技学院毕业设计（ 文献翻译 ） 第 1 页 压控振荡器（ VCO）技术综述 1. 前言 压控振荡器 (voltage-controlled oscillator, VCO) 是一种以电压输入来用来控制振荡频率的电子振荡电路 ,是现代无线电通信系统的重要组成部分课题。在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低发展的趋势下，应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题。环形振荡器易于集成，可调频率范围大，但相位噪声不如性能不如 LC 振荡器。 LC 压控振荡器要求高品质因素的无源器件，需要片上电感和变容管器件才能集成集成。 振荡器 自其诞生以来就一直在
2、通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压 :在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热 ；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制 ；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信 系统电路中，压控振荡器 (VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更
3、是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域， VCO 几乎与电流源和运放具有同等重要地位。 2. 主题 2.1 VCO 的发展过程 上世纪初， Armstrong 发明了电子管振荡器，经 Hartley 改进电路设计并开发成功电子管 VCO。电子管 VCO 的振荡频率是通过改变振荡电路中电感器或电容器的参数值来进行调节。当时人们对电子管振荡电路开展了大量的研究，今天仍在沿用的 Hartley，Colpitts， Clapp， Armstrong， Pierce 等经典振荡电路结构，就是当时的研究成果。 黄河科技学院毕业设计（ 文献翻译 ） 第 2 页 上世纪中叶，晶体管问世并很快取代电子管
4、成为振荡电路的有源器件。特别是变容二极管的应用对 VCO 的发展具有重要意义。变容二极管的电容随外加电压的改变而变化，用变容二极管作压控器件，改变其控制电压就可实现 VCO 振荡频率的调节。这样，晶体管、变容二极管和其他无源元件就构成了分立式的晶体管 VCO。这种晶体管 VCO实现了振荡频率的电子调谐，这是变容二极管对 VCO 发展的重大贡献。与电子管 VCO相比较，晶体管 VCO 具有电子调谐、体积小、成本低、功耗小、质 量好、调频范围设置简便等优点。晶体管 VCO 的发展也是是电视技术能在当时迅速推广的重要原因。 1960年至 1980 年，晶体管 VCO 被电子系统设计所广泛采用。到了
5、1980 年，情况发生了变化，混合集成的 VCO 组件和单片集成的 VCO IC 出现了。这两种新技术对 VC0 的发展产生了重要的影响。 VCO 从此就开始步入现代 VCO 技术的发展时期。各种 VCO 技术的寿命期与时间的关系示于图 l。该图简要地说明了 VCO 技术在过去 80 多年里的发展历程。 图 1 各种 VCO 技术寿命期 变容二极管、电容器、电感器等元器件的小型化为 制造 VCO 组件创造了条件。VCO 组件是一种混合集成电路器件，具有封装和外引线。虽然分立元件的晶体管 VCO具有按用户要求设计工作频率和调谐范围的灵活性，但一般在生产中都需要耗费大量的人工对确定频率的元件进行调
6、试，以消除元件误差对频率的影响。此外，分立元件 VCO 黄河科技学院毕业设计（ 文献翻译 ） 第 3 页 需要良好的屏蔽，其尺寸也比较大。分立元件的 VCO 已不能完全满足现代无线电子系统发展的要求。 20 世纪 80 年代末、 90 年代初，移动电话迅速发展，对带封装的振荡器组件的需求也日益增长。这为 VCO 组件的发展提供了难得的市场机遇。随着新型无线应用领域的不断发展， 各 VCO 组件厂商开发了适合不同应用领域所需频率的产品。由于表面安装元件的不断小型化 (1206， 0805， 0603， 0402 和 0201)，新开发的 VCO 组件的尺寸也越来越小，成本也越来越低。图 2 说明
7、了现代商用 VCO 组件尺寸随时间减小的变化情况。目前， VCO 组件达到了新的水平，其体积已减小到 4 mm5mm2mm，大批量供货 VCO的销售单价已降至 1 美元左右。 VCO 组件在 15 年中其尺寸急剧减小，满足了蜂窝电话等新型无线移动装置对小型化的要求。 VCO 组件体积变化过程图 2 20 世纪 90 年代末期，出现了一种尺 寸更小、成本更低的 VCO 技术，这就是单片集成 VCO 技术。单片集成 VCO 是一种半导体集成电路器件，其全部电路元件均集成在同一芯片上。这种器件像 VCO 组件一样，是一个完整的 VCO，具有封装和外引线。首批单片集成 VCO 采用 2 英寸 GaAs IC 工艺和单片微波集成电路 (MMIC)技术制造，是为卫星接收机和雷达系统研制的。其工作频率高达数 GHz，但成本高昂。大多数早期单片GaAs VCO 的研究工作都是针对军事应用展开的，很少涉及民用领域。在 20 世纪 80 年代， Si-IC 技术还是一种低频技术，不能为单片集成 VCO 提供上千兆 赫兹的工作频率和所需的带宽。
