芯耀
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一、什么是VCO
压控振荡器（VCO）简单说就是“用输入电压控制输出频率的振荡器”。它能根据输入的直流电压，产生频率范围很广的信号——从几Hz（比如一秒振动几次的低频）到几百GHz（比如手机、雷达用的超高频）都能覆盖。
我们平时用的压控振荡器有好几种类型，常见的有RC振荡器、多谐振荡器、LC振荡器，还有晶体振荡器。不过要注意，如果是RC类型的压控振荡器，它输出信号的振荡频率，和电路里的电容容量是“成反比”的——意思就是电容容量越大，输出的频率就越低；电容容量越小，输出的频率就越高。
要是换成LC类型的振荡器，那它输出信号的振荡频率，就和电路里电感（L）的电感量、电容（C）的电容量都有关系 —— 具体来说，是和 “电感量乘以电容量” 的平方根成反比。
所以我们可以这么说：当输入电压（也就是控制电压）升高的时候，（电路里的）电容容量会变小。
这样一来，控制电压和振荡频率就是“成正比”的关系——意思就是，控制电压往上升，振荡频率也会跟着往上升；反过来，控制电压降下来，振荡频率也会跟着降。
（举个简单例子：就像调节收音机时，你调整的“控制电压”越高，电容容量变小，收音机里振荡器的频率就越高，就能接收到更高频率的电台了。）
图1：VCO中控制电压和输出频率之间关系示意图
上面这个图展示的就是VCO最基础的工作原理。从图里能看出来，当控制电压是“额定控制电压”的时候，振荡器会按照自己的“自由振荡频率”来运行。
要是控制电压比这个额定电压低，振荡器的频率也会跟着变低；反过来，要是控制电压比额定电压高，振荡器的频率也会跟着变高。
另外，实现“电压可控”靠的是一种叫“变容二极管”的元件——这种二极管的电容容量是能变的，而且有不同的容量调节范围。如果是在低频振荡器里，还会用“压控电流源”来改变电路里电容的充电速度，从而实现频率的控制。
二、VCO调谐系数KVCO
KVCO也常被叫VCO增益，用来表征：电压或者电流每变化1个单位，VCO的输出频率会跟着变多少。常用单位：Hz/V、Hz/A。
图2：VCO中调谐常数示意图
举个例子：
某款VCO调频范围是2.4GHz~2.483GHz（蓝牙标准频段），调频控制电压区间总跨度2.7V，那它的VCO控制电压这么算：
KVCO=(2.483-2.4)x10^9/2.7=30.7MHz/V
三、VCO的主要应用
VCO能实现低噪声和高稳定性，而且频率可调节，用起来很方便，特别适合那些需要可靠时钟定时的应用场景。
对很多系统来说，定时准不准至关重要，尤其是对那些配有高速数据转换器和高分辨率采样功能的现代电子系统。在这类系统里，时钟源就是“时间的掌控者”，系统的定时性能在很大程度上都取决于时钟源的表现。对有些系统设计师来说，一提到时钟源，他们首先想到的就是晶体振荡器，这类振荡器通常是单频的。但还有一部分设计师——尤其是那些需要让系统在多个时钟频率下实现同步的设计师——已经体会到用压控振荡器当时钟源的灵活性，觉得这种方案很实用。
压控振荡器能用作无线通信网络、视频广播系统和测试设备的时钟定时电路，其实只要是需要定时同步的系统，不管是用于数据处理、数字信号处理，还是逻辑信号信道传输，基本都能用它。在ADC、DAC的数据转换电路里，还有需要可靠时钟定时信号的逻辑电路中，压控振荡器都能发挥作用。
图3：VCO在接收链路中提供本振（LO）信号
这种可调节频率的高频振荡器，市面上很多供应商都有卖，形式也多种多样，从芯片到封装器件都有。这就导致，不管是为时钟定时应用挑选压控振荡器，还是为传统的模拟外差接收机选，都不是件简单的事。要给时钟定时应用选到合适的压控振荡器，就得先搞懂压控振荡器的性能参数，以及这些参数在时钟定时电路的时域领域里该怎么用。
设计时钟定时电路时，通常得严格把控时钟源的定时精度。时钟定时要是出了误差，数字系统的性能就会受影响，可能会导致数据丢失或者缺失。高速时钟信号的特点通常是上升沿和下降沿都很快，从幅度-时间图上能看到，它的峰值幅度很明显，而且边缘特别尖锐（如图5所示）。峰值前后的斜率越陡，说明噪声越少，定时误差也越小。如果时钟信号比最佳范围窄，或者比最佳范围宽，那就是相位噪声导致的时钟定时误差，这种误差会让系统性能打折扣。
图5：高速时钟需要信号具备陡峭的前后沿和快速的上升时间，这样才能清晰确定系统应用中的定时基准。
理想的时钟信号图上，信号轨迹的上升沿和下降沿应该接近垂直的90°，直接达到输出信号的峰值幅度。但实际情况是，现实中的时钟振荡器总会存在一定噪声——一方面是因为信号功率从载波扩散到了边带，另一方面是目标输出频率会产生谐波。除此之外，如果振荡器的带宽范围内存在非谐波的杂散信号源，也会带来噪声。另外，能量从载波扩散到边带还会导致信号的频率和相位出现波动，这种现象会用单边带（SSB）相位噪声来衡量（如图6所示）。这些噪声源都会让用作时钟源的振荡器产生定时误差。
图6：振荡器相位噪声用于衡量载波在不同偏移频率下的噪声水平。
虽说不存在绝对理想的时钟定时源，但性能不错的产品还是有的。单边带（SSB）相位噪声、谐波噪声和杂散噪声这些振荡器噪声参数，能帮我们判断某款振荡器是否适合用作时钟定时源。VCO会输出特定中心频率（fc）的信号，并且在这个中心频率周围有一定的调制带宽。它的调谐范围由最低频率、最高频率，以及为产生该范围内频率而施加给振荡器的调谐电压共同决定。
像视频广播系统、以太网系统这类采用异步时钟的应用，通常会用多个不同的时钟振荡器，给系统里的ADC、DAC、FPGA等不同组件当本地定时基准源。对于这类需要多个时钟信号的应用，这些时钟信号的频率会决定用作时钟振荡器的压控振荡器所需的最小调谐范围——有时还得额外预留带宽，好让系统能承受一定的频率偏差。另外，压控振荡器的调谐步长得能满足生成多个定时信号频率所需的频率分辨率（比如1KHz）。市面上的商用压控振荡器既有窄带调谐的，也有宽带调谐的，但不管哪种，其调谐响应都得能满足具体应用对频率分辨率的要求。
压控振荡器的频率控制还能用调谐速度来描述，调谐速度通常指施加调谐电压变化后，振荡器输出频率稳定到最终频率90%所需的时间。调谐速度也可以用压控振荡器的稳定时间来表示，稳定时间和调制带宽有关（带宽越宽，稳定时间越长）。
选择压控振荡器时，还得考虑以下几个额外的频率调谐参数：
- 调谐后漂移：施加调谐电压后的规定时间内，实际频率与目标频率产生的偏差；
- 频率推移：因电源电压变化导致实际频率与目标频率出现偏差，通常用MHz/V来表示；
- 频率牵引：受系统内其他组件（比如和压控振荡器相连的放大器、滤波器）的阻抗负载影响，实际频率与目标频率产生的偏差。
对于使用多个压控振荡器的系统，频率牵引可能会导致各时钟振荡器出现频率误差和定时差异，进而影响误码率（BER）和数字系统的整体性能。
四、噪声与抖动的控制
对于高速时钟定时电路来说，时钟振荡器得有高稳定性，并且尽可能降低各类噪声——包括单边带相位噪声、谐波噪声和杂散噪声。要是把压控振荡器用作时钟振荡器，这三类噪声都会拉低系统性能。
在频域中，靠近载波的单边带相位噪声（比如与载波偏移1KHz或10KHz的噪声）通常是重点关注对象。因为在接收机或发射机的频率转换应用中，这些噪声常和载波一起作为本振（LO）信号参与混频。
而在时域中，相位噪声会表现为“抖动”。此时，偏离载波较远的偏移频率处的高噪声水平更需重视——这意味着存在大量宽带噪声。如果把相位噪声换算成抖动，需要考虑的是总积分相位噪声（即所有偏移频率处的噪声总和），而远离载波的噪声会导致抖动增大。尤其对于用作时钟源的压控振荡器，远离载波的噪声会让时钟脉冲的上升沿、下降沿变缓（或者说边缘不够锐利），最终引发定时误差。
抖动指的是，相较于理想定时的时钟信号，振荡器输出时钟信号的边沿在定时上出现的偏差（如图7所示）。这种信号定时偏差由系统内的噪声引起，可能是以下因素导致的：工作温度变化、电源电压波动、阻抗负载条件改变、半导体器件自身噪声，以及周边电路的干扰。
在为时钟定时应用选择压控振荡器时，无论关注的是相位噪声还是抖动，为了实现最高精度的定时，都要选择这两个参数值尽可能小的产品。一般来说，在时钟定时电路中，单边带相位噪声足够低的压控振荡器，其抖动也会非常小。此外，由谐波信号和杂散信号产生的额外振荡器噪声，也会降低频域内振荡器的频谱纯度和时域内的抖动性能，所以这类噪声也得尽可能控制在最低水平。
图7：抖动用于衡量信号波形边沿在定时上的偏差程度。
要对比不同VCO在时钟定时应用中的相位噪声水平，通常不是件容易事——因为相位噪声会分布在目标载波频率（fc）周围的众多边带上。一般来说，靠近载波的相位噪声强度最高，随着与载波偏移距离的增加，噪声强度会逐渐降低。
相位噪声的变化通常呈现出三个斜率段：
- 靠近载波的区域，噪声斜率最陡，这类噪声也叫闪烁调频噪声；
- 中间斜率段的噪声被称为1/f噪声，随着与载波距离增加，噪声会稳步减弱；
- 离载波最远、噪声强度最低的区域，被称为白噪声（或宽带噪声）。
由于抖动相当于振荡器的总积分相位噪声，所以宽带相位噪声越高，抖动就越大。而高抖动会导致数字系统采样时间出错、信噪比（SNR）下降，还可能造成数字比特丢失或缺失。
相位噪声的测量方式是：在与载波频率有不同偏移量的位置，选取其中一个边带（高于fc或低于fc），测量该边带内1Hz带宽中的噪声水平。需要注意的是，对比不同振荡器的噪声水平时，必须确保它们的载波频率和偏移量是相同的。
因为噪声功率分布在低于或高于目标载波的频率上，所以相位噪声过高时，载波频率会出现一定程度的“失谐”，具体失谐情况取决于边带位置和偏移频率。对于时钟定时应用来说，载波所有偏移量处的单边带（SSB）相位噪声水平都很关键，尤其是偏移量超过10MHz的情况——这类偏移量在模拟应用中往往不会被重点关注。简单来说，压控振荡器的单边带相位噪声越低，其抖动就越小。
五、压控振荡器的连接方式
长期以来，模拟电路设计师会把压控振荡器的输出接到外差接收机的端口，作为LO信号，将RF输入信号转换为中频IF信号，以便后续处理。
而在混合信号和数字电路领域，DSP、ADC、DAC等组件会设有时钟输入端口，用于定时和同步。过去，这些时钟输入端口的信号通常由较低频率的时钟振荡器提供。但随着数字组件的速度和频率不断提升，压控振荡器越来越有可能成为时钟定时源的首选——因为它能提供时钟定时电路所需的更高频率、更低相位噪声和出色稳定性。压控振荡器的性能对模拟系统的影响已为人熟知，而它作为定时源，对数字系统同样具有重要价值。
幸运的是，对于时钟定时应用，我们可以借助文献中给出的公式，或者在压控振荡器的相位噪声图上叠加抖动模板（用于识别目标偏移频率处的噪声），将压控振荡器的相位噪声图和振荡器的频谱纯度（包括谐波噪声和杂散噪声）换算成抖动。
并非所有偏移量处的相位噪声都至关重要。比如在同步光网络（SONET）通信系统这类光通信应用中，传统上重点关注的是偏移量在12KHz到20MHz之间的噪声。总的来说，抖动模板（如图8所示）是确定设计限值的实用工具，比如可以用它确定与时域中所需抖动设计限值相对应的最大单边带相位噪声水平。
图8：借助抖动模板，能够把VCO在频域的频谱纯度特性，和它在时域的抖动性能关联起来进行评估。
最后总结一下：
VCO低噪声、高稳定且频率可调，适合作需可靠时钟定时的系统（如无线通信、视频广播等）时钟源，比单频晶体振荡器更灵活，但选型需懂其性能参数。还讲了VCO的调谐范围、速度等参数及影响因素，强调要控制单边带相位等噪声与抖动（因会致系统误差），并提及VCO在模拟与数字电路的连接应用，以及用公式或抖动模板换算噪声与抖动、确定设计限值的方法。
