用变容管进行调谐,可以实现连续调谐,但是调谐范围受限。

 

那怎么实现宽的调谐范围呢?答案就是采用数字调谐。基本思想,就是使用一系列的电容,然后通过开关与主电路连接,来控制VCO的频率。可以把Vcont看成是"精调(fine control)", 控制离散电容的信号,称为"粗调(coarse control)".

 

这两种方法在很多电路中都有采用。比如说调频滤波器,也有两种思想,一种是用变容管来达到改变电容值的目的;另一种,就是用数字调谐,即用开关来将离散电容与主电路连接或断开。

 

(A)实现方法整体的调谐曲线入下图所示:fine control提供连续但是范围较窄的调谐;coarse control把连续调谐曲线上移或下降。这样,两者结合,就获得了宽调谐范围。

 

 

如果上述器件都是理想的话,那当所有阵列电容都接入主电路并且变容管调谐到最大容值时,VCO的频率最低;当所有阵列电容都未接入并且变容管调谐到最小值时,VCO频率最高。

 

 

上述架构中,有如下两个问题需要注意:

 

(1) 开关的导通电阻会降低谐振器的Q值。增加开关MOS管的宽度,可以降低导通电阻,从而降低其对谐振器Q值的影响。但是,开关管尺寸增加,它的漏极结电容和栅漏电容CDB+CGD也会增加,开关断开时,这个寄生电容与电容阵列电容串联,从而使得开关电容支路在断开时不是0,降低了数字调谐的效果。

 

因此,晶体管尺寸的选择,必须在开关管导通电阻(影响谐振回路的Q值)和寄生电容(影响调谐能力)之间进行折衷考虑。一个改善的办法,就是把开关架在两个阵列电容中间,如下图所示。则由于差分的对称性,开关管的导通电阻Ron被分成两个Ron/2,所以导通电阻下降一半。

 

 

(2) 数字调谐可能会有盲区,也就是说,当数字调谐时,有一条曲线切换到相邻的曲线时,上方曲线的最小频率没有和下方曲线的最大频率接上,导致有一段频率不会被覆盖到,如下左图所示。这个问题比较容易解决,就是让两个上下相邻的调谐曲线有一定的重叠,如下右图所示。

 

同时,这种交叠还有一种好处。观测下右图的调谐曲线,发现下面一条在w2处,曲线接近于平坦,Kvco接近于0,这个时候,为了保持kvco接近不变,则应该用上面一条调谐曲线。

 

 

(B) 调谐电容对谐振器Q值的影响先看一下有耗电感和有耗电容组成的并联谐振电路的Q值。在一个相对较窄的频率范围内,有耗电感和有耗电容都可以用一个并联电阻来模拟其寄生电阻。如下图所示:

 

 

其中,电感和电容的Q值分别为:

 

当谐振器处于谐振状态时:

 

整个谐振器的Q值为:

 

那如果在上面的并联谐振器上再加上一个有耗的变容管呢?

 

 

从上述推导可知,变容管的Q值被放大了1+C1/Cvar倍。

 

同样,如果再加上阵列电容呢? 假设有n列阵列电容,则其在开关导通的状态下,等效电路为:

 

 

 

那么加上变容管,阵列电容后的谐振电路的等效电路如下图所示。

 

 

和上面只增加变容管的推导类似,可以得到整个谐振电路的Q值。

 

 

所以,在阵列电容加上开关管的Q值不变的情况下,阵列电容的阵列数增加,也会降低整个谐振电路的Q值。

 

也就是说,虽然变容管和阵列电容的使用,会使得VCO的频率可调,但是这是以牺牲VCO的相噪为代价的。