1 引言

频率产生源是大多数电子系统必不可少的组成部分，更是无线通信系统的核心。压控振荡器（VCO）是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器，是频率产生源的关键部件。在许多现代通信系统中，VCO是可调信号源，用以实现锁相环（PLL）和其他频率合成源电路的快速频率调谐。VCO已广泛用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机和其他电子系统。VCO 对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响。相位噪声是VCO的一项关键参数。低相位噪声的VCO将提高通信系统的频带利用率、增加数据传输系统的数据传输速率。这是VCO对电子系统产生重要影响的一个例证。

电子装置和电子系统的发展不断推动着VCO技术的更新与进步。从现代和将来的无线系统，特别是无线移动通信系统，不仅具有很高的工作频率，而且对小型化、轻量化、高性能化、多功能化、 低功耗化和低成本化方面的要求不断提高且日益迫切。为适应这一需求，人们利用先进的微电子技术、表面安装技术（SMT）、表面安装元器件（SMC和SMD）技术和现代电路设计等，建立了全新的VCO技术，开发了许多工作频率高、性能优异、体积微小、价格合理的VCO产品投放市场，形成了新一代微波VCO系列。

2 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。

上世纪中叶，晶体管问世并很快取代电子管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1980年，情况发生了变化，混合集成的 VCO组件和单片集成的VCOIC出现了。这两种新技术对VCO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1。该图简要地说明了VCO技术在过去80多年里的发展历程。

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试，以消除元件误差对频率的影响。此外，分立元件VCO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 mm×5 mm×2mm，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。

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。

经过研究与开发，1990年Si-IC技术在高频化和无源元件集成方面获得重大进展，开发成功工作频率很高的晶体管、变容二极管和单片集成的高 Q值电感器与高频电容器。这为高频硅单片集成VCO的研究与开发奠定了技术基础。无线移动通信系统的发展，要求大批量提供成本低、体积小、工作在800～2500MHz频段的VCO。人们为此开展了大量的研究与开发工作。1992年，美国California大学首先报道了硅单片VCO IC的研究成果。其后，对硅单片VCO IC的研究进入繁荣期，采用不同技术方案的硅单片VCO IC相续问世。

硅单片VCO IC由高频双极晶体管-IC技术和Si CMOS-IC技术研制而成。在硅单片VCO IC的研制过程中，学术研究机构通常采用获得广泛应用的Si CMOS-IC技术，而工业界则采用RFIC专用的BiCMOS技术。硅单片集成VCO体积更小、成本更低并适合大批量生产的产品，而且可以采用RF收发前端的工艺技术进行制造。这表明，VCO可以与混频器、低噪声放大器、锁相环等其他RF收发前端的功能电路模块实现集成。正是由于硅单片 VCO IC具备这些潜在的优势，尽管早期产品性能欠佳，但人们对它的研究工作一直没有停顿。通过不断改进，其产品已广泛应用于无绳电话、蓝牙装置、WLAN、GPS、DBS等无线装置与系统之中。表1列出了一些单片集成VCO的应用实例。

目前，单片集成VCO还不能用于对相位噪声要求很高的应用领域。像GSM、CDMA等具有高数据速率的移动电话系统，还只能使用VCO组件。

3 单片集成低相位噪声SiGe VCO 技术

近年来，SiGe BiCMOS技术的发展令人瞩目，现已成为单片集成VCO最有前途的制造技术。用 SiGe BiCMOS技术制造的单片集成VCO具有相位噪声低等众多优异性能，可完全满足GSM、CDMA、 WCDMA和无线LAN等现代无线电通信系统的要求。

SiGe BiCMOS技术具有一系列优于Si BiCMOS技术和GaAs IC技术的性能，现已在无线通信系统IC芯片制造中获得广泛应用。SiGe BiCMOS技术采用SiGe HBT作有源器件，这是它与常规Si BiCMOS技术的主要区别。SiGe HBT是基区为SiGe应变层、发射区和集电区为硅的异质结双极晶体管，具有工作频率高、基极电阻低、击穿电压高等优异特性，其微波特性尤为突出。SiGe HBT的特征频率已达到210GHz的高水平。在微波频段，SiGe HBT已成为GaAs器件的竞争对手。此外，SiGe 的制造工艺可以同常规Si IC工艺相兼容。这种工艺兼容性使SiGe器件可以沿用硅大圆片IC的生产设施来进行制造。其生产成本比GaAs IC技术低得多。利用SiGe BiCMOS技术容易在同一芯片上实现无线通信系统的RF前端、基带信号处理电路和数字信号处理电路的集成。

采用SiGe BiCMOS技术制造单片集成VCO有许多优点，尤其在VCO相位噪声的降低方面作用突出。SiGe BiCMOS HBT改进了相位噪声本底电平和小频偏相位噪声。VCO的相位噪声本底电平由有源器件的散粒噪声、振荡电路中有源器件与无源器件的热噪声和偏置电路的注入噪声共同决定。SiGe HBT不仅特征频率很高，而且噪声系数很小，对设计低相位噪声VCO特别有利。有源器件的最小噪声系数是决定VCO噪声本底电平高低的主要因素。小频偏相位噪声主要同VCO振荡电路的加载 Q值、VCO有源器件的闪烁噪声与角频率有关。SiGe HBT的闪烁噪声小，角频率也很低。这对降低小频偏相位噪声十分有利。SiGe BiCMOS技术除了能制造性能优良的HBT之外，还能制造优质无源元件。这些片上集成的电感器、电容器等优质无源元件也为设计制造单片集成低相位噪声VCO创造了有利条件。

SiGe BiCMOS技术发展至今，已经形成0.5mm、0.25mm和0.18mm三代不同水平的SiGe技术。运用SiGe BiCMOS技术研究，开发单片集成VCO，已经取得了许多成果。有三种全集成VCO业已开发成功，其芯片均采用0.5mm SiGe BiCMOS生产工艺制造。第一种是为双频带GSM和DCS系统开发的产品。在该产品的芯片上，除了VCO核心电路之外，还集成了分频器。VCO核心电路的工作基为 3.6GHz，用于GSM时进行4分频，用于DCS时则进行2分频。这种VCO用于DCS系统中，当频偏为90kHz时，其相位噪声为－115dBc/Hz。第二种是为无线LAN和无线数字手机研制的产品。它的频率调谐范围宽，高达3.4～4.6GHz；其工作的电源电压范围也较广，达2～3V。而且，当电源电压变化时，VCO的RF性能变化极小。第三种VCO的工作频率为3.3～4GHz。当载频为3.37GHz、频偏为3MHz时，其相位噪声为－143.2dBc/Hz。该VCO具有每变化0.1V电源电压、频率改变低于 2MHz的电源牵引特性以及全相上发生2︰1驻波比负载阻抗变化时频率改变小于1MHz的负载牵引特性。此外，这种VCO含有共射-共基差分缓冲放大器，可以向100Ω负载输出0dBm的功率。这样大的输出功率通常可直接驱动三频带GSM接收机的混频器。VCO的额定电源压为2.8V，工作电流为 15mA。工作电流中包含有输出缓冲器消耗的5mA电流。

4 VCO技术的发展趋势

今后，VCO技术的研究与开发工作将继续围绕 VCO组件和单片集成VCO展开。但是，全集成单片VCO技术是研究工作的重点，也是未来VCO技术的发展方向。

为了适应现代无线系统发展的要求，VCO组件不断向小型、高频、宽带、高输出化和特性多样化方向发展。将采用新的超小型元件和更先进的薄膜技术与表面安装技术，继续推进VCO组件封装的微型化和表面安装化。通过晶体管的改进及振荡电路的开发，解决好小型化带来的谐振器Q值降低的问题和低功耗引起的特性劣化问题。第四代移动电话以及其他工作在微波频段高端的无线系统需要VCO组件进一步提高工作频率，实现VCO组件的高频化。开发工作频率更高的微波VCO组件是未来十分重要的研究课题。

SiGe BiCMOS等RF IC基础工艺技术正在不断发展与进步。半导体工艺制造有源器件与无源器件将具有更好的性能。现在，即使用Si工艺技术，也可制得fT 超过50GHz的晶体管和高Q值、大电容变比、低串联电阻的优质变容二极管。这类工艺技术还具有衬底损耗低、金属化层厚、器件寄生元件少等特点。利用这类工艺技术可以制造相位噪声低、工作频率高、工作电流小的单片集成VCO。

现代无线系统，尤其是现代无线移动通信系统，不仅要求VCO自身小型化和低成本化，而且希望VCO能同频率合成器与收发机的其他单元电路进行单片集成，以达到减小整机体积和成本的目的。此外，单片集成VCO的设计理论也在深化，设计技术也越来越先进。差分放大器、幅度控制、二次谐波抑止器、IC耦合变压器、复合振荡器、高频结构设计等技术正不断被纳入单片集成VCO的设计之中。利用单片集成VCO技术把优质VCO同收发机电路集成在一起的新产品不断问世。例如，在WLAN和蓝牙装置中，最新的收发机就把高质量的VCO同RF收发前端IC集成在一起，使其尺寸大大减小。WLAN系统（2.4GHz 802.11b型和5GHz 802.11a型）要求VCO具有很低的相位噪声。

由于RF IC VCO技术的不断发展，卫星接收机、CATV机顶盒、无线数据装置、无绳电话、移动电话等商用RF系统与装置越来越多地采用集成化频率源。显然，在大规模商业应用领域中，单片集成VCO占有的市场份额将不断增大，而分立元件VCO和VCO组件占有市场将逐步减少。单片集成VCO在大规模商用无线系统中占主导地位的时代很快就会到来。VCO技术已经实现了从笨重的电子管VCO电路到面积小于1mm2 Si IC的跨越。

5 结语

VCO是频率源的关键器件，已广泛应用于各种电子系统之中。VCO的性能对电子系统有决定性的影响。现代无线移动通信系统的发展促进VCO高频化，形成了新一代微波VCO。VCO组件和单片集成VCO是微波VCO的主要结构形式，是目前无线系统采用的主流产品。虽然，在总体性能水平方面，单片集成VCO目前还不如VCO组件好，但它具有集成优势，仍然是VCO未来发展的方向。在RF IC工艺技术中，SiGe BiCMOS技术是单片集成VCO最有前途的制造技术。