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。
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