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。
上一篇：解析数字滤波器
