用于壓控振蕩器(VCO)的低噪聲調(diào)諧二極管

幾乎所有的射頻振蕩器都是電壓控制的。主要的單邊帶噪聲來(lái)自晶體管的固有噪聲源和調(diào)諧二極管的噪聲。已公布的晶體管閃爍噪聲指數(shù)（AF）和閃爍噪聲系數(shù)（KF）值通常是在μV射頻水平和正常直流工作條件下確定的。由于振蕩器中的射頻水平要高得多，在電路分析中必須考慮這一點(diǎn)。

由于數(shù)字應(yīng)用的要求，大多數(shù)半導(dǎo)體公司改變了調(diào)諧二極管的生產(chǎn)工藝，其結(jié)果是振蕩器相位噪聲惡化。另外，沒(méi)有一家二極管制造商規(guī)定振蕩器的相位噪聲，因?yàn)橛刑嗟恼袷幤麟娐返淖兓?/p>

為了開(kāi)發(fā)和鑒定低噪聲調(diào)諧二極管，有必要描述適當(dāng)?shù)恼袷幤鳎治銎潢P(guān)鍵的半導(dǎo)體元件，最后將調(diào)諧二極管與固定電容器的理想情況進(jìn)行比較。

三電抗振蕩器的分析

圖1顯示了一個(gè)振蕩器的一般電路。這通常被稱為Colpitts振蕩器1。它有一個(gè)電容分壓器、Z1和Z2、以及一個(gè)電感Z3。它的相位噪聲可以用微波仿真器確定。然而，通過(guò)這些程序，不可能區(qū)分出對(duì)輸出信號(hào)的各個(gè)噪聲貢獻(xiàn)。因此，這里提出了對(duì)振蕩器電路方程的直接分析。有源器件是一個(gè)三端器件，通常是一個(gè)晶體管2。

圖1使用放大器模型的通用振蕩器電路。ZL是負(fù)載。

圖2Colpitts振蕩器的基極引線電感Lp以及封裝電容Cp。3, p.132

圖2顯示了Colpitts振蕩器，包括引線和封裝寄生電容。在實(shí)踐中，調(diào)諧電路的損耗部分是電感。Rs1是諧振器的損耗。將Colpitts振蕩器的輸入阻抗ZIN（圖1）拆分為實(shí)部和虛部，得到：

其中：

RN：不含引線電感和封裝電容的負(fù)電阻

RNEQ：帶基極引線電感和封裝電容的負(fù)電阻

CEQ：帶基極引線電感和封裝電容的等效電容。

所示方法是基于單口振蕩器的結(jié)構(gòu)。3,4,5 ZIN的負(fù)實(shí)部補(bǔ)償了平行調(diào)諧電路的電阻損耗。

方程（1b）可以解出CEQ，見(jiàn)方程（2a），虛部。補(bǔ)償調(diào)諧電路損耗所需的電阻ZIN,package的"噪聲"負(fù)實(shí)部的精確計(jì)算由以下公式給出：

左邊部分是"噪聲"輸入電阻的負(fù)值部分。本征值RN是：

這是一個(gè)嘈雜的電子產(chǎn)生的負(fù)電阻。它結(jié)合了所有內(nèi)部噪聲源，在振蕩器載波頻率上進(jìn)行調(diào)制。

Leeson的經(jīng)驗(yàn)相位噪聲模型

E.J.Baghdady等人6首先給出了相位噪聲的定義。單邊帶相位噪聲方程式（3）是David Leeson7、Scherer和Rohde8給出的。Scherer是第一個(gè)將閃爍效應(yīng)引入Leeson方程的人，Rohde是第一個(gè)加入AM-PM（VCO，方程中的最后一項(xiàng)）轉(zhuǎn)換效應(yīng)的人，該效應(yīng)由有源器件的非線性電容引起。

Leeson的完整相位噪聲方程由以下公式給出：

其中：

￡(fm)=1Hz帶寬內(nèi)fm的邊帶功率與總功率之比，單位為dB

fm=頻率偏移，或調(diào)制頻率

f0=中心頻率

fc=閃爍角頻率

QL=調(diào)諧電路的負(fù)載Q，應(yīng)是無(wú)負(fù)載諧振器Q0的一半（功率匹配）

F=大信號(hào)噪聲系數(shù)

kT=4.1×10-21，在300K（室溫）下

Psav=振蕩器輸出的平均功率

R=調(diào)諧二極管的等效噪聲電阻（通常為200Ω至10kΩ]。

K0=振蕩器電壓增益

k=玻爾茲曼常數(shù)。

方程（3）的圖形顯示在圖3中。問(wèn)題是必要的數(shù)據(jù)，如輸出功率、大信號(hào)噪聲系數(shù)、加載的Q值和閃爍噪聲，都不是預(yù)先知道的。另一個(gè)問(wèn)題是，它沒(méi)有提供半導(dǎo)體器件的實(shí)際噪聲貢獻(xiàn)。下面顯示，VCO中調(diào)諧二極管的相位噪聲貢獻(xiàn)是關(guān)鍵部分，而不是晶體管本身。固定頻率振蕩器是最好的相位噪聲例子。

圖3振蕩器相位噪聲的等效反饋模型。3,8

根據(jù)fc和f0/2QL之間的關(guān)系，有兩種情況值得關(guān)注。對(duì)于低Q值的情況，頻譜相位噪聲不受諧振器Q值的影響，但￡(fm)譜密度將顯示在靠近載波的地方有1/f3和

審核編輯：湯梓紅