射频振荡器电路:集成电路的设计与布局

这个射频板可能包含一个射频振荡器。

如果你不是射频设计社区的成员，那么任何模拟振荡器的使用都可能看起来很深奥。随着新产品不断将设计推向更高频率，更多IC和电路板级别的设计人员应该熟悉RF振荡器组件和电路。

一旦达到GHz范围及以上，soc和ic就会成为射频振荡器比分立元件更好的选择。我们编译了一些任何设计师都应该理解的基本振荡器，以及一些工作在GHz范围的设计师的重要布局技巧。

射频振荡器的设计

有很多标准振荡器电路您可以使用现成的组件进行设计。这些电路通常包括一个或多个fet (BJT、JFET或MESFET)、无源元件、一个或多个运算放大器和/或一个变容二极管。要使这些电路运行到GHz频率，需要使用GaAs(小于~ 10ghz带宽)或GaN(大于~ 10ghz带宽)有源组件。

由于多种原因，这些由离散组件组成的振荡器很难在高GHz频率下运行。所涉及的问题是由于具有足够高谐振频率的非常小的电感和电容器的可用性，以及实际电路布局中的寄生。所涉及的成本也将比简单地使用射频振荡器IC或晶体振荡器更大。尽管有这些困难，你当然可以使用离散组件来构建一个运行在100兆赫或几兆赫的射频振荡器，使用COTS组件。

四个基本振荡器电路。

如果您正在设计一个必须在高功率下工作的自定义信号链，并且没有可用的RF振荡器ic，则可以从分立元件构建上述任何振荡器电路或VCO/VCXO/NCO电路。从分立元件中构建任何这些振荡器都需要具有足够高的自谐振频率的无源器件。

特定电路的输出可能是方形、三角形/锯齿形或指数(松弛振荡器)。将输出转换为正弦波的最简单方法是转换为积分器、微分器、高阶RC滤波器或剪切电路。例如，许多vco产生三角波，用施密特触发电路将其转换为方波。方波输出可以通过截止频率接近基本谐波的三阶(或更高阶)RC滤波器转换为近正弦波，尽管这在使用离散COTS分量的GHz频率下变得相当困难。更精确的信号转换方法需要运算放大器和LC槽电路，这有点超出了本文的范围。

将射频振荡器引入信号链

微波元件公司已经花费了相当多的时间来开发和完善射频振荡器电路的ic。这些组件往往具有相当低的相位噪声，并且通常是表面贴装组件，特别是在设计用于高频工作时。这些元件可以使用上面介绍的电路之一，也可以使用一个内部整数/分数锁相环用于高频频率合成。可供选择的频率范围从几兆赫到10兆赫。

这些射频振荡器ic也可以分别使用NCO或VCO来生成MHz或GHz信号。这些ic也可以用作锁相环反馈回路中的基本振荡器，并用于合成更大的频率。要小心这个实现，因为在这个系统中使用的任何射频振荡器都会有一些有限的带宽。此外，环路滤波器(基本上是一个低通滤波器)和相位检测器将捕获和锁定范围限制到较窄的值。您使用的振荡器应该有足够宽的带宽，以便与捕获/锁定范围重叠。

射频振荡器IC、由离散组件构建的任何射频振荡器以及信号链中的所有其他组件都应使用表面贴装组件，因为当通孔过孔与通孔组件一起使用时，可能会出现某些信号完整性问题。在sub-WiFi频率下，你可能不会有通孔组件的信号问题，只要你钻任何通孔和剩余的组件存根。然而，这增加了制造和组装成本，因为需要多个步骤来移除过孔和组件铅根。因此，最好在较高的射频频率下使用表面贴装组件。

连接器，例如这种边缘发射SMA连接器，在与任何射频振荡器使用时都需要精确的阻抗匹配。

毫米波振荡器路由

如果您使用毫米波频率的射频振荡器作为稳定的参考振荡器，您应该尽量避免使用任何过孔，特别是通孔过孔。毫米波板中通孔过孔的问题涉及到插入损耗和谐振。首先，这些结构往往相当大，因此它们的几何谐振频率往往类似于射频振荡器的输出频率。任何谐振信号都将成为电磁干扰和电容性的来源via-to-via耦合．

其次，很难将这些通孔的阻抗与互连相匹配，以防止反射并确保低插入损耗。对于高度稳定的RF参考振荡器，确保信号完整性和防止失真是至关重要的，并且过孔需要适当大小以防止插入损失。对于频率调制或用于调制另一个信号的射频振荡器，您的通孔需要精确构造，以具有足够宽的平坦带宽。例如，在HDI板中使用RF振荡器的5G调制方案(如滤波器组多载波(FBMC)、通用滤波多载波(UFMC)、广义频分复用(GFDM)和滤波OFDM (f-OFDM))中确保信号完整性是很困难的Via阻抗谱建模不当．

无论您是从零开始设计射频振荡器，还是需要将现有组件引入PCB中，您都可以设计、布局和模拟这些电路和PCB的行为PCB设计和分析软件．的仿真工具Allegro PCB Designer和全套分析工具从节奏是运行预布局模拟RF振荡器电路的理想选择。来自Cadence的布局后仿真工具也是检查复杂布局中可能出现的信号完整性问题的理想工具。

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