使用变容管和阵列电容扩展VCO的调谐范围

用变容管进行调谐，可以实现连续调谐，但是调谐范围受限。

那怎么实现宽的调谐范围呢?

答案就是采用数字调谐。

基本思想，就是使用一系列的电容，然后通过开关与主电路连接，来控制VCO的频率。

可以把Vcont看成是"精调(fine control)", 控制离散电容的信号，称为"粗调(coarse control)".

这两种方法在很多电路中都有采用。

比如说调频滤波器，也有两种思想，一种是用变容管来达到改变电容值的目的;另一种，就是用数字调谐，即用开关来将离散电容与主电路连接或断开。

(A)实现方法

整体的调谐曲线入下图所示：

fine control提供连续但是范围较窄的调谐;coarse control把连续调谐曲线上移或下降。这样，两者结合，就获得了宽调谐范围。

如果上述器件都是理想的话，那当所有阵列电容都接入主电路并且变容管调谐到最大容值时，VCO的频率最低;当所有阵列电容都未接入并且变容管调谐到最小值时，VCO频率最高。

上述架构中，有如下两个问题需要注意：

(1) 开关的导通电阻会降低谐振器的Q值。

增加开关MOS管的宽度，可以降低导通电阻，从而降低其对谐振器Q值的影响。

但是，开关管尺寸增加，它的漏极结电容和栅漏电容CDB+CGD也会增加，开关断开时，这个寄生电容与电容阵列电容串联，从而使得开关电容支路在断开时不是0，降低了数字调谐的效果。因此，晶体管尺寸的选择，必须在开关管导通电阻(影响谐振回路的Q值)和寄生电容(影响调谐能力)之间进行折衷考虑。

一个改善的办法，就是把开关架在两个阵列电容中间，如下图所示。则由于差分的对称性，开关管的导通电阻Ron被分成两个Ron/2，所以导通电阻下降一半。

(2) 数字调谐可能会有盲区，也就是说，当数字调谐时，有一条曲线切换到相邻的曲线时，上方曲线的最小频率没有和下方曲线的最大频率接上，导致有一段频率不会被覆盖到，如下左图所示。

这个问题比较容易解决，就是让两个上下相邻的调谐曲线有一定的重叠，如下右图所示。

同时，这种交叠还有一种好处。观测下右图的调谐曲线，发现下面一条在w2处，曲线接近于平坦，Kvco接近于0，这个时候，为了保持kvco接近不变，则应该用上面一条调谐曲线。

(B) 调谐电容对谐振器Q值的影响

先看一下有耗电感和有耗电容组成的并联谐振电路的Q值。

在一个相对较窄的频率范围内，有耗电感和有耗电容都可以用一个并联电阻来模拟其寄生电阻。

如下图所示：

其中，电感和电容的Q值分别为：

当谐振器处于谐振状态时:

整个谐振器的Q值为：

那如果在上面的并联谐振器上再加上一个有耗的变容管呢?

从上述推导可知，变容管的Q值被放大了1+C1/Cvar倍。

同样，如果再加上阵列电容呢?

假设有n列阵列电容，则其在开关导通的状态下，等效电路为：

那么加上变容管，阵列电容后的谐振电路的等效电路如下图所示。

和上面只增加变容管的推导类似，可以得到整个谐振电路的Q值。

所以，在阵列电容加上开关管的Q值不变的情况下，阵列电容的阵列数增加，也会降低整个谐振电路的Q值。

也就是说，虽然变容管和阵列电容的使用，会使得VCO的频率可调，但是这是以牺牲VCO的相噪为代价的。

审核编辑：汤梓红