RFオシレータ：マイクロ波/mmWave製品用のVCO統合回路

投稿日三月 20, 2020
更新日六月 25, 2023

RFの世界はデジタル設計者にとっては難解なものであり、異なるシステムのためのコンポーネントの範囲をナビゲートするのは難しいことがあります。多くのアナログ信号処理はハードウェアレベルで行われ、仕事を成し遂げるには適切なアナログコンポーネントを選択することが必要です。重要なコンポーネントの一つがRFオシレータであり、信号源や安定した基準信号として使用できます。

異なるVCOは異なる信号レベルに対応していますが、基準オシレータの周波数を制御する便利な方法を提供します。直接周波数変調、周波数合成、安定した基準オシレータなどが直接的な応用例です。これらおよびその他のアプリケーションにVCOを選択する際に注意すべき点はこちらです。

VCOのRF製品への応用

多くの低電力無線およびRFアプリケーションはSoCへと移行しており、VCO、PLL、DSPコンポーネント、CPU、ADC/DACなどの機能が単一のユニットに統合されています。中間および高出力アプリケーションについては、専用のVCO ICと離散コンポーネントに依存する必要があるでしょう。さらに、GHz周波数で安定したオシレータやその他のアプリケーションのためのユニークなシステムを革新している場合、より高価なSoCを購入する前に全体的なシステム設計の一部としてVCO ICを使用すると役立ちます。

重要なVCO仕様

RGオシレータとして使用するためのVCOには、主に2つのタイプがあります。線形VCOは、LCタンク回路に統合されたバラクタを使用して正弦波形を生成するように設計されています。理想的なバラクタは非線形ですが、バラクタを通過する電圧降下にはほぼ線形と見なせる範囲があり、これが回路の調整範囲を決定します。リラクゼーションオシレータは、正方形、三角形、または鋸歯状の波形を生成するように設計されており、MMIC上で容易に形成されます。不安定なマルチバイブレータVCOは、リラクゼーションオシレータの一例であり、正方形の波を出力しますが、これは積分回路を使用して三角波に変換することができます。

理想的なVCOは、位相ノイズがなく、温度安定性がゼロで、線形の周波数範囲を持つ完全な正弦波/三角波/鋸歯状のトーンを出力します。実際のコンポーネントはこのように動作しませんが、しばしば近づくことができます。RFオシレータ用のVCOを選択する際に考慮すべきいくつかの重要な仕様はこちらです。

調整電圧範囲：これは、デバイスが受け入れることができる入力DC電圧の範囲を決定し、それが望ましい周波数に変換されます。
周波数範囲：データシートで見つかる周波数範囲は通常、線形範囲を示すグラフです。入力電圧対出力周波数グラフの上端を超えて増加させると、出力周波数がある最大値で飽和することがわかります。理想的には、周波数範囲は調整電圧の線形関数であるべきですが、常にそうなるわけではありません。
調整範囲：これは単に周波数範囲を入力電圧範囲で割ったものです（線形領域内で）。これは通常、MHz/VまたはGHz/Vの単位で一定値として引用されます。
温度安定性：異なるコンポーネントは異なる安定性レベルを持ちます。一般に、温度が上昇すると出力電力と出力周波数が減少しますが、減少量はコンポーネントによって異なります。これを確認することは、基板に必要な熱管理対策を決定する際に重要です。オシレータタイプ：VCOで使用されるオシレータのタイプを確認してください（上記参照）。
高調波/副調波出力：一部のVCOでは、出力で高次の高調波または低次の副調波に直接アクセスできます。通常、出力から基本周波数の2倍の第一高調波または基本周波数の半分の第一副調波にアクセスできます。
位相雑音：この仕様は、リダーやレーダーでのデジタルから時間への変換など、正確なタイミングが必要なアプリケーションにとって重要です。VCOが参照オシレータとして使用される場合にも、この仕様は重要です。

RFオシレータVCOコンポーネントオプション

Analog Devices, HMC739LP4E

Hittiteの買収後、Analog DevicesはHittite HMC739LP4E VCOをポートフォリオの一部として提供しています。このVCOは、標準の調整可能な周波数出力に加えて、半分の周波数と16分の1の出力を提供します。標準周波数は23.8から26.8 GHzまで線形に調整可能で、最大14 dBmの出力が可能であり、この範囲を超えるとわずかに非線形の調整が必要です。調整範囲は狭いですが、出力電力が比較的高く、ポイントツーポイント無線、ポイントツーマルチポイント無線、VSATアプリケーションに最適です。

このMMICは、GaAs-InGaPヘテロ接合バイポーラトランジスタを中心に構築されているため、調整範囲全体で効率的な出力を提供します。また、下記のグラフに示されているように、非常に低い位相雑音を持っています。

HMC739LP4E VCOのSSB位相雑音。HMC739LP4Eデータシートより。

MACOM, MAOC-009268-PKG003

MAOC-009268-PKG003は、GHz帯域の周波数生成用にInGaP HBTベースのVCOとしてMACOMから提供されるオプションの一つです。このVCOは、12.7GHzから14.2GHzまでの可変出力を最大9 dBmの出力で提供します。このコンポーネントは、最大1 dBmの出力で半分の周波数出力も提供します。このコンポーネントの利点の一つは、チューニング電圧範囲全体で出力が基本的に一定であることで、これは前のコンポーネントでは当てはまりません。また、下のグラフに示されているように、優れた温度安定性を持っています。

MAOC-009268-PKG003 VCOの温度安定性。 MAOC-009268-PKG003データシートより。

Texas Instruments, LMX2531LQE1415E

Texas InstrumentsのLMX2531LQE1415E VCOは、統合PLLを含む完全な周波数シンセサイザソリューションです。外部リファレンスオシレータと組み合わせることで、このデバイスはアップコンバージョンおよびダウンコンバージョン用の低ノイズ局部発振信号を生成します。また、分数Nデルタシグマ変調器（最大4次）を使用したチューニングのためのシリアル制御インターフェースも含まれています。理想的なアプリケーションには、衛星通信、セルラーベースステーション、CATV、データコンバーター用のクロッキングなどがあります。

オープンループおよびクローズドループの位相雑音。LMX2531LQE1415Eデータシートより。 (Alt text: LMX2531LQE1415Eの位相雑音プロット) https://drive.google.com/open?id=17CohCZB3_NKahnxiUMZC3tmM7tJezroq

市場には多くのRFオシレータVCOコンポーネントがありますが、ここではそのうちのいくつかを紹介しました。低電力アプリケーション向けの他のオプションには、統合VCOを持つPLLなどがあります。これらの統合コンポーネントや、RF製品用の多くの個別VCO ICは、Octopartで見つけることができます。

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