量測 VCO 電路

在將Colpitts電路與LC-tank電路中可變電容都做一詳細量測，接下來便是將 Colpitts電路與LC-tank組合為一VCO電路（Voltage Controlled Oscillator），並做VCO 電路的量測。關於VCO電路的量測有很多項目，其中以VCO隨著偏壓電壓而改變 的輸出頻率、輸出功率、消耗功率以及VCO的相位雜訊（Phase-Noise）….等。在 這個章節中，所用的VCO是由以下幾種所組成的：Colpitts電路、PCB是用 4 層板、

回授電容（C1 及C2）為 68pF，VCO的電源是 5V以及LC-tank電路中的可變電容分 別是Al/HfO2/Si以及飛力普（Philps）所提供的BB135 型號P-N接面電容。所以將分 為幾個小節分別討論不同的可變電容在相同的電路及板材所表現前述所提之VCO 電路的特性。

4.4.1 VCO 電路之輸出功率

在這一個章節，主要是用Agilent-E5052A儀器來量測Colpitts型態之VCO電路 的輸出功率。因此將在LC-tank電路中的Al/HfO2/Si浮接電容以及型號為BB135 之 P-N接面電容的可變電容，分別量測VCO電路輸出功率對應其LC-tank電路的調變 電壓，調變電壓範圍為-4V~2V，如Fig. 4-10所示。在可變電容是型號為BB135 之 P-N接面電容時，可看出VCO電路輸出功率會隨偏壓電壓的增加而下降，其偏壓電 壓為0V跟 1.8V分別所對應的輸出功率為-23.7dBmW及-36.7dBmW，至於為何輸出 功率會降低是因為所操作的頻率越靠近S11 為-180°以及Colpitts電路的S11 在超過 94.87 MHz以後，便會隨著頻率的增加而減少，也就是負阻抗越來越小以至於VCO 電路越來越不穩定，可參考Fig. 4-6。因為從Fig. 4-7 可知Al/HfO2/Si浮接電容的 Depletion電壓範圍為-4V~0V，所以可變電容為Al/HfO2/Si浮接電容時，但VCO輸出 功率並不隨偏壓電壓增加而有所改變，大約是-37.7dBmW。所以在VCO電路搭配 型號為BB135 之P-N接面的可變電容的輸出功率比Al/HfO2/Si可變電容要來的大。

-4 -2 0 2

-38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -24 -22

Out p ut Pow e r ( d BmW )

Variable Bias-Voltage (V)

Al/HfO

2/Si BB135(Philips)

C1=C2=68pF VCO circuit

VCC: 5V ; 4-layer PCB

Fig. 4-10 使用 4 層PCB、回授電容為 68pF及電源為 5V之VCO電路，並分別量測可 變電容為Al/HfO2/Si 和型號為BB135 之P-N接面電容的VCO電路之輸出功率。

4.4.2 VCO 電路電源損耗

因為功率的損耗（Power Consumption）會影響產品在電池狀態下所使用的時 間，也會使產品產生熱，而熱會使得VCO電路的振盪頻率較易發生大的偏移相位，

也會增加VCO電路的電源電流。所以必須要量測其VCO所產生的功率損耗。Colpitts 型態的VCO電路搭配Al/HfO2/Si電容以及型號為BB135 的P-N接面電容來量測其電 源損耗，如Fig. 4-11。當可變電容為Al/HfO2/Si，因為從Fig. 4-7可知Al/HfO2/Si浮 接電容的Depletion電壓範圍為-4 V~0 V，所量測VCO的電源損耗大約為 66.9mW。

然而可變電容為BB135 之P-N接面電容時，其VCO電路的電源損耗比可變電容為 Al/HfO2/Si時要來的小，大約 65.6~66.2mW。

-4 -2 0 2

50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

Power Consum p ti on ( m W )

Variable Bias-Voltage(V)

Al/HfO₂/Si BB135(Philips) C1=C2=68pF

VCO circuit

VCC: 5V ; 4-layer PCB

Fig. 4-11 使用 4 層PCB、回授電容為 68pF以及電源為 5V之VCO電路，並分別量測 可變電容為Al/HfO2/Si 和型號為BB135 之P-N接面電容的VCO電路之電源損耗。

4.4.3 VCO 電路輸出的相位雜訊

在第二章所提到的ISF（Impulse Sensitivity Function）以及相位雜訊分別是在 討論VCO在時域及頻域的穩定度。而VCO電路在頻域所表現出來的穩定度，可用 其相位雜訊來表示其VCO電路的相位偏移程度大小，這也是當VCO電路在PLL

（Phase Locked Loop）電路中所扮演的角色好壞。雖然相位雜訊在第二章的2.3.5 節 有 探 討 其 來 源 ， 但 大 都 是 用 量 測 的 方 式 來 進 行 ， 所 以 在 這 一 章 節 是 用 Agilent-E5052A儀器來量測VCO電路分別搭配Al/HfO2/Si浮接電容及型號為BB135 之P-N接面電容時的相位雜訊，其VCO電路是Colpitts型態、電源是 5V以及回授電 容（C1、C2）為 68pF。從Fig. 4-12並可說明，分別量測VCO電路中所使用的可變 電容分別為Al/HfO2/Si及BB135 的相位雜訊，可變電容之調變電壓為 0V、量測的 偏移之頻率範圍為10 KHz~10 MHz時，VCO電路所振盪之頻率分別為 243 MHz以 及288 MHz。由Fig. 4-12是分別量測VCO電路的 2 種可變電容為Al/HfO2/Si以及P-N 接面電容時，搭配Al/HfO2/Si的可變電容之VCO振盪頻率為 243MHz，在偏移頻率 為1MHz所量到的相位雜訊為-121.32 dBc/Hz，量測的偏移頻率從 10 KHz~1 MHz 都是平緩往下遞減是一個1/f²的範圍，超過1 MHz的偏移頻率便是 1/f的範圍，f是 VCO電路振盪之頻率，可參考2.3.5章節；當VCO電路中的可變電容為型號BB135 之P-N接面電容時，調變電壓為 0V時之VCO電路振盪頻率為 288MHz，在偏移頻 率為 1MHz所量到的相位雜訊為-127.09dBc/Hz量測的偏移頻率從 10 KHz~1 MHz 都是平緩往下遞減是一個1/f²的範圍，超過1 MHz的偏移頻率便是 1/f的範圍 [22, 23]，從第二章的Fig. 2-7通用相位雜訊（General phase-noise）不難看出Fig. 4-12是 有互相對應的。

10

10

10

10

-150

-140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70

-60

2/Si@243.34MHz BB135(Philips)@288MHz

Phase N o is e ( d B c /H z )