Napěťově řízený oscilátor - Voltage-controlled oscillator

A napěťově řízený oscilátor (VCO) je elektronický oscilátor jehož kmitání frekvence je řízen a Napětí vstup. Aplikované vstupní napětí určuje okamžitou frekvenci oscilace. V důsledku toho lze VCO použít pro frekvenční modulace (FM) nebo fázová modulace (PM) aplikací a modulační signál na řídicí vstup. VCO je také nedílnou součástí a fázově uzavřená smyčka.
A převodník napětí na frekvenci (VFC) je speciální typ VCO navržený pro velmi lineární řízení frekvence v širokém rozsahu vstupních řídicích napětí.[1][2][3]
Typy
VCO lze obecně rozdělit do dvou skupin na základě typu vytvářeného tvaru vlny.
- Lineární nebo harmonické oscilátory generovat sinusový průběh. Harmonické oscilátory v elektronice se obvykle skládají z rezonátoru se zesilovačem, který nahrazuje ztráty rezonátoru (aby se zabránilo rozpadu amplitudy) a izoluje rezonátor od výstupu (takže zátěž nemá vliv na rezonátor). Některé příklady harmonických oscilátorů jsou LC oscilátory a krystalové oscilátory.
- Relaxační oscilátory může generovat pilovitý nebo trojúhelníkový tvar vlny. Běžně se používají v integrované obvody (IC). Mohou poskytovat širokou škálu provozních frekvencí s minimálním počtem externích komponent.
Řízení frekvence

Kondenzátor řízený napětím je jedním ze způsobů, jak LC oscilátor měnit svou frekvenci v reakci na řídicí napětí. Jakékoli obrácené předpětí polovodičová dioda zobrazuje míru kapacitance závislé na napětí a lze ji použít ke změně frekvence oscilátoru změnou řídicího napětí přivedeného na diodu. Speciální proměnná kapacita varaktor diody jsou k dispozici s dobře charakterizovanými širokými hodnotami kapacity. Varaktor se používá ke změně kapacity (a tedy frekvence) LC nádrže. Varaktor může také změnit zatížení na krystalovém rezonátoru a vytáhnout jeho rezonanční frekvenci.
U nízkofrekvenčních VCO jsou jiné metody změny frekvence (například změna rychlosti nabíjení kondenzátoru pomocí napěťově řízeného aktuální zdroj ) se používají (viz generátor funkcí ).
Frekvence a kruhový oscilátor je řízen změnou buď napájecího napětí, proudu dostupného pro každý stupeň měniče, nebo kapacitního zatížení na každém stupni.
Rovnice fázové domény
VCO se používají v analogových aplikacích, jako je frekvenční modulace a klíčování kmitočtovým posunem. Funkční vztah mezi řídicím napětím a výstupní frekvencí pro VCO (zejména ty, které se používají při rádiová frekvence ) nemusí být lineární, ale na malých rozsazích je vztah přibližně lineární a lze použít lineární teorii řízení. Převodník napětí na frekvenci (VFC) je speciální typ VCO navržený tak, aby byl velmi lineární v širokém rozsahu vstupních napětí.
Modelování pro VCO se často nezabývá amplitudou nebo tvarem (sinusová vlna, trojúhelníková vlna, pilovitý zub), ale spíše jeho okamžitou fází. Ve skutečnosti není zaměření na signál v časové doméně A hřích(ωt+θ0) ale spíše argument sinusové funkce (fáze). V důsledku toho se modelování často provádí ve fázové doméně.
Okamžitá frekvence VCO je často modelována jako lineární vztah s jeho okamžitým řídicím napětím. Výstupní fáze oscilátoru je integrál okamžité frekvence.
- je okamžitá frekvence oscilátoru v čase t (ne amplituda křivky)
- je klidová frekvence oscilátoru (ne amplituda křivky)
- se nazývá citlivost nebo zisk oscilátoru. Jeho jednotky jsou hertz na volt.
- je frekvence VCO
- je výstupní fáze VCO
- je řídicí vstup v časové doméně nebo ladicí napětí VCO
Pro analýzu řídicího systému je Laplaceovy transformace z výše uvedených signálů jsou užitečné.
Návrh a obvody
Rozsah ladění, zisk ladění a fázový šum jsou důležité vlastnosti VCO. Obecně je u VCO preferován nízkofázový šum. Zisk ladění a šum přítomný v řídicím signálu ovlivňují fázový šum; vysoký šum nebo vysoký zisk ladění znamenají více fázového šumu. Dalšími důležitými prvky, které určují fázový šum, jsou zdroje blikání (1/F hluk) v obvodu,[4] úroveň výstupního výkonu a zatížení Q faktor rezonátoru.[5] (vidět Leesonova rovnice ). Nízkofrekvenční šum blikání ovlivňuje fázový šum, protože šum blikání je heterodyned na výstupní frekvenci oscilátoru v důsledku nelineární přenosové funkce aktivních zařízení. Účinek šumu lze snížit negativní zpětnou vazbou, která linearizuje přenosovou funkci (například emitorová degenerace ).
VCO mají obecně nižší faktor Q ve srovnání s podobnými oscilátory s pevnou frekvencí, a tak trpí více chvění. Chvění může být dostatečně nízké pro mnoho aplikací (jako je řízení ASIC), přičemž v tomto případě mají VCO výhody, že nemají žádné komponenty mimo čip (drahé) nebo induktory na čipu (nízké výtěžky u obecných procesů CMOS).
LC oscilátory
Běžně používané VCO obvody jsou Tleskat a Colpitts oscilátory. Nejpoužívanějším oscilátorem těchto dvou je Colpitts a tyto oscilátory jsou velmi podobné v konfiguraci.
Krystalové oscilátory

A napěťově řízený krystalový oscilátor (VCXO) slouží k jemnému nastavení pracovní frekvence. Frekvence napěťově řízeného krystalového oscilátoru se může měnit o několik desítek dílů na milion (ppm) v rozsahu řídicího napětí typicky 0 až 3 volty, protože vysoký Q faktor krystalů umožňuje frekvenční řízení pouze v malém rozsahu frekvencí.

A teplotně kompenzovaný VCXO (TCVCXO) obsahuje komponenty, které částečně korigují závislost na teplotě rezonanční frekvence krystalu. Menší rozsah řízení napětí pak stačí ke stabilizaci frekvence oscilátoru v aplikacích, kde teplota se liší, například teplo nahromadění uvnitř a vysílač.
Umístění oscilátoru do a křišťálová trouba při konstantní, ale vyšší než okolní teplotě je dalším způsobem stabilizace frekvence oscilátoru. Odkazy na krystalový oscilátor s vysokou stabilitou často umisťují krystal do pece a pro jemnou kontrolu používají vstup napětí.[6] Teplota je zvolena jako teplota obratu: teplota, kde malé změny nemají vliv na rezonanci. Řídící napětí lze použít k občasnému nastavení referenční frekvence na a NIST zdroj. Sofistikované konstrukce mohou také časem upravit řídicí napětí, aby kompenzovaly stárnutí krystalů.[Citace je zapotřebí ]
Generátory hodin
A generátor hodin je oscilátor, který poskytuje časovací signál pro synchronizaci operací v digitálních obvodech. Generátory hodin VCXO se používají v mnoha oblastech, jako je digitální televize, modemy, vysílače a počítače. Konstrukční parametry pro generátor hodin VCXO jsou rozsah ladění napětí, střední frekvence, rozsah ladění frekvence a časování chvění výstupního signálu. Jitter je forma fázový šum to musí být minimalizováno v aplikacích, jako jsou rádiové přijímače, vysílače a měřicí zařízení.
Pokud je zapotřebí širší výběr taktovacích frekvencí, výstup VCXO lze procházet digitálními dělícími obvody, aby se získaly nižší frekvence nebo se přivádí do fázově uzavřená smyčka (PLL). K dispozici jsou integrované obvody obsahující VCXO (pro externí krystal) a PLL. Typickou aplikací je poskytování hodinových frekvencí v rozsahu od 12 kHz do 96 kHz pro zvuk digitálně-analogový převodník.
Frekvenční syntezátory
A frekvenční syntezátor generuje přesné a nastavitelné frekvence založené na stabilních jednofrekvenčních hodinách. A digitálně řízený oscilátor založené na frekvenčním syntetizátoru může sloužit jako digitální alternativa k obvodům oscilátoru řízeného analogovým napětím.
Aplikace
VCO se používají v generátory funkcí, fázově uzamčené smyčky počítaje v to frekvenční syntezátory používané v komunikačních zařízeních a při výrobě elektronická hudba, pro generování variabilních tónů v syntezátory.
Generátory funkcí jsou nízkofrekvenční oscilátory, které obsahují více průběhů, obvykle sinusové, čtvercové a trojúhelníkové vlny. Generátory monolitických funkcí jsou řízeny napětím.
Analogové smyčky fázového závěsu obvykle obsahují VCO. Vysokofrekvenční VCO se obvykle používají v fázově uzamčené smyčky pro rádiové přijímače. Fázový šum je nejdůležitější specifikací v této aplikaci.[Citace je zapotřebí ]
Audiofrekvenční VCO se používají v analogových hudebních syntetizátorech. Pro tyto účely jsou často nejdůležitějším rozsahem rozsah, linearita a zkreslení. Audiofrekvenční VCO pro použití v hudebních kontextech byly v 80. letech do značné míry nahrazeny jejich digitálními protějšky, digitálně řízené oscilátory (DCO), kvůli jejich výstupní stabilitě tváří v tvář teplotním změnám během provozu. Od 90. let se hudební software stal dominantní metodou generující zvuk, ačkoli VCO získaly znovu popularitu, často díky svým přirozeným nedokonalostem.[Citace je zapotřebí ]
Převaděče napětí na frekvenci jsou napěťově řízené oscilátory s vysoce lineárním vztahem mezi aplikovaným napětím a frekvencí. Používají se k převodu pomalého analogového signálu (například z převodníku teploty) na signál vhodný pro přenos na velkou vzdálenost, protože frekvence nebude driftována ani ovlivněna hlukem. VCO v této aplikaci mohou mít sinusové nebo obdélníkové výstupy.
Pokud oscilátor pohání zařízení, které může generovat vysokofrekvenční rušení, přidává ke svému řídícímu vstupu měnící se napětí, tzv dithering,[7][8][9][10][11][12] může rozptýlit interferenční spektrum, aby bylo méně nežádoucí (viz hodiny s rozprostřeným spektrem ).
Viz také
- Nízkofrekvenční oscilace (LFO)
- Modulární syntezátor
- Numericky řízený oscilátor (Poddůstojník)
- Oscilátor s proměnnou frekvencí (VFO)
- Zesilovač s proměnným ziskem
- Filtr řízený napětím (VCF)
Reference
- ^ Godse, A.P .; Bakshi, USA (2009). Lineární integrované obvody a aplikace. Technické publikace. str. 497. ISBN 8189411306.
- ^ Drosg, Manfred; Steurer, Michael Morten (2014). Nakládání s elektronikou. Walter de Gruyter GmbH. 4.5.3. ISBN 3110385627.
- ^ Salivahanan, S. (2008). Lineární integrované obvody. Tata McGraw-Hill Education. str. 515. ISBN 0070648182.
- ^ Širokopásmové VCO z Herley - obecná mikrovlnná trouba - "Pro optimální výkon je použitým aktivním prvkem křemíkový bipolární tranzistor. (Toto nahrazuje GaAs FET, které obvykle vykazují o 10-20 dB horší výkon fázového šumu)" Archivováno 8. března 2012 v Wayback Machine
- ^ Rhea, Randall W. (1997), Návrh oscilátoru a počítačová simulace (Druhé vydání), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052415-7
- ^ Například referenční oscilátor HP / Agilent 10811
- ^ „Frekvenční modulace systémových hodin pro redukci EMI“ (PDF). hpl.hp.com. HP. Citováno 23. ledna 2020.
- ^ „Redukce EMI rozptylováním frekvence rozprostřeného spektra“. Incompliancemag.com. Publikování stejné stránky. Citováno 23. ledna 2020.
- ^ "Oscilátor - programovatelný rezistor s rozprostřeným spektrem". www.planetanalog.com. Planet Analog. Citováno 23. ledna 2020.
- ^ "Frekvenční dithering s UCC28950 a TLV3201". Zpráva o aplikaci TI. frekvence-dithering-s-ucc28950-a-tlv3201-1339689710.pdf: TI. SLUA646. Květen 2012.CS1 maint: umístění (odkaz)
- ^ Bell, Bob. „Rozptylte provozní frekvenci měniče výkonu, abyste snížili špičkové emise“ (PDF). m.eetcom. EE Times. Citováno 23. ledna 2020.
- ^ „Frekvenční ditheringový obvod předregulátoru PFC“ (PDF). www.ti.com. TI. Citováno 23. ledna 2020.
externí odkazy
- „Design společnosti V.C.O.“. Stránky s amatérským rádiem Iana Purdieho. Archivovány od originál dne 01.01.2019. Citováno 2018-01-28.
- Návrh VCO a vyrovnávacích pamětí pomocí rodiny duálních tranzistorů UPA