Podstawy oscylatorów sterowanych napięciem (VCO), ich dobór i zastosowanie

W wielu zastosowaniach elektronicznych wymaga się, aby częstotliwość sygnału zmieniała się w zależności od amplitudy innego sygnału. Dobrym przykładem jest sygnał z modulacją częstotliwości, w którym częstotliwość nośna zmienia się wraz z amplitudą źródła modulacji. Można również rozważyć pętlę ze sprzężeniem fazowym (PLL): wykorzystuje ona układ sterowania zmieniający częstotliwość i/lub fazę oscylatora, aby dopasować je do częstotliwości lub fazy wejściowego sygnału odniesienia.

Celem dla projektantów jest określenie, jak wykonywać tę funkcję w sposób jak najbardziej sprawny i ekonomiczny, przy jednoczesnym zapewnieniu dokładności, niezawodności i stabilności z upływem czasu i w zmiennej temperaturze.

Jest to funkcja oscylatorów sterowanych napięciem (VCO). Urządzenia te są przeznaczone do generowania sygnału wyjściowego, którego częstotliwość zmienia się w zależności od amplitudy napięcia sygnału wejściowego w rozsądnym zakresie częstotliwości. Są one stosowane w pętlach ze sprzężeniem fazowym (PLL), modulatorach częstotliwości i fazy, radarach i wielu innych układach elektronicznych.

Ten artykuł wyjaśnia, dlaczego oscylatory sterowane napięciem (VCO) często są najlepszym wyborem projektanta dla tej funkcji, a następnie krótko opisuje działanie oscylatorów VCO oraz ich konstrukcje - od projektów komponentów dyskretnych do monolitycznych układów scalonych VCO. Następnie artykuł zajmuje się kwestią dopasowania oscylatorów VCO do określonych zastosowań z wykorzystaniem praktycznych przykładów od różnych dostawców, w tym Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions i Crystek Corporation.

Jakie zadanie spełnia oscylator sterowany napięciem (VCO)?

Jak już wspomniano, w wielu zastosowaniach elektronicznych wymaga się, aby częstotliwość lub faza sygnału zmieniała się, lub była sterowana na podstawie amplitudy innego sygnału. Typowe zastosowania obejmują systemy komunikacji, sygnały świergotowe w radarach, śledzenie częstotliwości w pętlach PLL oraz zastosowania z przeskokami częstotliwości, takie jak systemy zdalnego otwierania zamków bez użycia kluczy (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przykłady zastosowań wymagających zmienności częstotliwości lub sterowanych fazowo przez napięcie podawanego sygnału obejmują modulację częstotliwości w systemach komunikacji (góra), sygnały świergotowe w radarach (drugi od góry), śledzenie fazy w pętlach ze sprzężeniem fazowym (trzeci od góry) i zastosowania z rozrzutem częstotliwości, takie jak systemy zdalnego otwierania zamków bez użycia kluczy (dół). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Oscylatory sterowane napięciem są przeznaczone do generowania sygnału wyjściowego, którego częstotliwość zmienia się w zależności od amplitudy sygnału wejściowego w rozsądnym zakresie częstotliwości.

Jak działają oscylatory sterowane napięciem

Oscylatory sterowane napięciem (VCO) są dostępne w formie dyskretnej, modułowej i monolitycznej, jednak omówienie oscylatorów VCO w postaci dyskretnej zapewni zrozumienie podstaw ich działania oraz znaczenia pewnych specyfikacji. W dalszej części zostaną omówione rozwiązania modułowe i monolityczne.

Stosując oscylatory VCO w formie dyskretnej, projektanci mają dużą elastyczność pod względem spełniania niestandardowych specyfikacji. Takie podejście jest szczególnie powszechne w projektach typu „zrób to sam” (DIY), zwłaszcza w radioamatorstwie. Takie konstrukcje, przeznaczone do pracy w projektach radiowych wysokiej częstotliwości, bazują na klasycznych topologiach oscylatorów, w tym oscylatorów z cewkami indukcyjnymi i kondensatorami (LC) Hartleya i Colpittsa (ilustracja 2).

Ilustracja 2: oscylatory klasyczne, w tym oscylatory LC Hartleya i Colpittsa, można wykorzystać jako podstawę konstrukcji oscylatora sterowanego napięciem (VCO). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Wszystkie oscylatory opierają się na wykorzystaniu dodatniego sprzężenia zwrotnego dla uzyskania drgań podtrzymywanych. Oscylatory Hartleya i Colpittsa to podstawowe konstrukcje wytwarzające dodatnie sprzężenie zwrotne na różne sposoby. Dodatnie sprzężenie zwrotne wymaga, aby sygnał z wyjścia oscylatora wracał na wejście z całkowitym przesunięciem fazowym wynoszącym 360°. Wzmacniacz zapewnia odwrócenie jednej fazy wynoszące 180°, a druga połowa 360° pochodzi z parametrów LC obwodu rezonansowego. Obwód rezonansowy determinuje częstotliwość nominalną oscylacji. Składa się on z elementów L1, L2 i Ct w obwodzie oscylatora Hartleya, oraz L1, Ct1 i Ct2 w oscylatorze Colpittsa.

Oscylator Harttleya wykorzystuje sprzężenie indukcyjne, aby uzyskać odwrócenie fazy za pomocą podwójnej lub dzielonej cewki indukcyjnej (L1 i L2) przedstawionej na schemacie. Oscylator Colpittsa wykorzystuje pojemnościowy dzielnik napięcia składający się z elementów Ct1 i Ct2 w odpowiednim obwodzie. Z tych podstawowych konstrukcji wywodzi się wiele innych, z których każda ma swoją nazwę. W konstrukcjach pochodnych dąży się do odizolowania obwodu rezonansowego od wzmacniacza, aby zapobiec przesunięciom częstotliwości spowodowanym obciążeniem. Istnieje wiele konstrukcji pochodnych, z których projektanci mogą wybrać tę, która najbardziej im odpowiada.

W konstrukcjach tych sterowanie częstotliwością jest realizowane przez dodanie diod waraktorowych zmieniających częstotliwość rezonansową obwodu. Dioda waraktorowa, zwana czasem warikapem, jest diodą złączową zaprojektowaną w celu uzyskania zmiennej pojemności. Złącze P-N jest spolaryzowane zaporowo, a pojemność diody można zmieniać, kontrolując wartość zastosowanej polaryzacji prądu stałego. Pojemność waraktora zmienia się w sposób odwrotnie proporcjonalny do zastosowanej polaryzacji zaporowej prądu stałego: im wyższa wartość polaryzacji zaporowej, tym szerszy obszar zubożony diody, a co za tym idzie - mniejsza pojemność. Zmienność ta została przedstawiona na wykresie pojemności względem napięcia wstecznego dla złączowej diody waraktorowej o bardzo szybkim skoku pojemności - SMV1232_079LF - firmy Skyworks Solutions (ilustracja 3). Omawiana dioda ma pojemność 4,15pF przy napięciu zerowym i 0,96pF przy napięciu 8V.

Ilustracja 3: wykres pojemności względem napięcia diody waraktorowej SMV1232 wykazuje wyraźnie zmianę pojemności w sposób odwrotnie proporcjonalny do przyłożonej polaryzacji prądu stałego. (Źródło ilustracji: Skyworks Solutions)

Zakres pojemności diody waraktorowej określa zakres strojenia oscylatora sterowanego napięciem (VCO). Sterowanie oscylatora napięciem jest realizowane przez dodanie waraktora równolegle z obwodem rezonansowym, jak pokazano na ilustracji 4. Na ilustracji przedstawiono płytkę ewaluacyjną z projektem referencyjnym sterowanego napięciem oscylatora Colpittsa o częstotliwości środkowej 1GHz i zakresie strojenia około 100MHz. Zawiera ona wtórnik emiterowy, izolujący oscylator VCO od zmian obciążenia. Obwód rezonansowy w tej konstrukcji zawiera cewkę indukcyjną L3 i kondensatory C4, C7 i C8. Dioda waraktorowa, VC1, jest równoległa do obwodu rezonansowego. Kondensator C4 kontroluje zakres zmienności częstotliwości dla wybranego waraktora, podczas gdy C7 i C8 zapewniają wymagane sprzężenie zwrotne w celu podtrzymania drgań.

Ilustracja 4: płytka ewaluacyjna z projektem referencyjnym sterowanego napięciem oscylatora Colpittsa o częstotliwości środkowej 1GHz i zakresie strojenia około 100MHz. Dioda waraktorowa VC1 (na dole z lewej strony) jest równoległa do obwodu rezonansowego, zawierającego cewkę indukcyjną L3 i kondensatory C4, C7 oraz C8. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Dobór waraktorów i bipolarnych tranzystorów złączowych zależy od częstotliwości oscylatora. Dla częstotliwości nominalnych 1GHz można zastosować tranzystory o częstotliwościach radiowych, takie jak BFU520WX firmy NXP Semiconductor lub BFP420FH6327XTSA1 firmy Infineon Technologies. Tranzystor BFU520WX ma częstotliwość przejścia 10GHz i wzmocnienie 18,8dB, zaś tranzystor BFP420FH6327XTSA1 ma częstotliwość przejścia 25GHz i wzmocnienie 19,5dB. Oba mają wystarczający iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma dla tego obwodu przy częstotliwości 1GHz.

Podsumowując, dyskretne oscylatory sterowane napięciem (VCO) zapewniają maksymalną elastyczność projektową, jednak są większe i zajmują więcej miejsca na płytce drukowanej niż urządzenia modułowe lub monolityczne.

Określanie specyfikacji oscylatorów VCO

Zasadnicze specyfikacje oscylatorów sterowanych napięciem (VCO) zwykle zaczynają się od zakresu częstotliwości nominalnych, czyli minimalnej i maksymalnej częstotliwości możliwej do uzyskania. Mogą one być również określone jako częstotliwość nominalna lub środkowa i zakres strojenia.

Zakres napięć wejściowych strojenia odpowiada zmianom napięcia wejściowego, które stroi oscylator VCO w zakresie strojenia (ilustracja 5).

Ilustracja 5: wykres krzywej strojenia częstotliwości wyjściowej w funkcji strojącego napięcia wejściowego przedstawia zasadniczy widok liniowości oscylatora VCO w porównaniu z dopasowaniem liniowym. Nachylenie częstotliwości wyjściowej w funkcji napięcia strojenia definiuje czułość strojenia. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Wzmocnienie lub czułość strojenia, mierzone w jednostkach MHz/V jest nachyleniem wykresu częstotliwości w stosunku do napięcia. Jest to miara liniowości strojenia. W zastosowaniach, w których oscylator VCO znajduje się w pętli sterowania jak w przypadku syntezy PLL, czułość strojenia jest wzmocnieniem elementu VCO i może wpływać na dynamikę oraz stabilność pętli sterowania.

Moc wyjściowa oscylatora VCO określa moc dostarczaną do odbiornika o określonej impedancji, zwykle 50Ω w przypadku oscylatorów VCO o częstotliwościach radiowych. Moc wyjściowa jest podawana w dB w odniesieniu 1mW (dBm). Interesująca może również być płaskość wykresu mocy wyjściowej w zakresie częstotliwości oscylatora VCO.

Wymuszenie obciążenia polega na zmianie częstotliwości wyjściowej oscylatora VCO z powodu zmian w impedancji odbiornika, mierzonej w MHz między szczytami (p-p). Izolację odbiornika zwykle można poprawić, używając wzmacniacza buforowego takiego jak wtórnik emiterowy pokazany na ilustracji 4.

Wymuszenie zasilania polega na zmianie częstotliwości wyjściowej oscylatora VCO z powodu zmian w napięciu zasilania. Jest ono mierzone w MHz/V.

Specyfikacja szumów fazowych jest wskaźnikiem czystości sygnału oscylatora VCO. Idealny oscylator ma widmo częstotliwości, które jest wąską linią widmową dla częstotliwości oscylatora. Szum fazowy stanowi niepożądaną modulację oscylatora i poszerza wrażliwość widmową. Szum fazowy jest wytwarzany przez źródła termiczne oraz inne źródła szumów w obwodzie oscylatora i jest podawany w decybelach poniżej nośnej na Hz (dBc/Hz). Szum fazowy w dziedzinie częstotliwości skutkuje fluktuacjami czasowymi w dziedzinie czasu, objawiającymi się jako błąd przedziału czasowego (TIE).

Modułowe oscylatory VCO

Modułowe oscylatory sterowane napięciem (VCO) stanowią następny, wyższy poziom integracji obwodów. Omawiane oscylatory VCO są upakowane w małej, modułowej obudowie i są używane jako jeden komponent. Modułowe oscylatory VCO zazwyczaj zapewniają wyższą gęstość upakowania w porównaniu z dyskretną implementacją oscylatora VCO. Są one dostępne z różnymi częstotliwościami wyjściowymi, zakresami strojenia i poziomami mocy wyjściowej. Jednym z przykładów jest oscylator VCO CRBV55BE-0325-0775 firmy Crystek Corporation (ilustracja 6). Urządzenie ma wymiary 31,75 x 14,99mm i wysokość 31,75mm oraz zakres strojenia od 325 do 775MHz przy zakresie napięć wejściowych od 0 do 12V. Jego typowy poziom mocy wyjściowej wynosi +7dBm przy szumie fazowym -98dBc/Hz z przesunięciem 10kHz od nośnej oraz -118dBc/Hz przy 100kHz.

Ilustracja 6: rysunki poglądowe oscylatora VCO CRBV55BE firmy Crystek, ilustrujące jego kompaktowe rozmiary 31,75 × 31,75 × 14,99mm. (Źródło ilustracji: Crystek Corporation)

Jeśli chodzi o dynamikę sterowania, oscylator VCO firmy Crystek ma typową czułość strojenia 45MHz/V. Wymuszenie zasilania jest określone jako wartość typowa 0,5MHz/V i wartość maksymalna 1,5MHz/V. Wymuszenie obciążenia wynosi maksymalnie 5,0MHz p-p.

Monolityczne oscylatory VCO

Oscylatory sterowane napięciem (VCO) mogą mieć postać monolitycznych układów scalonych. Monolityczny układ scalony zapewnia najwyższą gęstość upakowania. Podobnie jak modułowe oscylatory VCO, również monolityczne oscylatory VCO są projektowane dla określonych pasm pracy. Jako przykład można podać układ MAX2623EUA+T firmy Maxim Integrated. Jest to niezależny oscylator VCO ze zintegrowanym oscylatorem i buforem wyjściowym w jednej, 8-wtykowej obudowie mMax (ilustracja 7).

Ilustracja 7: schemat blokowy i konfiguracja wtyków oscylatora VCO MAX2623 firmy Maxim Integrated. Jest to konwencjonalny, indukcyjno-kondensatorowy (LC) oscylator sterowany napięciem (VCO), wykorzystujący dwie diody waraktorowe do sterowania napięciem. 8-wtykowa obudowa zawiera wbudowany bufor wyjściowy. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Mikroukład zawiera diody waraktorowe oraz cewkę indukcyjną obwodu rezonansowego. Działa on przy zasilaniu od +2,7V do + 5,5V przy poborze prądu zaledwie 8mA. Układ MAX2623 jest jednym z trzech oscylatorów VCO w tej grupie produktów. Każdy z nich jest przeznaczony dla innych częstotliwości roboczych. Układ MAX2623 jest dostrajany do zakresu od 885 do 950MHz, który obejmuje pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) od 902 do 928MHz, w którym może on być używany jako oscylator lokalny. Oscylator VCO posiada poziom mocy wyjściowej -3dBm przy impedancji 50Ω i typowym szumie fazowym -101dBc/Hz z przesunięciem 100kHz. Zakres napięcia sterowania wynosi od 0,4 do 2,4V, a wymuszenie obciążenia wynosi typowo 0,75MHz p-p. Wymuszenie zasilania wynosi 280kHz/V. Wymiary obudowy: 3,03 x 3,05 x 1,1mm.

Innym przykładem monolitycznego oscylatora VCO jest urządzenie HMC512LP5ETR firmy Analog Devices. Ten oscylator VCO obejmuje zakres częstotliwości od 9,6 do 10,8GHz, wykorzystując napięcie strojenia od 2 do 13V. Jest on przeznaczony do komunikacji satelitarnej, radiokomunikacji wielopunktowej i zastosowań wojskowych (ilustracja 8).

Ilustracja 8: schemat blokowy oscylatora VCO HMC512LPETR firmy Analog Devices przedstawiający zintegrowaną diodą waraktorową i rdzeń oscylatora ze zintegrowanym rezonatorem. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ten monolityczny mikrofalowy układ scalony (MMIC) oscylatora VCO wykorzystuje heterozłączowe tranzystory bipolarne GaAs oraz InGaP, aby uzyskać dużą szerokość pasma i poziom mocy wyjściowej +9dBm przy odbiorniku o impedancji 50Ω i źródle zasilania 5V prądu stałego. Szum fazowy wynosi -110dBc/Hz z przesunięciem 100kHz. Wymuszenie obciążenia wynosi typowo 5MHz p-p. Typowe wymuszenie zasilania wynosi zazwyczaj 30MHz/V przy 5V. Urządzenie umieszczone jest w obudowie QFN 5 x 5mm przeznaczonej do montażu powierzchniowego. Na ilustracji warto zwrócić uwagę, że omawiany oscylator VCO posiada również wyjścia pomocnicze o połowie i jednej czwartej częstotliwości. Wspomniane wyjścia częstotliwości ułamkowych mogą być używane do sterowania syntezatora PLL w celu uzyskania sprzężenia fazowego głównego wyjścia oscylatora VCO, jeśli jest to pożądane, bądź do synchronizacji innych sygnałów łańcucha synchronizacji.

Oba urządzenia monolityczne mają niewielkie rozmiary, co jest główną zaletą tego typu oscylatorów VCO.

Podsumowanie

Oscylatory sterowane napięciem (VCO) w postaci dyskretnej, modułowej lub monolitycznej są odpowiedzią na potrzeby różnorodnych zastosowań wymagających sterowania częstotliwością za pomocą napięcia. Są one używane w generatorach funkcyjnych, pętlach ze sprzężeniem fazowym (PLL), syntezatorach częstotliwości, zegarach i analogowych syntezatorach muzycznych. Pomimo względnej prostoty, prawidłowe użytkowanie tych urządzeń wymaga dobrego zrozumienia ich zasady działania i kluczowych specyfikacji. Mając to za sobą, można wybierać spośród wielu konstrukcji i dostawców.