Grundlæggende om spændingsstyrede oscillatorer (VCO'er) og hvordan man vælger og bruger dem

Mange elektroniske applikationer kræver, at signalets frekvens varieres baseret på amplituden på et andet signal. Et godt eksempel er et frekvensmoduleret signal, hvor frekvensen af en bærebølje varierer med amplitude af moduleringskilden. Overvej også en faselåst sløjfe (PLL): Dette bruger et styresystem til at variere frekvensen og/eller fasen af en oscillator for at matche frekvensen/fasen af et indgangsreferencesignal.

Målet for designere er at bestemme, hvordan denne funktion skal udføres så effektivt og omkostningseffektivt som muligt, samtidig med at det sikres nøjagtighed, pålidelighed og stabilitet over tid og temperatur.

Dette er funktionen af spændingsstyrede oscillatorer (VCO'er). Disse enheder er designet til at producere et udgangssignal, hvis frekvens varierer med spændingsamplituden for et indgangssignal over et rimeligt frekvensområde. De bruges i PLL'er, frekvens- og fasemodulatorer, radar og mange andre elektroniske systemer.

Denne artikel forklarer, hvorfor VCO'er så ofte er en designs bedste valg til denne funktion, og beskriver derefter kort, hvordan VCO'er fungerer, og designet af VCO'er fra diskrete komponentdesign til monolitiske VCO IC'er. Det ser derefter på, hvordan VCO'er kan specificeres til at matche specifikke applikationer ved hjælp af virkelige eksempler fra forskellige leverandører, herunderMaxim integrered, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconducters, Skyworks Solutions og Crystek Corporation.

Hvad er en VCO's rolle?

Som nævnt kræver mange elektroniske applikationer, at signalets frekvens eller fase varieres eller styres baseret på amplituden af et andet signal. Typiske applikationer indbefatter kommunikationssystemer, frekvenser i radar, fasesporing i PLL'er og frekvenshoppende applikationer såsom remote nøglefri indgang (figur 1).

Figur 1: Eksempler på applikationer, der kræver variationer i frekvens eller fase, der styres af en anvendt signalspænding, inkluderer frekvensmodulation i kommunikationssystemer (øverst), frekvenser i radar (anden ned), fasesporing i faselåste sløjfer (tredje ned) applikationer med frekvenshopping som nøglefri fjernadgangssystemer (nederst). (Billedkilde: DigiKey)

VCO'er er specielt designet til at producere et udgangssignal, hvis frekvens varierer i henhold til amplituden af et indgangssignal over et rimeligt frekvensområde.

Sådan fungerer VCO'er

VCO'er kommer i diskrete, modulære og monolitiske former, men en diskussion af diskrete VCO'er vil give en grundlæggende forståelse af, hvordan de fungerer, og hvorfor visse specifikationer betyder noget. En oversigt over modulære og monolitiske løsninger følger.

Ved hjælp af en diskret tilgang til VCO'er har designere stor fleksibilitet med hensyn til at tilfredsstille brugerdefinerede specifikationer. Denne tilgang er især almindelig med gør-det-selv-projekter (DIY), især inden for amatørradio. Sådanne designs, der er beregnet til drift i højfrekvente radioprojekter, er baseret på klassiske oscillatortopologier, herunder Hartley og Colpitts induktorkondensator (LC) oscillatorer (figur 2).

Figur 2: Klassiske oscillatorer, inklusive Hartley og Colpitts LC-oscillatorer, kan bruges som basis for et VCO-design. (Billedkilde: DigiKey)

Alle oscillatorer er baseret på brugen af positiv feedback for at opnå vedvarende svingning. Hartley og Colpitts oscillatorer er grundlæggende design, der genererer positiv feedback på forskellige måder. Positiv feedback kræver, at signalet ved oscillatorens output returneres til indgangen med en samlet faseforskydning på 360 °. Forstærkeren giver en enfaset inversion på 180 °, og den anden halvdel af 360 ° kommer fra LC i resonantankredsløbet. Tankkredsløbet bestemmer den nominelle svingningsfrekvens. Den består af L1, L2 og Ct i Hartley-oscillatorkredsløbet og L1, Ct1 og Ct2 i Colpitts-oscillatoren.

Hartley-oscillatoren bruger induktiv kobling til at opnå fasevending ved hjælp af en dobbelt eller udtaget induktor (L1 og L2) vist i kredsløbet. Colpitts-oscillatoren anvender en kapacitiv spændingsdeler bestående af Ct1 og Ct2 i det respektive kredsløb. Der er mange designs, der stammer fra disse grundlæggende designs, hver med sit eget navn. De afledte design forsøger at isolere tankkredsløbet fra forstærkeren for at forhindre frekvensskift på grund af belastning. Der er mange sådanne derivater, hvorfra designere kan vælge deres favorit.

Frekvensstyring føjes til disse designs ved at anvende varaktordioder til at variere tankkredsløbets resonansfrekvens. Varactor-dioden, der sommetider kaldes en varicap-diode, er en overgangsdiode, som er designet til at levere variabel kapacitans. PN-forbindelsen er omvendt forspændt, og diodekapacitansen kan varieres ved at ændre den anvendte DC-bias. Varaktorens kapacitans varierer omvendt med den påførte DC-bias: jo højere omvendt bias, jo bredere er diodeudtømningsområdet, og dermed jo lavere kapacitans. Denne variation kan ses i grafen for kapacitans vs. omvendt spænding for Skyworks Solutions SMV1232_079LF hyper-abrupt junction varactor-diode (figur 3). Denne diode har en kapacitans på 4,15 picofarads (pF) ved nul volt og 0,96 pF ved 8 volt.

Figur 3: Spændingskapacitansdiagrammet for Skyworks Solution SMV1232 varaktordiode viser tydeligt, hvordan kapacitansen varierer omvendt med den anvendte DC-bias. (Billedkilde: Skyworks Solutions)

Kapacitansområdet for varaktordioden bestemmer indstillingsområdet for VCO. Spændingskontrol af oscillatoren realiseres ved at tilføje varaktoren parallelt med tankkredsløbet, som vist i figur 4. Figuren viser et evalueringskortreferencedesign af en Colpitts-oscillator VCO med en centerfrekvens på 1 gigahertz (GHz) og et tuningområde på ca. 100 megahertz (MHz). Den indeholder en emitter-buffer til at isolere VCO fra belastningsvariationer. Resonantankredsløbet i dette design inkluderer induktoren L3 og kondensatorerne C4, C7 og C8. Varaktordioden, VC1, er parallel med tanken. Kondensator C4 styrer frekvensvariationens rækkevidde for et givet varactor-valg, mens C7 og C8 giver den krævede feedback for at opretholde svingning.

Figur 4: Et evalueringskortreferencedesign af en Colpitts-oscillator VCO med en centerfrekvens på 1 GHz og et tuningområde på ca. 100 MHz. Varaktordioden, VC1 (nederst til venstre), er parallel med tanken, der omfatter induktor L3 og kondensatorerne C4, C7 og C8. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

Valget af varaktorer og bipolære forbindelsestransistorer afhænger af oscillatorens frekvens. For nominelle frekvenser på 1 GHz, RF-transistorer såsom NXP Semiconductor's BFU520WX eller Infineon Technologies ' BFP420FH6327XTSA1 Kan bruges. BFU520WX har en overgangsfrekvens på 10 GHz og forstærkning på 18,8 decibel (dB), og BFP420FH6327XTSA1 har en overgangsfrekvens på 25 GHz med en forstærkning på 19,5 dB. Begge har et tilstrækkeligt forstærkningsbåndbreddeprodukt til dette kredsløb ved 1 GHz.

Sammenfattende tilbyder diskrete VCO'er maksimal designfleksibilitet, men er større og optager mere pc-kortareal end modulære eller monolitiske enheder.

Specificering af VCO'er

De vigtigste VCO-specifikationer begynder normalt med det nominelle frekvensområde, hvilket betyder de opnåede minimums- og maksimumfrekvenser. Alternativt kan de specificeres som en nominel eller centerfrekvens og et indstillingsområde.

Indgangsspændingsområdet svarer til indgangsspændingssvinget, som indstiller VCO over indstillingsområdet (figur 5).

Figur 5: Afstemningskurveplottet for udgangsfrekvensen som en funktion af indgangsspændingen giver et grundlæggende billede af VCO's linearitet sammenlignet med en lineær tilpasning. Hældningen af udgangsfrekvensen vs. tuning spænding er tuning følsomhed. (Billedkilde: DigiKey)

Tuning forstærkning eller følsomhed målt i enheder på MHz/volt (V) er hældningen af frekvensen vs. spændingsdiagrammet. Det er et mål for tuningslineariteten. I applikationer, hvor VCO er i en kontrolsløjfe, såsom med en PLL, er indstillingsfølsomheden forstærkningen af VCO-elementet og kan påvirke dynamikken og stabiliteten i kontrolsløjfen.

VCO's udgangseffekt specificerer den effekt, der leveres til en belastning med specificeret impedans, normalt 50 ohm (Ω) for RF VCO'er. Udgangseffekt er specificeret i dB henvist til 1 milliwatt (mW) (dBm). Strømudgangens fladhed over VCO's frekvensområde kan også være af interesse.

Belastningstrækning er ændringen i VCO's udgangsfrekvens på grund af ændringer i belastningsimpedans målt i MHz peak til peak (pk-pk). Belastningsisolering forbedres normalt ved hjælp af en bufferforstærker som emitterfølgeren vist i figur 4.

Strømforsyning skubber er variationen i VCO udgangsfrekvens på grund af variationer i strømforsyningsspændingen. Det måles i MHz/V.

Fasestøjspecifikationen er en indikator for VCO's signalrenhed. En ideel oscillator har et frekvensspektrum, der er en smal spektral linje ved oscillatorens frekvens. Fasestøj repræsenterer uønsket modulering af oscillatoren og udvider spektralresponset. Fasestøj er et resultat af termiske og andre støjkilder i oscillatorkredsløbet og er angivet som decibel under bæreren pr. Hertz (dBc/Hz). Fasestøj i frekvensdomænet resulterer i timing jitter i tidsdomænet manifesteret som tidsintervalfejl (TIE).

Modulære VCO'er

Modulære VCO'er repræsenterer det næsthøjeste niveau af kredsløbsintegration. Disse VCO'er er pakket i et lille modulært kabinet og bruges som en komponent. Modulære VCO'er tilbyder generelt højere pakningstæthed end en diskret implementering af en VCO. De fås i en række udgangsfrekvenser, indstillingsområder og udgangsniveauer. Et eksempel er Crystek Corporation's CRBV55BE-0325-0775 VCO (figur 6). Denne enhed måler 1,25 x 0,59 tommer (31,75 x 14,99 millimeter (mm)) med en højde på 1,25 tommer og har et indstillingsområde på 325 til 775 MHz til et indgangsspændingsområde på 0 til 12 volt. Den har et udgangseffektniveau på +7 dBm (typisk) med en fasestøj på -98 dBc/Hz @ 10 kilohertz (kHz) forskudt fra bæreren og -118 dBc/Hz ved 100 kHz.

Figur 6: Konturtegninger til Crystek CRBV55BE VCO, der viser dens kompakte formfaktor med dimensionerne 1,25 x 1,25 x 0,59 in. (Billedkilde: Crystek Corporation)

Med hensyn til kontroldynamik har Crystek VCO en typisk tuningfølsomhed på 45 MHz/V. Strømforsyning skubbes er specificeret som 0,5 MHz/V typisk og 1,5 MHz/V maksimum. Belastningstræk er maks. 5,0 MHz pk-pk.

Monolitiske VCO'er

VCO'er kan implementeres som monolitiske IC'er. Den monolitiske IC giver den højeste volumendensitet. Ligesom modulære VCO'er er monolitiske VCO'er designet til specifikke driftsbånd. Overvej som eksempel Maxim Integrated MAX2623EUA+T. Dette er en selvstændig VCO med en integreret oscillator og en outputbuffer i en enkelt 8-polet mMax-pakke (figur 7).

Figur 7: Blokdiagram og pin-konfiguration af Maxim Integrated MAX2623 VCO. Det er en konventionel LC-baseret VCO, der bruger dobbelte varaktordioder til spændingskontrol. Den inkluderer en indbygget outputbuffer i en 8-polet pakke. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Designet inkluderer en tankinduktor på chip og varaktordioder. Det fungerer med en +2,7 til +5,5 volt strømforsyning og trækker kun 8 mA. MAX2623 er en af tre VCO'er i produktfamilien, som hver især er differentieret efter deres tilsigtede driftsfrekvenser. MAX2623 er indstillet til 885 til 950 MHz-området, der dækker 902 til 928 MHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) -båndet, hvor det kan bruges som en lokal oscillator. VCO har et udgangseffektniveau på -3 dBm til 50 Ω med fasestøj på -101 dBc/Hz, typisk ved 100 kHz forskydning. Kontrolspændingsområdet er 0,4 til 2,4 volt, og belastningstrækning er typisk 0,75 MHz, pk-pk. Strømforsyning skubber er 280 kHz/volt (typisk). Dens pakke måler 0,12 x 0,12 x 0,043 tommer. (3,03 x 3,05 x 1,1 mm).

Et andet eksempel på en monolitisk VCO er Analog Devices' HMC512LP5ETR. Denne VCO dækker frekvensområdet fra 9,6 til 10,8 GHz ved hjælp af en tuning spænding på fra 2 til 13 volt. Det er beregnet til satellitkommunikation, flerpunktsradio og militære applikationer (figur 8).

Figur 8: Blokdiagrammet for de Analog Devices' HMC512LPETR VCO, der viser den integrerede varaktordiode og oscillatorkernen med integreret resonator. (Billedkilde: Analog Devices)

Dette monolitiske mikrobølgeintegrerede kredsløb (MMIC) VCO bruger GaAs og InGaP heterojunction bipolære transistorer til at opnå bred båndbredde og et udgangseffektniveau på +9 dBm til en 50 Ω belastning ved hjælp af en 5 volt jævnstrømskilde. Fasestøj er -110 dBc/Hz ved 100 kHz forskydning. Belastningstræk er typisk 5 MHz top til top typisk. Strømforsyning skubber er typisk 30 MHz/volt typisk ved 5 volt. Enheden er pakket i en QFN 5 x 5 mm overflademonteringspakke. Bemærk i figuren, at denne VCO også inkluderer halv- og kvartfrekvente hjælpeudgange. Disse fraktionerede frekvensudgange kan bruges til at drive en PLL-synthesizer til faselåsning af VCO's primære output, hvis det ønskes, eller til at synkronisere andre timingkædesignaler.

Begge disse monolitiske enheder har lille størrelse, hvilket er den primære fordel ved denne type VCO.

Konklusion

VCO'er, hvad enten de er i diskret, modulær eller monolitisk form, udfylder behovet for spændingsbaseret frekvensstyring, der kræves i en række applikationer. De bruges i funktionsgeneratorer, PLL'er, frekvenssynthesizere, urgeneratorer og analoge musiksynthesizere. Mens de er relativt enkle enheder, kræver deres korrekte brug en solid forståelse af, hvordan de fungerer, og deres nøglespecifikationer. Når disse er klare, er der mange designs og leverandører at vælge imellem.