Осциллятор, контролируемый напряжением

( Контролируемый напряжением генератор VCO ) -это электронный генератор которой колебаний , частота контролируется входом напряжения . Приложенное входное напряжение определяет частоту мгновенных колебаний. Следовательно, VCO может использоваться для частотной модуляции (FM) или фазовой модуляции (PM) путем применения сигнала модуляции к управляющему входу. VCO также является неотъемлемой частью фазовой петли . VCO используются в синтезаторах для генерации формы волны которого , высота можно регулировать с помощью напряжения, определяемого музыкальной клавиатурой или другим входом.

Преобразователь напряжения в частоту ( VFC ) представляет собой особый тип VCO, предназначенный для того, чтобы быть очень линейным по частотному управлению в широком диапазоне входных контрольных напряжений. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Типы

VCO, как правило, можно классифицировать на две группы на основе типа произведенной формы волны. ^{[ 4 ]}

Линейные или гармонические осцилляторы генерируют синусоидальную форму волны. Гармонические осцилляторы в электронике обычно состоят из резонатора с усилителем, который заменяет потери резонатора (чтобы предотвратить разложение амплитуды) и изолирует резонатор от выхода (поэтому нагрузка не влияет на резонатор). Некоторые примеры гармонических осцилляторов - это генераторы LC и кристаллические генераторы .
Релаксационные генераторы могут генерировать пилотую или треугольную форму волны. Они обычно используются в интегрированных цепях (ICS). Они могут обеспечить широкий спектр эксплуатационных частот с минимальным количеством внешних компонентов.

Контроль частоты

Конденсатор, контролируемый напряжением, является одним из методов того, чтобы осциллятор LC изменяется его частоту в ответ на управляющее напряжение. Любой диод полупроводникового полупроводника отображает меру емкости, зависящей от напряжения и может использоваться для изменения частоты осциллятора путем изменения управляющего напряжения, приложенного к диоду. специального назначения Диоды с различной капузией доступны с хорошо охарактеризованными значениями емкости. Варактор используется для изменения емкости (и, следовательно, частоты) резервуара LC. Варактор также может изменить загрузку на кристаллическом резонаторе и тянуть его резонансную частоту.

Для низкочастотных VCO другие методы изменения частоты (например, изменение скорости зарядки конденсатора с помощью источника тока используются , контролируемого напряжением) (см. Генератор функций ).

Частота осциллятора кольца контролируется изменением либо напряжения питания, тока, доступного для каждой стадии инвертора, или емкостной нагрузки на каждой стадии.

Уравнения фазовой домены

VCO используются в аналоговых приложениях, таких как частотная модуляция и частотная клавиша . Функциональная взаимосвязь между контрольным напряжением и выходной частотой для VCO (особенно тех, которые используются на радиочастоте ), могут быть не линейными, но в небольших диапазонах взаимосвязь является приблизительно линейной, и может использоваться линейная теория управления. Преобразователь напряжения в частоту (VFC)-это особый тип VCO, предназначенный для того, чтобы быть очень линейным в широком диапазоне входных напряжений.

Моделирование для VCOS часто связано не с амплитудой или формой (синусороны, треугольная волна, пилот), а скорее ее мгновенная фаза. По сути, основное внимание уделяется не передаче сигнала временной области $A SIN (ωt + θ 0)$ , а скорее аргумент функции синуса (фаза). Следовательно, моделирование часто выполняется в фазовой области.

Мгновенная частота VCO часто моделируется как линейная связь с его мгновенным контрольным напряжением. Выходная фаза генератора является интегралом мгновенной частоты.

{\begin{aligned}f(t)&=f_{0}+K_{0}\cdot \ v_{\text{in}}(t)\\\theta (t)&=\int _{-\infty }^{t}f(\tau )\,d\tau \\\end{aligned}}

$f(t)$ мгновенная частота осциллятора в момент времени $t$ (не амплитуда формы волны)
$f_{0}$ это неприятная частота генератора (не амплитуда формы волны)
$K_{0}$ называется чувствительностью осциллятора или усилением. Его подразделения - герц на вольт.
$f(\tau )$ это частота VCO
$\theta (t)$ это фаза выходного дня VCO
$v_{\text{in}}(t)$ Является ли вход управления временной доменом или напряжение настройки VCO

Для анализа системы управления полезными преобразования приведенных выше сигналов.

{\begin{aligned}F(s)&=K_{0}\cdot \ V_{\text{in}}(s)\\\Theta (s)&={F(s) \over s}\\\end{aligned}}

Дизайн и схемы

Диапазон настройки, усиление настройки и фазовый шум являются важными характеристиками VCO. Как правило, низкий фазовый шум предпочтительнее в VCO. Усиление настройки и шум, присутствующий в контрольном сигнале, влияют на фазовый шум; Высокий шум или высокое усиление настройки подразумевают больше фазового шума. Другими важными элементами, которые определяют фазовый шум, являются источники мерцания шума (1/ f шума) в цепи, ^{[ 5 ]} Уровень выходной мощности и загруженный Q -коэффициент резонатора. ^{[ 6 ]} (См. Уравнение Лисона ). Низкочастотный мерцающий шум влияет на фазовый шум, поскольку шум мерцания гетеродируется до выходной частоты генератора из-за нелинейной переносительной функции активных устройств. Эффект мерцающего шума может быть уменьшен с отрицательной обратной связью , которая линеаризует переносную функцию (например, дегенерация излучателя ).

VCO, как правило, имеют более низкий коэффициент Q по сравнению с аналогичными фиксированными генераторами, и поэтому страдают от более дрожания . Джиттер может быть сделан достаточно низким для многих применений (таких как управление ASIC), и в этом случае VCO пользуются преимуществами отсутствия нефтешковых компонентов (дорогостоящих) или индукторов на чипе (низкая доходность на общих процессах CMOS).

LC осцилляторы

Обычно используемые цепи VCO являются генераторами CLAPP и Colpitts . Более широко используемый генератор этих двух - Colpitts, и эти генераторы очень похожи в конфигурации.

Хрустальные генераторы

А Контролируемый напряжением кристаллический генератор ( VCXO ) используется для тонкой регулировки рабочей частоты. Частота контролируемого напряжением кристаллического генератора может варьироваться в нескольких десятках частей на миллион (ppm) в диапазоне контрольных напряжений, обычно от 0 до 3 вольт, поскольку высокий коэффициент Q кристаллов допускает частоту контроля только в небольшом диапазоне. частот.

А Компенсированный температурой VCXO ( TCVCXO ) включает компоненты, которые частично исправляют зависимость от температуры резонансной частоты кристалла. Тогда достаточный диапазон контроля напряжения достаточно для стабилизации частоты генератора в приложениях, где температура изменяется, например, наращивание тепла внутри передатчика .

Размещение осциллятора в кристаллическую печь при постоянной, но более высокой температуре, чем яйца, является еще одним способом стабилизации частоты осциллятора. Ссылки с кристаллическим осциллятором высокой стабильности часто помещают кристалл в духовку и используют вход напряжения для мелкого управления. ^{[ 7 ]} Температура выбрана как температура оборота : температура, при которой небольшие изменения не влияют на резонанс. Управляющее напряжение может использоваться для иногда регулировки эталонной частоты к источнику NIST . Сложные конструкции могут также отрегулировать контрольное напряжение с течением времени, чтобы компенсировать старение кристаллов. ^{[ Цитация необходима ]}

Часовые генераторы

Генератор часов - это генератор, который предоставляет сигнал ГРМ для синхронизации операций в цифровых цепях. Генераторы часов VCXO используются во многих областях, таких как цифровой телевизор, модемы, передатчики и компьютеры. Параметры проектирования для генератора часов VCXO - это диапазон напряжения настройки, центральная частота, диапазон настройки частот и дрожание времени выходного сигнала. Джиттер - это форма фазового шума , которая должна быть сведена к минимуму в таких приложениях, как радиоприемники, передатчики и измерительное оборудование.

Когда необходим более широкий выбор тактовых частот, выход VCXO может проходить через цифровые разделительные схемы, чтобы получить более низкие частоты или подавать в петлю с фазовой петлей (PLL). ИС, содержащие как VCXO (для внешнего кристалла), и PLL доступны. Типичным применением является предоставление такточных частот в диапазоне от 12 кГц до 96 кГц до конвертера с аудио-цифровым в анализ .

Частотные синтезаторы

Частотный синтезатор генерирует точные и регулируемые частоты на основе стабильных одночастотных часов. Осциллятор с цифровым управлением, основанный на частотном синтезаторе, может служить цифровой альтернативой аналоговым схемам генераторов, контролируемых напряжением.

Приложения

VCO используются в генераторах функций , с фазовыми петлями, включая синтезаторы частот, используемые в оборудовании связи, и производство электронной музыки , для создания переменных тонов в синтезаторах .

Функциональные генераторы представляют собой низкочастотные генераторы, которые оснащены несколькими волнами, обычно синусоидальными, квадратными и треугольными волнами. Монолитные генераторы функций контролируются напряжением.

Аналоговые фазовые петли обычно содержат VCO. Высокочастотные VCO обычно используются в фазовых петлях для радиоприемников. Фазовый шум является наиболее важной спецификацией в этом приложении. ^{[ Цитация необходима ]}

Аудиочастотные VCO используются в аналоговых музыкальных синтезаторах. Для этого диапазон развертки, линейности и искажения часто являются наиболее важными спецификациями. Аудиочастотные VCO для использования в музыкальных контекстах были в значительной степени заменены в 1980-х годах их цифровыми аналогами, цифровыми управляемыми осцилляторами (DCO) из-за их стабильности выхода в соответствии с изменениями температуры во время работы. С 1990-х годов музыкальное программное обеспечение стало доминирующим методом, вызванным звуком.

Преобразователи с напряжением в зависимости от напряжения представляют собой осцилляторы, контролируемые напряжением, с очень линейной соотношением между приложенным напряжением и частотой. Они используются для преобразования медленного аналогового сигнала (например, от датчика температуры) в сигнал, подходящий для передачи на большем расстоянии, поскольку частота не будет дрейфовать или не подвергаться воздействию шума. Осцилляторы в этом приложении могут иметь синусоидальные или квадратные выходы.

Где генератор управляет оборудованием, которое может генерировать радиочастотные помехи, добавляя различное напряжение к своему управляющему входу, называемому Dithering , ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ чрезмерные цитаты ]} может рассеять интерференционный спектр, чтобы сделать его менее нежелательным (см. Часы спектра спреда ).

Смотрите также

Ссылки

^ Godse, Atul P.; Bakshi, UA (2009). Линейные интегрированные схемы и приложения . Технические публикации. п. 497. ISBN 978-8189411305 .
^ Капли, Манфред; Магазин, Майкл Мордер (2014). Работа с электроникой . Уолтер Гриритер Гмбх. стр. 4.5.3. ISBN 978-3110385625 .
^ Salivahanan, S. (2008). Линейные интегрированные цепи . Tata McGraw-Hill Education. п. 515. ISBN 978-0070648180 .
^ Electrical4u. «Осциллятор, управляемый напряжением | VCO | Electrical4u» . Electrical4u . Получено 2021-04-22 . {{cite news}}: CS1 Maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Широкополосный VCO от Herley - General Microwave - «Для оптимальной производительности используется активным элементом кремниевой биполярной транзистор. (Это вместо флетов GAAS, которые обычно демонстрируют 10-20 дБ . Машина Wayback
^ Rhea, Randall W. (1997), Design & Computer Simulation Oscillator (второе изд.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052415-7
^ Например, справочный генератор HP/Agilent 10811
^ «Частотная модуляция системных часов для восстановления EMI» (PDF) . hpl.hp.com . Hp . Получено 23 января 2020 года .
^ «Снижение EMI с помощью частоты распространенного спектра» . incontiancemag.com . Издательство на той же странице . Получено 23 января 2020 года .
^ «Осциллятор-Программируемый с резистором с резистором распространенного спектра» . www.planetanalog.com . Планета аналог . Получено 23 января 2020 года .
^ «Частота разжигается с UCC28950 и TLV3201». Отчет о приложении TI . SLUA646. частота ухода с UCC28950-and-TLV3201-1339689710.PDF: TI. Май 2012 года. {{cite journal}}: CS1 Maint: местоположение ( ссылка )
^ Белл, Боб. «Рабочий вариант преобразователя мощности для сокращения пиковых выбросов» (PDF) . M.Eetcom . EE времена . Получено 23 января 2020 года .
^ «Схема расщепления предварительного регулятора PFC» (PDF) . www.ti.com . Тип Получено 23 января 2020 года .

Внешние ссылки

«Дизайн VCO» . Ян Пурди на любительских страницах радио . Архивировано из оригинала 2019-01-04 . Получено 2018-01-28 .
Проектирование VCO и буферов с использованием семейства двойных транзисторов UPA

[Godse-1] Godse, Atul P.; Bakshi, UA (2009). Линейные интегрированные схемы и приложения . Технические публикации. п. 497. ISBN 978-8189411305 .

[Drosg-2] Капли, Манфред; Магазин, Майкл Мордер (2014). Работа с электроникой . Уолтер Гриритер Гмбх. стр. 4.5.3. ISBN 978-3110385625 .

[Salivahanan-3] Salivahanan, S. (2008). Линейные интегрированные цепи . Tata McGraw-Hill Education. п. 515. ISBN 978-0070648180 .

[4] Electrical4u. «Осциллятор, управляемый напряжением | VCO | Electrical4u» . Electrical4u . Получено 2021-04-22 . {{cite news}}: CS1 Maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[5] Широкополосный VCO от Herley - General Microwave - «Для оптимальной производительности используется активным элементом кремниевой биполярной транзистор. (Это вместо флетов GAAS, которые обычно демонстрируют 10-20 дБ . Машина Wayback

[6] Rhea, Randall W. (1997), Design & Computer Simulation Oscillator (второе изд.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052415-7

[7] Например, справочный генератор HP/Agilent 10811

[dither5-8] «Частотная модуляция системных часов для восстановления EMI» (PDF) . hpl.hp.com . Hp . Получено 23 января 2020 года .

[dither4-9] «Снижение EMI с помощью частоты распространенного спектра» . incontiancemag.com . Издательство на той же странице . Получено 23 января 2020 года .

[dither3-10] «Осциллятор-Программируемый с резистором с резистором распространенного спектра» . www.planetanalog.com . Планета аналог . Получено 23 января 2020 года .

[dither2-11] «Частота разжигается с UCC28950 и TLV3201». Отчет о приложении TI . SLUA646. частота ухода с UCC28950-and-TLV3201-1339689710.PDF: TI. Май 2012 года. {{cite journal}}: CS1 Maint: местоположение ( ссылка )

[dither1-12] Белл, Боб. «Рабочий вариант преобразователя мощности для сокращения пиковых выбросов» (PDF) . M.Eetcom . EE времена . Получено 23 января 2020 года .

[dither0-13] «Схема расщепления предварительного регулятора PFC» (PDF) . www.ti.com . Тип Получено 23 января 2020 года .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

v Т и Электронные осцилляторы
Теория	Критерий стабильности Бархаузена Гармонический осциллятор Уравнение Лисона Критерий стабильности Найквиста Фазовый шум осциллятора Фазовый шум
LC осцилляторы	Осциллятор Армстронг или Мейснер CLAPP ESCILLATOR ГОККАКА ОСЗИЛЛАТОР Хартли генератор Осциллятор Леопард Осциллятор моста Meacham Сейлер Осциллятор Vaccker Осциллятор Резонанс Ройер
RC осцилляторы	Фазовый осциллятор Твин-Т-генератор Осциллятор моста Wien
Кварц осцилляторы	Батлер Осциллятор Пирс Осциллятор Три-Тет генератор
Расслабляющие генераторы	Блокировка генератора Мультивибратор Осциллятор Пирсона - Ансон Основной Ройер
Другой	Полость генератора Осциллятор линии задержки Оптоэлектронный генератор Кольцо генератора Робинсон Осциллятор Осциллятор передачи линии трансмиссии Клистрон Осциллятор Полость магнетрон Ганн Осциллятор