Генератор, управляемый напряжением

Генератор , управляемый напряжением ( VCO ) — это электронный генератор которого колебаний , частота контролируется входным напряжением . Приложенное входное напряжение определяет мгновенную частоту колебаний. Следовательно, ГУН можно использовать для частотной модуляции (ЧМ) или фазовой модуляции (ФМ) путем подачи модулирующего сигнала на вход управления. ГУН также является неотъемлемой частью системы фазовой автоподстройки частоты . ГУН используются в синтезаторах для генерации сигнала которого , высота тона может регулироваться напряжением, определяемым музыкальной клавиатурой или другим входом.

Преобразователь напряжения в частоту ( VFC ) — это особый тип ГУН, предназначенный для очень линейного регулирования частоты в широком диапазоне входных управляющих напряжений. ^[1]^[2]^[3]

Типы

ГУНы обычно можно разделить на две группы в зависимости от типа создаваемого сигнала. ^[4]

Линейные или гармонические генераторы генерируют синусоидальный сигнал. Гармонические генераторы в электронике обычно состоят из резонатора с усилителем, который заменяет потери резонатора (чтобы предотвратить затухание амплитуды) и изолирует резонатор от выхода (чтобы нагрузка не влияла на резонатор). Некоторыми примерами гармонических генераторов являются LC-генераторы и кварцевые генераторы .
Релаксационные генераторы могут генерировать сигнал пилообразной или треугольной формы. Они обычно используются в интегральных схемах (ИС). Они могут обеспечить широкий диапазон рабочих частот при минимальном количестве внешних компонентов.

Регулировка частоты

Конденсатор, управляемый напряжением, — это один из способов заставить LC-генератор изменять свою частоту в ответ на управляющее напряжение. с обратным смещением Любой полупроводниковый диод имеет определенную емкость, зависящую от напряжения, и может использоваться для изменения частоты генератора путем изменения управляющего напряжения, приложенного к диоду. специальные варакторные Доступны диоды с переменной емкостью с хорошо изученными значениями емкости в широком диапазоне. Варактор используется для изменения емкости (и, следовательно, частоты) LC-резервуара. Варактор также может изменять нагрузку на кристаллический резонатор и повышать его резонансную частоту.

Для низкочастотных ГУН другие методы изменения частоты (например, изменение скорости зарядки конденсатора с помощью источника тока используются , управляемого напряжением) (см. функциональный генератор ).

Частота кольцевого генератора контролируется путем изменения напряжения питания, тока, доступного для каждой ступени инвертора, или емкостной нагрузки на каждой ступени.

Уравнения фазовой области

ГУН используются в аналоговых приложениях, таких как частотная модуляция и частотная манипуляция . Функциональная зависимость между управляющим напряжением и выходной частотой ГУН (особенно тех, которые используются на радиочастоте ) может не быть линейной, но в небольших диапазонах зависимость приблизительно линейна, и можно использовать теорию линейного управления. Преобразователь напряжения в частоту (VFC) — это особый тип ГУН, который обеспечивает очень линейную работу в широком диапазоне входных напряжений.

Моделирование ГУН часто связано не с амплитудой или формой (синусоидальная волна, треугольная волна, пилообразная волна), а с ее мгновенной фазой. По сути, основное внимание уделяется не сигналу во временной области $A sin(ωt + θ 0),$ а скорее аргументу синусоидальной функции (фазе). Следовательно, моделирование часто выполняется в фазовой области.

Мгновенная частота ГУН часто моделируется как линейная зависимость от его мгновенного управляющего напряжения. Выходная фаза генератора представляет собой интеграл 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 генератора в момент времени $t$ (а не амплитуда сигнала)
$f_{0}$ это частота покоя генератора (а не амплитуда сигнала)
$K_{0}$ называется чувствительностью генератора, или коэффициентом усиления. Единицы измерения — герц на вольт.
$f(\tau )$ это частота ГУН
$\theta (t)$ это выходная фаза ГУН
$v_{\text{in}}(t)$ — это вход управления во временной области или напряжение настройки ГУН.

Для анализа системы управления преобразования Лапласа полезны вышеуказанных 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, коэффициент усиления и фазовый шум являются важными характеристиками ГУН. Обычно в ГУН предпочтителен низкий фазовый шум. Коэффициент настройки и шум, присутствующие в управляющем сигнале, влияют на фазовый шум; высокий уровень шума или высокий коэффициент усиления подразумевают больший фазовый шум. Другими важными элементами, определяющими фазовый шум, являются источники фликкер-шума (1/ f -шума) в схеме. ^[5] уровень выходной мощности и нагруженная добротность резонатора. ^[6] (см. уравнение Лисона ). Низкочастотный фликкер-шум влияет на фазовый шум, поскольку фликкер-шум гетеродинирован по отношению к выходной частоте генератора из-за нелинейной передаточной функции активных устройств. Влияние фликкер-шума можно уменьшить с помощью отрицательной обратной связи , линеаризующей передаточную функцию (например, вырождение эмиттера ).

ГУН обычно имеют более низкую добротность по сравнению с аналогичными генераторами с фиксированной частотой и поэтому страдают от большего джиттера . Джиттер можно сделать достаточно низким для многих приложений (например, для управления ASIC), и в этом случае ГУН пользуются преимуществами отсутствия внешних компонентов (дорогостоящих) или встроенных индукторов (низкая производительность в обычных процессах КМОП).

LC генераторы

Обычно используемые схемы ГУН — это генераторы Клаппа и Колпитца . Из этих двух генераторов более широко используется Колпиттс, и эти генераторы очень похожи по конфигурации.

Кварцевые генераторы

А кварцевый генератор, управляемый напряжением ( VCXO ), используется для точной регулировки рабочей частоты. Частота кварцевого генератора, управляемого напряжением, может изменяться на несколько десятков частей на миллион (ppm) в диапазоне управляющего напряжения обычно от 0 до 3 вольт, поскольку высокая добротность кристаллов позволяет регулировать частоту только в небольшом диапазоне. частот.

А VCXO с температурной компенсацией ( TCVCXO ) включает в себя компоненты, частично корректирующие зависимость от температуры резонансной частоты кристалла. Меньшего диапазона регулирования напряжения тогда достаточно для стабилизации частоты генератора в приложениях, где температура меняется, например, при накоплении тепла внутри передатчика .

Помещение генератора в кварцевую печь при постоянной температуре, но выше температуры окружающей среды, является еще одним способом стабилизации частоты генератора. В моделях высокостабильных кварцевых генераторов кварц часто помещают в печь и используют вход напряжения для точного управления. ^[7] Температура выбрана в качестве температуры оборота : температура, при которой небольшие изменения не влияют на резонанс. Управляющее напряжение можно использовать для периодической регулировки опорной частоты в соответствии с источником NIST . Сложные конструкции также могут со временем корректировать управляющее напряжение, чтобы компенсировать старение кристалла. ^{[ нужна ссылка ]}

Тактовые генераторы

Тактовый генератор — это генератор, который выдает сигнал синхронизации для синхронизации операций в цифровых схемах. Генераторы тактовых импульсов VCXO используются во многих областях, таких как цифровое телевидение, модемы, передатчики и компьютеры. Конструктивными параметрами тактового генератора VCXO являются диапазон напряжения настройки, центральная частота, диапазон настройки частоты и временной джиттер выходного сигнала. Джиттер — это форма фазового шума , которую необходимо минимизировать в таких приложениях, как радиоприемники, передатчики и измерительное оборудование.

Когда необходим более широкий выбор тактовых частот, выходной сигнал VCXO можно пропустить через схемы цифрового делителя для получения более низких частот или подать на систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Доступны микросхемы, содержащие как VCXO (для внешнего кристалла), так и систему ФАПЧ. Типичным применением является обеспечение тактовых частот в диапазоне от 12 кГц до 96 кГц для цифро-аналогового преобразователя звука .

Синтезаторы частот

Синтезатор частот генерирует точные и регулируемые частоты на основе стабильных одночастотных часов. Генератор с цифровым управлением на основе синтезатора частоты может служить цифровой альтернативой аналоговым генераторным схемам, управляемым напряжением.

Приложения

ГУН используются в функциональных генераторах , системах фазовой автоподстройки частоты , включая синтезаторы частот, используемые в коммуникационном оборудовании и производстве электронной музыки , для генерации переменных тонов в синтезаторах .

Функциональные генераторы — это низкочастотные генераторы, которые имеют несколько форм сигналов, обычно синусоидальные, прямоугольные и треугольные. Монолитные функциональные генераторы управляются напряжением.

Аналоговые системы фазовой автоподстройки частоты обычно содержат ГУН. Высокочастотные ГУН обычно используются в системах фазовой автоподстройки частоты радиоприемников. Фазовый шум является наиболее важной характеристикой в этом приложении. ^{[ нужна ссылка ]}

ГУН звуковой частоты используются в аналоговых музыкальных синтезаторах. Для них диапазон развертки, линейность и искажения часто являются наиболее важными характеристиками. Звукочастотные ГУН для использования в музыкальном контексте были в значительной степени вытеснены в 1980-х годах их цифровыми аналогами, генераторами с цифровым управлением (DCO), из-за их стабильности выходного сигнала при изменении температуры во время работы. С 1990-х годов музыкальное программное обеспечение стало доминирующим методом генерации звука.

Преобразователи напряжения в частоту представляют собой генераторы, управляемые напряжением, с очень линейной зависимостью между приложенным напряжением и частотой. Они используются для преобразования медленного аналогового сигнала (например, от датчика температуры) в сигнал, пригодный для передачи на большие расстояния, поскольку частота не будет дрейфовать или подвергаться влиянию шума. Генераторы в этом приложении могут иметь выход синусоидального или прямоугольного сигнала.

Когда генератор управляет оборудованием, которое может генерировать радиочастотные помехи, добавляя переменное напряжение на свой управляющий вход, называемое дизерингом . ^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]^[13]^{[ чрезмерное цитирование ]} может рассеять спектр помех, чтобы сделать его менее нежелательным (см. часы с расширенным спектром ).

См. также

Ссылки

^ Годзе, Атул П.; Бакши, Ю.А. (2009). Линейные интегральные схемы и их приложения . Технические публикации. п. 497. ИСБН 978-8189411305 .
^ Дросг, Манфред; Стойрер, Майкл Мортен (2014). Разбираемся с электроникой . Вальтер де Грюйтер ГмбХ. стр. 4.5.3. ISBN 978-3110385625 .
^ Саливаханан, С. (2008). Линейные интегральные схемы . Тата МакГроу-Хилл Образование. п. 515. ИСБН 978-0070648180 .
^ Электрика4U. «Генератор, управляемый напряжением | ГУН | Electrical4U» . Электрика4U . Проверено 22 апреля 2021 г. {{cite news}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Широкополосный ГУН от Herley - General Microwave - «Для оптимальной производительности в качестве активного элемента используется кремниевый биполярный транзистор. (Это вместо полевых транзисторов GaAs, которые обычно демонстрируют худшие характеристики фазового шума на 10-20 дБ)». Архивировано 8 марта 2012 г. на сайте Herley - General Microwave. машина обратного пути
^ Рея, Рэндалл В. (1997), Проектирование генераторов и компьютерное моделирование (второе изд.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052415-7
^ Например, опорный генератор HP/Agilent 10811.
^ «Частотная модуляция системных часов для снижения электромагнитных помех» (PDF) . hpl.hp.com . ХП . Проверено 23 января 2020 г.
^ «Снижение электромагнитных помех за счет частотного размывания с расширенным спектром» . incompliancemag.com . Публикация на той же странице . Проверено 23 января 2020 г.
^ «Генератор – резисторно-программируемый с расширенным спектром» . www.planetanalog.com . Планета Аналог . Проверено 23 января 2020 г.
^ «Сглаживание частоты с помощью UCC28950 и TLV3201». Отчет о применении TI . СЛУА646. частотное сглаживание с помощью ucc28950-and-tlv3201-1339689710.pdf: TI. Май 2012. {{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
^ Белл, Боб. «Сглаживание рабочей частоты силового преобразователя для снижения пиковых выбросов» (PDF) . m.eetcom . ЭЭ Таймс . Проверено 23 января 2020 г.
^ «Схема сглаживания частоты перед регулятором PFC» (PDF) . www.ti.com . ТИ . Проверено 23 января 2020 г.

Внешние ссылки

«Проектирование ВКО» . Страницы учебника по любительскому радио Яна Пёрди . Архивировано из оригинала 4 января 2019 г. Проверено 28 января 2018 г.
Проектирование ГУН и буферов с использованием семейства двойных транзисторов UPA

[Godse-1] Годзе, Атул П.; Бакши, Ю.А. (2009). Линейные интегральные схемы и их приложения . Технические публикации. п. 497. ИСБН 978-8189411305 .

[Drosg-2] Дросг, Манфред; Стойрер, Майкл Мортен (2014). Разбираемся с электроникой . Вальтер де Грюйтер ГмбХ. стр. 4.5.3. ISBN 978-3110385625 .

[Salivahanan-3] Саливаханан, С. (2008). Линейные интегральные схемы . Тата МакГроу-Хилл Образование. п. 515. ИСБН 978-0070648180 .

[4] Электрика4U. «Генератор, управляемый напряжением | ГУН | Electrical4U» . Электрика4U . Проверено 22 апреля 2021 г. {{cite news}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[5] Широкополосный ГУН от Herley - General Microwave - «Для оптимальной производительности в качестве активного элемента используется кремниевый биполярный транзистор. (Это вместо полевых транзисторов GaAs, которые обычно демонстрируют худшие характеристики фазового шума на 10-20 дБ)». Архивировано 8 марта 2012 г. на сайте Herley - General Microwave. машина обратного пути

[6] Рея, Рэндалл В. (1997), Проектирование генераторов и компьютерное моделирование (второе изд.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052415-7

[7] Например, опорный генератор HP/Agilent 10811.

[dither5-8] «Частотная модуляция системных часов для снижения электромагнитных помех» (PDF) . hpl.hp.com . ХП . Проверено 23 января 2020 г.

[dither4-9] «Снижение электромагнитных помех за счет частотного размывания с расширенным спектром» . incompliancemag.com . Публикация на той же странице . Проверено 23 января 2020 г.

[dither3-10] «Генератор – резисторно-программируемый с расширенным спектром» . www.planetanalog.com . Планета Аналог . Проверено 23 января 2020 г.

[dither2-11] «Сглаживание частоты с помощью UCC28950 и TLV3201». Отчет о применении TI . СЛУА646. частотное сглаживание с помощью ucc28950-and-tlv3201-1339689710.pdf: TI. Май 2012. {{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )

[dither1-12] Белл, Боб. «Сглаживание рабочей частоты силового преобразователя для снижения пиковых выбросов» (PDF) . m.eetcom . ЭЭ Таймс . Проверено 23 января 2020 г.

[dither0-13] «Схема сглаживания частоты перед регулятором PFC» (PDF) . www.ti.com . ТИ . Проверено 23 января 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

v т и Электронные генераторы
Теория	Критерий устойчивости Баркгаузена Гармонический осциллятор Уравнение Лисона Критерий устойчивости Найквиста Фазовый шум генератора Фазовый шум
LC генераторы	Осциллятор Армстронга или Мейснера. Осциллятор Клаппа Осциллятор Колпитца Осциллятор Хартли Осциллятор Лэмпкина Генератор моста Мичема Осциллятор Зейлера Генератор Ваккара резонансный Ройер
RC-генераторы	Генератор фазового сдвига Твин-Т генератор Генератор моста Вина
Кварцевые генераторы	Генератор Батлера Осциллятор Пирса Тритет генератор
Релаксационные осцилляторы	Блокирующий генератор Мультивибратор Осциллятор Пирсона – Энсона базовый Ройер
Другой	Резонаторный генератор Генератор линии задержки Оптоэлектронный генератор кольцевой генератор Осциллятор Робинсона Генератор линии передачи Клистронный генератор Резонаторный магнетрон Генератор Ганна