Grundläggande om spänningsstyrda oscillatorer (VCO) och hur man väljer och använder dem

Många elektroniska tillämpningar kräver att signalens frekvens varierar baserat på amplituden hos en annan signal. Ett bra exempel är en frekvensmodulerad signal där frekvensen hos en bärvåg varierar med moduleringskällans amplitud. Tänk också på en faslåst slinga (PLL): Den använder ett styrsystem för att variera frekvensen och/eller fasen hos en oscillator för att matcha frekvensen/fasen hos en ingångsreferenssignal.

Målet för konstruktörer är att förstå sig på hur denna funktion ska utföras så effektivt och kostnadseffektivt som möjligt, samtidigt som man säkerställer noggrannhet, tillförlitlighet och stabilitet över tid och temperatur.

Det är denna funktion som spänningsstyrda oscillatorer (VCO) fyller. Dessa anordningar är utformade för att producera en utsignal vars frekvens varierar med spänningsamplituden för en insignal över ett rimligt frekvensområde. De används i PLL, frekvens- och fasmodulatorer, radar och många andra elektroniska system.

Denna artikel förklarar varför VCO:er så ofta är en konstruktörs bästa val för denna funktion och beskriver sedan kort hur VCO:er fungerar och utvecklingen av VCO:er från diskreta komponentkonstruktioner till monolitiska, integrerade VCO-kretsar. Sedan förklaras hur VCO:er kan specificeras för att passa specifika tillämpningar med hjälp av verkliga exempel från olika leverantörer, exempelvis Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions och Crystek Corporation.

Vilken roll har en VCO?

Som nämnts kräver många elektroniska tillämpningar att en signalfrekvens eller fas varieras eller regleras baserat på amplituden hos en annan signal. Typiska tillämpningar inkluderar kommunikationssystem, frekvensnyckling i radar, fasspårning i PLL och frekvenshoppsapplikationer som fjärrledes nyckellöst tillträde (figur 1).

Figur 1: Exempel på applikationer som kräver variationer i frekvens eller som fasstyrs av en pålagd signalspänning, inkluderar bl.a. frekvensmodulering i kommunikationssystem (överst), frekvensnyckling i radar (2:a uppifrån), fasspårning i faslåsta slingor (3: uppifrån) frekvenshoppsapplikationer som fjärrledes nyckellösa tillträdessystem (längst ned). (Bildkälla: DigiKey)

VCO:er är speciellt konstruerade för att producera en utsignal vars frekvens varierar beroende på amplituden hos en insignal över ett rimligt frekvensområde.

Hur VCO:er fungerar

VCO:er finns i diskreta, modulära och monolitiska former, men en diskussion om diskreta VCO:er ger en grundförståelse för hur de fungerar och varför vissa specifikationer är viktiga. En översikt över modulära och monolitiska lösningar följer nedan.

Genom att betrakta VCO:er som diskreta, har konstruktörer stor flexibilitet när det gäller att uppfylla egenanpassade specifikationer. Detta tillvägagångssätt är särskilt vanligt o gör-det-själv-projekt (DIY), särskilt inom amatörradio. Sådana konstruktioner, avsedda för användning i högfrekventa radioprojekt, baseras på klassiska oscillatortopologier, såsom Hartley och Colpitts induktor-kondensator-oscillatorer (LC) (figur 2).

Figur 2: Klassiska oscillatorer, inklusive Hartley och Colpitts LC-oscillatorer, kan användas som grund för en VCO-design. (Bildkälla: DigiKey)

Alla oscillatorer är baserade på användning av positiv återkoppling för att uppnå ett varaktigt svängningstillstånd. Hartley och Colpitts-oscillatorer är grundläggande konstruktioner som genererar positiv återkoppling på olika sätt. Positiv återkoppling kräver att signalen vid oscillatorns utgång returneras till ingången med en total fasförskjutning på 360 °. Förstärkaren ger en enfasinversion på 180 °, och den andra hälften av de 360 ° kommer LC i resonanstankkretsen. Tankkretsen avgör den nominella svängningsfrekvensen. Den består av L1, L2 och Ct i Hartley-oscillatorkretsen och L1, Ct1 och Ct2 i Colpitts-oscillatorn.

Hartley-oscillatorn använder induktiv koppling för att få en fasomvandling med hjälp av en två induktorer eller en induktor med lindningskoppling (L1 och L2) såsom visas i kretsen. Colpitts-oscillatorn använder en kapacitiv spänningsdelare bestående av Ct1 och Ct2 i respektive krets. Många konstruktioner härrör från dessa grundkonstruktioner, var och en med sitt eget namn. Vidareutvecklade konstruktioner försöker isolera tankkretsen från förstärkaren för att förhindra frekvensförskjutningar beroende på lasten. Det finns många sådana vidareutvecklingar från vilka konstruktörer kan välja sin favorit.

Frekvensreglering läggs till i dessa konstruktioner genom att använda varaktordioder för att variera tankkretsens resonansfrekvens. Varaktordioden, ibland kallad kapacitansdiod, är en övergångsdiod som är utformad för att ge variabel kapacitans. PN-övergången är omvänt förspänd och diodkapacitansen kan varieras genom att ändra den anbringade DC-förspänningen. Varaktorns kapacitans varierar omvänt med den pålagda DC-förspänningen: ju högre omvänd förspänning, desto bredare är diodutarmningsområdet och desto lägre är därmed kapacitansen. Denna variation kan ses i grafen för kapacitans mot omvänd spänning för Skyworks Solutions hyperabrupta övergångsvaraktordiod SMV1232_079LF (figur 3). Denna diod har en kapacitans på 4,15 pF vid 0 volt och 0,96 pF vid 8 volt.

Figur 3: Spänning-kapacitansdiagrammet för Skyworks Solution varaktordiod SMV1232 visar tydligt hur kapacitansen varierar omvänt med den pålagda DC-förspänningen. (Bildkälla: Skyworks Solutions)

Kapacitansområdet för varaktordioden avgör inställningsområdet för VCO:n. Spänningsregleringen av oscillatorn sker genom att placera varaktorn parallellt med tankkretsen, såssom visas i figur 4. Figuren visar en referenskonstruktion av ett utvärderingskort till en Colpitts-oscillator-VCO med en mittfrekvens på 1 GHz och ett inställningsområde på cirka 100 MHz. Den innehåller en emitter-följande buffert för att isolera VCO:n från lastvariationer. Resonanstankkretsen i denna konstruktion inkluderar induktorn L3 och kondensatorerna C4, C7 och C8. Varaktordioden, VC1, är parallell med tanken. Kondensatorn C4 kontrollerar frekvensvariationen för ett givet val av varaktor, medan C7 och C8 ger den återkoppling som krävs för att upprätthålla svängningen.

Figur 4: En referenskonstruktion av ett utvärderingskort för en Colpitts-oscillator-VCO med en mittfrekvens på 1 GHz och ett inställningsområde på cirka 100 MHz. Varaktordioden, VC1 (nere till vänster), är parallell med tanken som innefattar induktansen L3 och kondensatorerna C4, C7 och C8. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

Valet av varaktorer och bipolära övergångstransistorer beror på oscillatorfrekvensen. För nominella frekvenser på 1 GHz, RF-transistorer som NXP Semiconductor BFU520WX eller Infineon Technologies BFP420FH6327XTSA1 kan användas. BFU520WX har en övergångsfrekvens på 10 GHz och förstärkning på 18,8 dB och BFP420FH6327XTSA1 har en övergångsfrekvens på 25 GHz med en förstärkning på 19,5 dB. Båda har en tillräcklig förstärkning*bandbredd-produkt för denna krets vid 1 GHz.

Sammanfattningsvis erbjuder diskreta VCO:er maximal konstruktionsflexibilitet men är större och tar upp mer kretskortsyta än modulära eller monolitiska enheter.

Att specificera VCO:er

De viktigaste VCO-specifikationerna börjar vanligtvis med det nominella frekvensområdet, alltså området mellan de lägsta och högsta frekvenserna som kan genereras. Alternativt kan de specificeras som en märk- eller mittfrekvens och ett inställningsområde.

Ingångsspänningsområdet motsvarar ingångsspänningen, som ställer in VCO:n över inställningsområdet (figur 5).

Figur 5: Inställningskurvan för utgångsfrekvensen som en funktion av ingångsspänningen ger en enkel översikt av VCO:n jämfört med en linjär funktion. Lutningen på utgångsfrekvensen relativt inställningsspänningen är inställningskänsligheten. (Bildkälla: DigiKey)

Inställningsförstärkningen eller -känsligheten, mätt i MHz/V, är lutningen av frekvensen relativt spänningskurvan. Det är ett mått på inställningslinjäriteten. I tillämpningar där VCO:n befinner sig i en reglerslinga, t.ex. som för en PLL, är inställningskänsligheten förstärkningen på VCO-elementet och den kan påverka styrslingans dynamik och stabilitet.

Utgångseffekten för VCO:n specificerar effekten som levereras till en last med specificerad impedans, vanligtvis 50 ohm för RF VCO:er. Utgångseffekten anges i dB relativt 1 mW (dBm). Plattheten på utgångseffekten över frekvensområdet för VCO:n kan också vara av intresse.

Lastpåläggning förändrar VCO:ns utfrekvens till följd av förändringar i lastimpedansen, mätt i MHz topp till topp (pk-pk). Lastisoleringen blir vanligtvis bättre genom att använda en buffertförstärkare, som emitterföljaren som visas i figur 4.

Påläggning av strömmatning ger variationen i VCO-utgångsfrekvensen på grund av variationer i matningspänningen. Den mäts i MHz/V.

Fasbrusspecifikationen är en indikator på VCO:ns signalrenhet. En ideal oscillator har ett frekvensspektrum som är en smal spektrallinje vid oscillatorns frekvens. Fasbrus representerar oönskad modulering av oscillatorn och breddar spektralsvaret. Fasbrus är resultatet av termiska och andra bruskällor i oscillatorkretsen och anges som decibel under bärvågen per hertz (dBc/Hz). Fasbrus i frekvensdomänen resulterar i tidsjitter i tidsdomänen, vilket manifesteras som tidsintervallfel (TIE).

Modulära VCO:er

Modulära VCO:er utgör den näst högsta nivån på kretsintegration. Dessa VCO:er är inkapslade i ett litet, modulärt hölje och används som en komponent. Modulära VCO:er erbjuder i allmänhet högre packningstäthet än en diskret implementering av en VCO. De finns för ett antal olika utgångsfrekvenser, inställningsområden och uteffektnivåer. Ett exempel är Crystek Corporations VCO CRBV55BE-0325-0775 (figur 6). Enheten mäter 31,75 x 14,99 mm med en höjd på 31,75 mm och har ett inställningsområde på 325 till 775 MHz för ett inspänningsområde på 0 till 12 volt. Den har en uteffektnivå på +7 dBm (typisk) med ett fasbrus på -98 dBc/Hz vid 10 kHz förskjutning från bärvågen och -118 dBc/Hz vid 100 kHz.

Figur 6: Översiktsritningar för Crysteks CRBV55BE VCO som visar deras kompakta format med måtten 31,75 x 31,75 x 14,99 mm. (Bildkälla: Crystek Corporation)

När det gäller styrdynamiken har Crysteks VCO en typisk inställningskänslighet på 45 MHz/V. Påläggning av strömmatningen är specificerad till 0,5 MHz/V (nominellt) och 1,5 MHz/V maximalt. Påläggning av last resulterar i maximalt 5,0 MHz pk-pk.

Monolitiska VCO:er

VCO:er kan implementeras som monolitiska IC:ar. Den monolitiska IC:n ger den högsta volymtätheten. Precis som modulära VCO:er är monolitiska VCO:er utformade för specifika driftband. Titta exempelvis på Maxim Integrateds MAX2623EUA+T. Detta är en fristående VCO med en integrerad oscillator och en utgångsbuffert i en enda 8-pinnars mMax-kapsling (figur 7).

Figur 7: Blockdiagrammet och pinnkonfigurationen för Maxim Integrateds MAX2623 VCO. Det är en konventionell LC-baserad VCO som använder dubbla varaktordioder för spänningsstyrning. Den innehåller en inbyggd utgångsbuffert i en 8-pinnarskapsling. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Konstruktionen innehåller tankinduktor och varaktordioder integrerade på chippet. Den matas med +2,7 till +5,5 V och drar endast 8 mA. MAX2623 är en av tre VCO:er i produktfamiljen, som var och en differentieras genom deras avsedda driftfrekvenser. MAX2623 är anpassad för intervallet 885 till 950 MHz, vilekt täcker in Industrial, Scientific and Medical (ISM)-bandet på 902 till 928 MHz, där den kan användas som en lokal oscillator. VCO:n har en uteffektnivå på -3 dBm till 50 ohm med ett fasbrus på -101 dBc/Hz, typiskt sett med 100 kHz förskjutning. Styrspänningsområdet är 0,4 till 2,4 V och lastpåläggningen motsvarar typiskt 0,75 MHz, pk-pk. Påläggning av strömmatning motsvarar 280 kHz/volt (typiskt). Kapslingen mäter 3,03 x 3,05 x 1,1 mm.

Ett annat exempel på en monolitisk VCO är Analog Devices HMC512LP5ETR. Denna VCO täcker frekvensområdet från 9,6 till 10,8 GHz och har en inställningsspänning på 2 till 13 volt. Den är avsedd för satellitkommunikation, flerpunktsradio och militära tillämpningar (figur 8).

Figur 8: Blockdiagrammet för Analog Devices HMC512LPETR VCO som visar den integrerade varaktordioden och oscillatorkärnan med integrerad resonator. (Bildkälla: Analog Devices)

Denna monolitiska mikrovågsintegrerade VCO-krets (MMIC) använder bipolära GaAs- och InGaP-övergångstransistorer för att klara hög bandbredd och en uteffektnivå på +9 dBm till en 50 ohms last med en 5 VDC-strömmatning. Fasbruset är -110 dBc/Hz vid 100 kHz förskjutning. Lastpåläggningen motsvarar 5 MHz topp-topp typisk sett. Påläggning av strömmatningen motsvarar vanligtvis 30 MHz/V, typiskt sett vid 5 volt. Enheten är kapslad i en ytmonterad QFN-kapsling 5 x 5 mm. Notera i figuren att denna VCO också innehåller halv- och kvartsfrekvens-hjälputgångar. Dessa fraktionsfrekvensutgångar kan användas för att driva en PLL-synthesizer för att faslåsa VCO-primärutgången om så önskas eller för att synkronisera andra tidkedjesignaler.

Båda dessa monolitiska komponenter är små, vilket är den främsta fördelen med denna typ av VCO.

Slutsats

VCO:er, oavsett om de är i diskret, modulär eller monolitisk form, fyller behovet av spänningsbaserad frekvensstyrning som krävs i många olika tillämpningar. De används i funktionsgeneratorer, PLL, frekvenssyntetiserare, klockgeneratorer och analoga musiksyntetizers. Även om de är relativt enkla anordningar, krävs för korrekt användning en gedigen förståelse för hur de fungerar och deras viktigaste specifikationer. När detta är klart finns det många utföranden och leverantörer att välja mellan.