Кіріспе
Кернеумен басқарылатын осциллятор (VCO) – тербеліс жиілігі кернеулік кіріспен басқарылатын электрондық осциллятор. Берілген кіріс кернеуінің мәні дереу тербеліс жиілігін анықтайды. Осылайша, VCO жиілікті модуляциялау (FM) немесе фазалық модуляциялау (PM) үшін, басқару кірісіне модуляциялық сигнал беру арқылы қолданылуы мүмкін. VCO фазалық құлыптағыштың (PLL) маңызды бөлігі болып табылады. VCO синтезаторларда дыбыс толқынын жасау үшін қолданылады, оның тоны музыкалық пернетақта немесе басқа кіріспен анықталатын кернеумен реттеледі. Кернеу-жиілік түрлендіргіші (VFC) – кіріс кернеулерінің кең диапазонында жиілікті басқаруда өте сызықты болу үшін арнайы жасалған VCO-ның бір түрі.
A voltage controlled oscillator (VCO) is an electronic oscillator whose oscillation frequency is controlled by a voltage input. The applied input voltage determines the instantaneous oscillation frequency. Consequently, a VCO can be used for frequency modulation (FM) or phase modulation (PM) by applying a modulating signal to the control input. A VCO is also an integral part of a phase locked loop. VCOs are used in synthesizers to generate a waveform whose pitch can be adjusted by a voltage determined by a musical keyboard or other input. A voltage to frequency converter (VFC) is a special type of VCO designed to be very linear in frequency control over a wide range of input control voltages.
Түрлері
VCO-ны шығаратын толқын түріне қарай екі топқа бөлуге болады. Сызықтық немесе гармоникалық осцилляторлар синусоидты толқынды тудырады. Электроникадағы гармоникалық осцилляторлар әдетте резонатордың жоғалуын өтеу үшін (амплитуданың азаюын болдырмау мақсатында) және резонаторды шығыстан оқшаулау үшін (жүктеме резонаторға әсер етпеуі үшін) күшейткішпен жабдықталған резонатордан тұрады. Гармоникалық осцилляторлардың мысалдары – LC осцилляторлары және кристалл осцилляторлары. Релаксациялық осцилляторлар тік төбелі немесе үшбұрышты толқынды тудырады. Олар интегралдық микросхемаларда (ИМ) кеңінен қолданылады. Олар сыртқы компоненттердің минималды санымен жұмыс жиіліктерінің кең диапазонын қамтамасыз ете алады.
Жиілікті басқару
Кернеуді басқаратын конденсатор – LC осцилляторының басқару кернеуіне жауап ретінде жиілігін өзгертуге мүмкіндік беретін әдістердің бірі. Кез келген кері бұрылыс жартылай өткізгіш диод кернеуге тәуелді сыйымдылықтың белгілі бір шамасын көрсетеді және диодқа берілетін басқару кернеуін өзгерту арқылы осциллятордың жиілігін өзгерту үшін қолданылуы мүмкін. Арнайы мақсаттағы өзгермелі сыйымдылықты (варактор) диодтары кең ауқымды сыйымдылық мәндерімен сипатталады. Варактор LC контурының сыйымдылығын (соның салдарынан жиілігін) өзгерту үшін қолданылады. Варактор кристалл резонаторының жүктемесін өзгертіп, оның резонанстық жиілігін өзгерте алады. Төмен жиілікті VCO-лар үшін жиілікті өзгертудің басқа да әдістері қолданылады (мысалы, кернеуді басқаратын ток көзі арқылы конденсатордың зарядталу жылдамдығын өзгерту) (функция генераторын қараңыз). Сақина осцилляторының жиілігі қоректендіру кернеуін, әрбір инвертор сатысына берілетін токты немесе әрбір сатыдағы сыйымдылық жүктемесін өзгерту арқылы басқарылады.
Құрылыс және контурлар
Түндеу диапазоны, күйге келтіру пайдасы және фазалық шу – VCO-ның маңызды сипаттамалары. Жалпы, VCO-да төмен фазалық шуға басымдық беріледі. Басқару сигналындағы күйге келтіру пайдасы мен шу фазалық шуға әсер етеді; жоғары шу немесе жоғары күйге келтіру пайдасы көбірек фазалық шуға алып келеді. Фазалық шуды анықтайтын басқа маңызды факторлар – тізбектегі жыпылықтау шуының (1/f шу) көздері, шығыс қуатының деңгейі және резонатордың жүктемелі Q коэффициенті. (Лисон теңдеуін қараңыз). Төмен жиілікті жыпылықтау шуы фазалық шуға әсер етеді, себебі жыпылықтау шуы белсенді құрылғылардың сызықты емес беру функциясы арқасында осциллятордың шығыс жиілігіне гетеродинденеді. Жыпылықтау шуының әсерін кері байланыспен азайтуға болады, ол беру функциясын сызықтыққа жақындатады (мысалы, эмитерлік дегенерация). VCO-лар, әдетте, ұқсас белгілі жиілікті осцилляторларға қарағанда төмен Q коэффициентіне ие, сондықтан олар көбірек қалбырлауға бейім. Бірақ, қалбырлауды көптеген қолданбалар үшін (мысалы, ASIC-ті басқару) жеткілікті деңгейге дейін төмендетуге болады, онда VCO-лар чиптен тыс компоненттердің (құны жоғары) немесе чиптегі индукторлардың (жалпы CMOS процестерінде өнімділік төмен) болмауының артықшылықтарын ұсынады.
LC осцилляторлары
Көбінесе қолданылатын VCO схемалары – Клапп және Колпитс осцилляторлары. Екеуінің арасында Колпитс осцилляторы көбірек қолданылады, және бұл осцилляторлар құрылымы жағынан өте ұқсас.
Кристаллдық осцилляторлар
Жұмыс жиілігін дәл реттеу үшін кернеумен басқарылатын кристалл осцилляторы (VCXO) қолданылады. Кернеумен басқарылатын кристалл осцилляторының жиілігі, әдетте 0-3 вольт аралығындағы басқару кернеуі диапазонында бірнеше оннан миллион бөлікке (ppm) дейін өзгеруі мүмкін, себебі кристалдардың жоғары сапа факторы (Q) жиілікті тек тар жиілік диапазонында басқаруға мүмкіндік береді. Температураға өтелген VCXO (TCVCXO) кристаллдың резонанстық жиілігінің температураға тәуелділігін ішінара түзетуге арналған компоненттерді қамтиды. Температура өзгерісі бар қолданбаларда, мысалы, бергіштің ішіндегі жылу жиналуы сияқты жағдайларда осциллятор жиілігін тұрақтандыру үшін кернеуді басқарудың кішірек диапазоны жеткілікті. Осцилляторды тұрақты, бірақ қоршаған орта температурасынан жоғары температурадағы кристалл пешке орналастыру – осциллятор жиілігін тұрақтандырудың тағы бір жолы. Жоғары тұрақтылыққа ие кристалл осцилляторларының эталондық тікелей жүйелері көбінесе кристалды пешке орналастырады және нақты басқару үшін кернеулік кірісті пайдаланады. Температура айналу температурасы ретінде таңдалады: кішкентай өзгерістер резонансқа әсер етпейтін температура. Басқару кернеуін кейде NIST көзіне сәйкес эталондық жиілікті реттеу үшін қолдануға болады. Күрделі конструкциялар кристаллдың қартаюын өтеу үшін уақыт өте келе басқару кернеуін де реттеуі мүмкін.
Сағат генераторлары
Сағат генераторы – цифрлық тізбектердегі операцияларды синхрондау үшін уақыт сигналын қамтамасыз ететін осциллятор. VCXO сағат генераторлары сандық теледидар, модемдер, хабар тарату құрылғылары және компьютерлер сияқты көптеген салаларда қолданылады. VCXO сағат генераторының жобалау параметрлері: реттеу кернеуінің диапазоны, орталық жиілік, жиілік реттеу диапазоны және шығыс сигналының уақыт тербелісі. Тербеліс – радио қабылдағыштар, таратушылар және өлшеу құралдары сияқты қолданыстарда барынша азайту қажет болатын фазалық шудың бір түрі. Егер сағат жиіліктерінің кеңірек таңдауы қажет болса, VCXO шығысын төменгі жиіліктер алу үшін цифрлық бөлгіш тізбектері арқылы өткізуге болады немесе фазалық құлыпталған циклға (PLL) жіберуге болады. Сыртқы кристалл үшін VCXO және PLL-ды қамтитын интегралдық схемалар қолжетімді. Типик қолданыс – аудио цифрлық-аналогтық түрлендіргішке 12 кГц-тен 96 кГц-ке дейінгі диапазондағы сағат жиіліктерін беру.
Жиілік синтезаторлары
Жиілік синтезаторы тұрақты бір жиілікті сағатқа негізделген дәл және реттелетін жиіліктерді жасайды. Жиілік синтезаторы негізіндегі цифрлық басқарылатын осциллятор, аналогтық кернеумен басқарылатын осциллятор схемаларына цифрлық балама ретінде қолданылуы мүмкін.
Қолданбалар
VCO-лар функциялық генераторларда, фазалық бұғатталған циклдерде, соның ішінде байланыс жабдықтарында қолданылатын жиілік синтезаторларын қоса алғанда, және электрондық музыка өндірісінде өзгермелі тондарды жасау үшін қолданылады. Функциялық генераторлар – әдетте синус, тіктөртбұрыш және үшбұрыш толқындарынан тұратын, бірнеше толқын формаларына ие төмен жиілікті осцилляторлар. Монолиттік функциялық генераторлар кернеумен басқарылады. Аналогтық фазалық бұғатталған циклдерде әдетте VCO-лар кездеседі. Жоғары жиілікті VCO-лар көбінесе радио қабылдағыштардағы фазалық бұғатталған циклдерде қолданылады. Бұл жағдайда фазалық шу ең маңызды сипаттама болып табылады. Аудио жиілікті VCO-лар аналогтық музыкалық синтезаторларда қолданылады. Олар үшін, жиілік диапазоны, сызықтық және бұрмалау сипаттамалары маңызды. Музыкалық контексте қолданылатын аудио жиілікті VCO-лар 1980-ші жылдары температура өзгерген кездегі шығу тұрақтылығының арқасында цифрлық басқарылатын осцилляторлар (DCO) деп аталатын цифрлық әріптестерімен ауыстырылды. 1990-шы жылдардан бері музыкалық бағдарламалық жасақтама дыбыс жасаудың басым әдісіне айналды. Кернеу-жиілік түрлендіргіштері – қолданылатын кернеу мен жиілік арасында жоғары сызықтық байланысқа ие кернеумен басқарылатын осцилляторлар. Олар баяу аналогтық сигналды (мысалы, температура датчиктерінен) ұзақ қашықтыққа беруге қолайлы сигналға түрлендіру үшін қолданылады, себебі жиілік дрейфтемейді немесе шу әсеріне ұшырамайды. Бұл қолданбадағы осцилляторлар синус немесе тіктөртбұрыш толқын шығаруы мүмкін. Егер осциллятор радиожиілікті кедергі тудыруы мүмкін жабдықты басқарса, басқару кірісіне дитеринг деп аталатын өзгермелі кернеу қосу арқылы кедергі спектрін таратуға болады, бұл оны азайтуға көмектеседі (таратылған спектрлік сағатқа қараңыз).