Введение

Осциллятор с частотой, управляемой напряжением

Генератор, управляемый напряжением (VCO) – это электронный генератор, частота колебаний которого управляется входным напряжением. Приложенное входное напряжение определяет мгновенную частоту колебаний. Следовательно, VCO может использоваться для частотной модуляции (FM) или фазовой модуляции (PM) путем подачи модулирующего сигнала на управляющий вход. VCO также является неотъемлемой частью фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). VCO используются в синтезаторах для генерации формы сигнала, высота тона которой может регулироваться напряжением, определяемым музыкальной клавиатурой или другим источником входного сигнала. Преобразователь напряжения в частоту (VFC) – это специальный тип VCO, разработанный для обеспечения высокой линейности управления частотой в широком диапазоне входных управляющих напряжений.

Типы

ВОК обычно можно разделить на две группы в зависимости от типа генерируемой формы сигнала. Линейные или гармонические генераторы генерируют синусоидальную форму волны. Гармонические генераторы в электронике обычно состоят из резонатора с усилителем, компенсирующим потери резонатора (для предотвращения затухания амплитуды) и изолирующим резонатор от выходного каскада (чтобы нагрузка не влияла на резонатор). Примерами гармонических генераторов являются LC-генераторы и кварцевые генераторы. Релаксационные генераторы могут генерировать пилообразную или треугольную форму волны. Они широко используются в интегральных схемах (ИС) и могут обеспечивать широкий диапазон рабочих частот при минимальном количестве внешних компонентов.

Контроль частоты

Конденсатор с управлением напряжением – один из способов изменения частоты LC-генератора в ответ на управляющее напряжение. Любой полупроводниковый диод, включенный в обратном смещении, проявляет некоторую зависимость емкости от напряжения и может быть использован для изменения частоты генератора путем изменения управляющего напряжения, подаваемого на диод. Существуют специализированные диоды-варакторы с переменной емкостью, обладающие хорошо изученными широкими диапазонами емкостей. Варактор используется для изменения емкости (и, следовательно, частоты) колебательного контура LC. Варактор также может изменять нагрузку на кварцевый резонатор и изменять его резонансную частоту. Для низкочастотных генераторов, управляемых напряжением (VCO), используются другие методы изменения частоты (например, изменение скорости заряда конденсатора с помощью управляемого напряжением источника тока) (см. генератор сигналов). Частота кольцевого генератора регулируется путем изменения напряжения питания, тока, доступного каждой инверторной ступени, или емкостной нагрузки на каждой ступени.

Конструкция и схемы

Диапазон настройки, коэффициент настройки и фазовый шум – важные характеристики генератора, управляемого напряжением (ГУН). Как правило, для ГУН предпочтителен низкий фазовый шум. Коэффициент настройки и шум в управляющем сигнале влияют на фазовый шум; высокий шум или высокий коэффициент настройки приводят к увеличению фазового шума. Другими важными факторами, определяющими фазовый шум, являются источники мерцающего шума (шум 1/f) в схеме, уровень выходной мощности и нагруженный коэффициент качества резонатора (см. уравнение Лисона). Мерцающий шум на низких частотах влияет на фазовый шум, поскольку он гетеродинируется до выходной частоты генератора из-за нелинейной характеристики активных элементов. Влияние мерцающего шума можно уменьшить с помощью отрицательной обратной связи, которая линеаризует характеристику (например, дегенерация эмиттера). ГУН обычно имеют более низкий коэффициент качества по сравнению с аналогичными генераторами с фиксированной частотой и, следовательно, более подвержены джиттеру. Джиттер может быть достаточно низким для многих применений (например, для управления АСИКом), в этом случае ГУН обладают преимуществами отсутствия внешних компонентов (дорогих) или встроенных индуктивностей (низкий выход годных на стандартных технологических процессах CMOS).

Осцилляторы LC

Обычно используемыми схемами генераторов, управляемых напряжением (VCO), являются генераторы Клэппа и Колпитца. Генератор Колпитца используется чаще, и эти генераторы очень похожи по своей конфигурации.

Кристальные осцилляторы

Для точной настройки рабочей частоты используется генератор, управляемый напряжением (VCXO). Частоту генератора, управляемого напряжением, можно изменять на несколько десятков частей на миллион (ppm) в диапазоне управляющего напряжения, обычно от 0 до 3 вольт, поскольку высокое значение добротности (Q) кристаллов позволяет управлять частотой лишь в небольшом диапазоне. Генератор, управляемый напряжением с температурной компенсацией (TCVCXO), включает компоненты, которые частично компенсируют зависимость резонансной частоты кристалла от температуры. В этом случае достаточно меньшего диапазона управления напряжением для стабилизации частоты генератора в приложениях с изменяющейся температурой, например, при нагреве внутри передатчика. Другим способом стабилизации частоты генератора является размещение генератора в термостате с постоянной, но более высокой, чем температура окружающей среды. В эталонных генераторах с высокой стабильностью частоты кристалл часто помещают в термостат и используют входное напряжение для точной подстройки. Температура выбирается как точка перегиба – температура, при которой небольшие изменения не влияют на резонанс. Напряжение управления можно использовать для периодической корректировки опорной частоты по источнику NIST. В более сложных конструкциях также может осуществляться регулировка напряжения управления с течением времени для компенсации старения кристалла.

Часовые генераторы

Часовой генератор – это генератор, обеспечивающий тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Генераторы часов VCXO используются в различных областях, таких как цифровое телевидение, модемы, передатчики и компьютеры. Параметры проектирования генератора часов VCXO включают диапазон напряжения настройки, центральную частоту, диапазон изменения частоты и временной джиттер выходного сигнала. Джиттер – это разновидность фазового шума, который необходимо минимизировать в таких приложениях, как радиоприемники, передатчики и измерительное оборудование. Если требуется более широкий диапазон тактовых частот, выход VCXO может быть подан на цифровые делители частоты для получения более низких частот или на фазовую замкнутую петлю (ФАП). Существуют интегральные схемы, содержащие как VCXO (для внешнего кварца), так и ФАП. Типичным применением является обеспечение тактовой частоты в диапазоне от 12 кГц до 96 кГц для цифро-аналогового преобразователя аудиосигнала.

Системные синтезаторы

Частотный синтезатор генерирует точные и настраиваемые частоты, используя стабильный опорный генератор. Цифровой генератор, управляемый частотным синтезатором, может служить цифровой альтернативой аналоговым схемам генераторов, управляемых напряжением.

Приложения

VCO используются в генераторах функций, фазовых замкнутых циклах, включая частотные синтезаторы, применяемые в коммуникационном оборудовании и производстве электронной музыки, для генерации переменных тонов в синтезаторах. Генераторы функций – это низкочастотные осцилляторы, которые формируют несколько видов волн, обычно синусоидальные, прямоугольные и треугольные. Монолитные генераторы функций управляются напряжением. Аналоговые фазовые замкнутые контуры обычно содержат VCO. Высокочастотные VCO обычно используются в фазовых замкнутых контурах радиоприемников. Фазовый шум является наиболее важной характеристикой в этом применении. Аудиочастотные VCO используются в аналоговых музыкальных синтезаторах. Для них диапазон изменения частоты, линейность и искажения часто являются наиболее важными характеристиками. Аудиочастотные VCO для использования в музыкальных контекстах в значительной степени были заменены в 1980-х годах их цифровыми аналогами – цифровыми управляемыми генераторами (DCO) – благодаря их стабильности выходного сигнала при изменении температуры в процессе работы. С 1990-х годов музыкальное программное обеспечение стало основным методом генерации звука. Преобразователи напряжения в частоту – это генераторы, управляемые напряжением, с высоколинейной 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 подвержена дрейфу или влиянию шума. Осцилляторы в этом применении могут иметь синусоидальный или прямоугольный выход. Если осциллятор управляет оборудованием, которое может создавать радиочастотные помехи, добавление изменяющегося напряжения к его управляющему входу, называемое дитерингом, может рассеять спектр помех, чтобы сделать его менее заметным (см. генератор тактовых импульсов с расширенным спектром).