Cílem každého řídícího systému je tuto funkci zajistit co nejefektivněji, nejhospodárněji, a zároveň s velkou přesností, spolehlivostí a stabilitou v čase i teplotě. To je úkolem napěťově řízených oscilátorů (VCO). Tyto oscilátory generují výstupní signál, jehož frekvence se mění s amplitudou napětí vstupního signálu v rozumném rozsahu frekvencí. Jsou součástí fázového závěsu PLL, frekvenčních a fázových modulátorech, radarech a mnoha dalších elektronických systémech.
Tento článek vysvětluje funkci napěťově řízených oscilátorů, obsahuje jejich návrh pomocí diskrétních komponent, a nakonec uvádí příklad integrovaných obvodů VCO od různých dodavatelů, například od Maxim Integrated , Analog Devices , Infineon Technologies , NXP Semiconductors , Skyworks Solutions a Crystek Corporation.
Jaká je role napěťově řízených oscilátorů?
Mnoho elektronických aplikací vyžaduje, aby frekvence nebo fáze signálu byla měněna nebo řízena na základě amplitudy jiného signálu. Mezi tyto aplikace patří komunikační systémy, radary (frequency chirps), fázové závěsy PLL, frekvenční „hopping“ v telekomunikacích (obrázek 1).
Obrázek 1: Příklady aplikací, které vyžadují změnu frekvence nebo fáze pomocí amplitudy vstupního napětí. Frekvenční modulace v komunikačních systémech (první průběh), tzv frequency chirps v radaru (druhý průběh), fázový závěs (třetí průběh) a frekvenční hopping (poslední průběh) (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
VCO jsou speciálně navrženy tak, aby generovaly výstupní signál, jehož frekvence se mění v závislosti na amplitudě vstupního signálu v rozumném rozsahu frekvencí.
Jak fungují napěťově řízení oscilátory?
Napěťově řízené oscilátory (VCO) jsou k dispozici v diskrétní, modulární nebo monolitické formě. Diskrétní řešení VCO poskytne základní pochopení jejich funkce a odpověď na otázku, proč jsou některé parametry VCO tak důležité. Oscilátory postavené z diskrétních součástek mají navíc velkou flexibilitu. Jsou určeny pro provoz ve vysokofrekvenčních rádiových zapojeních a jsou založeny na klasických topologiích oscilátorů jako je zapojení Hartley a Colpitts (LC) (obrázek 2).
Obrázek 2: Klasické zapojení oscilátoru LC Hartley a Colpitts, lze použít jako základ VCO. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Všechny oscilátory používají pozitivní zpětnou vazbu pro dosažení trvalé oscilace. Oscilátory Hartley a Colpitts jsou základní konstrukce, které generují pozitivní zpětnou vazbu různými způsoby. Pozitivní zpětná vazba vyžaduje, aby se signál na výstupu oscilátoru vrátil na vstup s celkovým fázovým posunem 360°.
Zesilovač poskytuje jednofázovou inverzi 180° a druhá polovina z 360° pochází z rezonančního LC obvodu. Rezonanční obvod určuje jmenovitou frekvenci kmitání. Skládá se z L1, L2 a Ct v obvodu oscilátoru Hartley a L1, Ct1 a Ct2 v oscilátoru Colpitts.
Hartleyův oscilátor používá indukční vazbu k získání opačné fáze pomocí odbočky induktoru (L1 a L2) zobrazeného v obvodu. Oscilátor Colpitts využívá kapacitní dělič napětí skládající se z Ct1 a Ct2 v příslušném obvodu. Existuje mnoho variant zapojení odvozených od těchto dvou základních obvodů.
Aby se oscilátor stal flexibilním, přidává se k těmto základním konstrukcím tzv. varaktorová dioda neboli varicap. Varicap je polovodičová součástka, která se chová jako proměnný kondenzátor. Díky tomu lze v oscilátoru měnit kmitočet rezonančního obvodu. Kapacita diody se může měnit změnou použitého stejnosměrného předpětí. Kapacita varicapu se inverzně mění s použitým stejnosměrným předpětím. Čím vyšší je reverzní předpětí, tím je tedy nižší kapacita. Příklad závislosti kapacity na napětí pro varicap SMV1232_079LF od Skyworks Solutions je na obrázku 3. Tato dioda má kapacitu 4,15 pF při nulovém napětí a 0,96 pF při 8 V.
Obrázek 3: Závislost napětí a kapacity varicapu SMV1232 jasně ukazuje, jak se kapacita mění inverzně s použitým stejnosměrným napětím. (Zdroj obrázku: Skyworks Solutions)
Rozsah kapacity varicapu určuje rozsah oscilátoru VCO. Napěťové řízení oscilátoru se realizuje tak, že se připojí varicap VC1 paralelně k rezonančnímu obvodu, jak je znázorněno na obrázku 4. Obrázek znázorňuje referenční zapojení Colpitts oscilátoru se střední frekvencí 1 GHz a ladícím rozsahem přibližně 100 MHz.
Rezonanční obvod v této konstrukci je složen z induktoru L3 a kondenzátorů C4, C7 a C8. Varicap VC1 je zapojen paralelně s tímto rezonančním obvodem. Kondenzátor C4 spolu s varicapem zajišťují změnu frekvence oscilátoru, zatímco kondenzátory C7 a C8 poskytují požadovanou zpětnou vazbu k udržení oscilace.
Obrázek 4: Referenční návrh Colpitts oscilátoru VCO se střední frekvencí 1 GHz a rozsahem ladění přibližně 100 MHz. Varicapová dioda VC1 (vlevo dole) je zapojena paralelně s rezonančním obvodem, který je složen z induktor L3 a kondenzátorů C4, C7 a C8. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)
Volba varicapu a bipolárních tranzistorů závisí na frekvenci oscilátoru. U oscilátorů s jmenovitou frekvencí 1 GHz je vhodné použít vysokofrekvenční tranzistory BFU520WX od NXP Semiconductor nebo BFP420FH6327XTSA1 od Infineon Technologies. BFU520WX má přechodovou frekvenci 10 GHz a zisk 18,8 dB. BFP420FH6327XTSA1 má přechodovou frekvenci 25 GHz se ziskem 19,5 dB. Oba mají zisk s dostatečnou šířku pásma. Stručně řečeno, diskrétní VCO nabízejí maximální konstrukční flexibilitu, ale jsou větší, a tím zabírají velkou plochu na desce než modulární nebo monolitické varianty.
Parametry VCO
Hlavním parametrem napěťově řízeného oscilátoru je jmenovitý frekvenční rozsah. To znamená minimální a maximální dosažitelnou frekvenci. Tento parametr se také označuje jako nominální nebo střední frekvence, a k němu se přidává parametr s názvem rozsah ladění. Dalším parametrem je rozsah vstupního ladicího napětí, kterým lze nastavovat frekvenci v daném rozsahu ladění (obrázek 5).
Obrázek 5: Graf ladicí křivky čili výsledná frekvence jako funkce vstupního ladicího napětí. Tento graf poskytuje základní pohled na linearitu VCO. Sklon výstupní frekvence vs. ladicí napětí se nazývá citlivost ladění. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Citlivost ladění se udává v jednotkách MHz / V. Jedná se o sklon křivky frekvence vs. napětí. V aplikacích, kde je VCO v regulační smyčce, například s PLL, je citlivost ladění ziskem prvku VCO a může ovlivnit dynamiku a stabilitu regulační smyčky.
Výstupní výkon VCO určuje výkon dodávaný do zátěže specifické impedance, obvykle 50 Ω pro RF VCO. Výstupní výkon je udáván v dB vztažený na 1 mW čili dBm. Rovinnost výstupního výkonu ve frekvenčním rozsahu je také důležitou vlastností.
Zajímavou vlastností je změna frekvence VCO v důsledku změn impedance zátěže měřených v MHz špička-špička (pk-pk). Izolace zátěže se obvykle vylepšuje použitím vyrovnávacího zesilovače, jako je sledovač zobrazený na obrázku 4. Další vlastností je změna frekvence VCO způsobená změnami napájecího napětí tzv. Power supply pushing . Udává se v MHz / V.
Parametr fázového šumu je indikátorem čistoty signálu VCO. Ideální oscilátor má frekvenční spektrum v podobě úzké spektrální čáry na jmenovité frekvenci oscilátoru.
Fázový šum představuje nežádoucí modulaci oscilátoru. Fázový šum je výsledkem tepelných a jiných zdrojů rušení v obvodu oscilátoru a udává se v dBc / Hz. Fázový šum se projevuje jako časový jiter, který způsobuje chybu časového intervalu (TIE).
Modulární VCO
Modulární VCO představují další úroveň integrace obvodů. Tyto napěťově řízené oscilátory jsou zabaleny v malém modulárním krytu a používají se jako součástka. Modulární VCO obecně nabízí vyšší hustotu než diskrétní implementace VCO. Jsou k dispozici v řadě výstupních frekvencí, rozsahů ladění a úrovní výstupního výkonu.
Příkladem modulárního VCO je CRBV55BE-0325-0775 od společnosti Crystek Corporation (obrázek 6). Tato součástka má rozměry 31,75 x 14,99 milimetrů (mm) a výšku 31,75 mm. Rozsah ladění je 325 až 775 MHz pro vstupní napětí 0 až 12 voltů. Úroveň výstupního výkonu je +7 dBm (typicky) s fázovým šumem -98 dBc / Hz @ 10 kilohertz (kHz) offset od nosné a -118 dBc / Hz při 100 kHz.
Obrázek 6: Obrysové rozměry VCO oscilátoru CRBV55BE od Crystek. (Zdroj obrázku: Crystek Corporation)
Pokud jde o dynamiku řízení, Crystek VCO má typickou citlivost ladění 45 MHz / V. Power supply pushing je 0,5 MHz / V typicky a 1,5 MHz / V maximálně. Zatížení je 5,0 MHz pk-pk.
Monolitické VCO
Napěťově řízené oscilátory jsou k dispozici také v podobě monolitických integrovaných obvodů. Monolitický integrovaný obvod poskytuje nejvyšší objemovou hustotu. Stejně jako modulární VCO jsou monolitické VCO určeny pro konkrétní provozní pásmo, jako například MAX2623EUA + T od Maxim Integrated. Jedná se o integrovaný oscilátor s výstupní vyrovnávací pamětí v jednom 8 pinovém pouzdře mMax (obrázek 7).
Obrázek 7: Blokové schéma a konfigurace pinů MAX2623 VCO od Maxim Integrated. Jedná se o konvenční VCO na bázi LC oscilátoru využívající duální varicapy pro řízení napětí. Obsahuje integrovanou výstupní vyrovnávací paměť v 8 pinovém pouzdře. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
Integrovaný obvod obsahuje LC rezonanční obvod a varicapy. Pracuje s napájecím napětím v rozmezí od +2,7 až +5,5 V a jeho spotřeba je 8 mA. MAX2623 je jedním ze tří oscilátorů v produktové řadě, z nichž každý se liší provozní frekvencí. MAX2623 je naladěn na rozsah 885 až 950 MHz, který pokrývá pásmo 902 až 928 MHz průmyslové, vědecké a lékařské (ISM), kde jej lze použít jako lokální oscilátor. VCO má úroveň výstupního výkonu -3 dBm do 50 Ω s fázovým šumem -101 dBc / Hz typicky při ofsetu 100 kHz. Rozsah řídicího napětí je 0,4 až 2,4 voltu a zatížení je obvykle 0,75 MHz pk-pk. Power supply pushing je 280 kHz / V. Jeho rozměry jsou 3,03 x 3,05 x 1,1 mm.
Dalším příkladem monolitického VCO je HMC512LP5ETR od Analog Devices. Tento VCO pokrývá frekvenční rozsah od 9,6 do 10,8 GHz pomocí ladicího napětí od 2 do 13 V. Je určen pro satelitní komunikaci, vícebodové rádiové a vojenské aplikace (obrázek 8).
Obrázek 8: Blokové schéma HMC512LPETR VCO zobrazující integrovaný varicap a jádro oscilátoru s integrovaným rezonátorem. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Tento monolitický mikrovlnný integrovaný obvod (MMIC) využívá GaAs a InGaP bipolární tranzistory k dosažení široké šířky pásma a úrovně výstupního výkonu +9 dBm do zátěže 50 Ω pomocí zdroje napájení 5 V DC.
Fázový šum je -110 dBc / Hz při ofsetu 100 kHz. Zatížení je typicky 5 MHz peak to peak. Power supply pushing je obvykle 30 MHz / V při 5 voltech. Je určen pro povrchovou montáž, díky pouzdru QFN 5 x 5 mm. Tento VCO zahrnuje také poloviční a čtvrtfrekvenční pomocné výstupy. Tyto pomocné frekvenční výstupy lze použít k řízení syntetizátoru PLL k fázovému blokování primárního výstupu nebo k synchronizaci dalších signálů časovacího řetězce.
Obě monolitické součástky se vyznačují malou velikostí, a to je jejich hlavní výhoda.
Závěr
Napěťově řízené oscilátory ať už v diskrétní, modulární nebo monolitické formě nabízí změnu frekvence pomocí napětí. Toho se využívá v generátorech signálů, fázových závěsu PLL, frekvenčních syntezátorech, generátorech hodin a analogových hudebních syntezátorech. I když se jedná o relativně jednoduchá zařízení, jejich správné použití vyžaduje důkladné pochopení jejich funkce a jejich klíčových parametrů.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Art Pini.
