Grunnleggende om VCO-er (spenningsstyrte oscillatorer) – hvordan velge ut, samt hvordan bruke dem

Mange elektroniske utrustninger krever at et frekvensen til et signal varieres, basert på amplituden til et annet signal. Et godt eksempel er et frekvensmodulert signal der frekvensen til en bærer varierer med amplituden til moduleringskilden. Vurder også en faselåst sløyfe (PLL): Dette bruker et kontrollsystem til å variere frekvensen og/eller fasen til en oscillator for å matche frekvensen/fasen til et inngangsreferansesignal.

Målet for designere er å bestemme hvordan de skal utføre denne funksjonen så effektivt og kostnadseffektivt som mulig, samtidig som de sikrer nøyaktighet, pålitelighet og stabilitet over tid og temperatur.

Dette er funksjonen til VCO-er (spenningsstyrte oscillatorer – voltage controlled oscillators). Disse enhetene er konstruerte for å produsere et utgangssignal hvis frekvens varierer med spenningsamplituden til et inngangssignal over et rimelig frekvensområde. De brukes i PLL-er, frekvens- og fasemodulatorer, radar og mange andre elektroniske systemer.

Denne artikkelen forklarer hvorfor VCO-er så ofte er en designers beste valg for denne funksjonen, og beskriver deretter kort hvordan VCO-er fungerer, og utformingen av VCO-er fra frittstående (diskrete) komponentdesign til monolitiske VCO IC-er. Den ser deretter på hvordan VCO-er kan spesifiseres for å matche spesifikke utrustninger ved hjelp av virkelige eksempler fra forskjellige leverandører, inkludert Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions, og Crystek Corporation.

Hva er rollen til en VCO?

Som nevnt krever mange elektroniske utrustninger at et frekvensen eller fasen til et signal varieres eller styres basert på amplituden til et annet signal. Typiske utrustninger omfatter kommunikasjonssystemer, frekvens-chirp (bølgelengdeutsving) i radaren, fasesporing i PLL-er og frekvenshopp-utrustninger, for eksempel nøkkelløs fjerninngang (figur 1).

Figur 1: Eksempler på utrustninger som krever variasjoner i frekvens eller fase kontrollert av en påtrykt signalspenning inkluderer frekvensmodulering i kommunikasjonssystemer (øverst), frekvenskvittering i radar (andre ned), fasesporing i faselåste sløyfer (tredje ned), og frekvenshoppingsutrustninger som eksterne nøkkelfrie inngangssystemer (nederst). (Bildekilde: DigiKey)

VCO-er er spesielt utformet for å produsere et utgangssignal hvis frekvens varierer i henhold til amplituden til et inngangssignal over et rimelig frekvensområde.

Hvordan VCO-er fungerer

VCO-er kommer i frittstående (diskrete), modulære og monolitiske former, men en diskusjon av diskrete VCO-er vil gi en grunnleggende forståelse av hvordan de fungerer og hvorfor visse spesifikasjoner betyr noe. En oversikt over modulære og monolitiske løsninger vil følge.

Ved hjelp av en diskret tilnærming til VCO-er, har designere stor fleksibilitet med hensyn til å tilfredsstille tilpassede spesifikasjoner. Denne tilnærmingen er spesielt vanlig med gjør-det-selv-prosjekter (DIY), spesielt innen amatørradio. Slike konstruksjoner, som er beregnet på drift i høyfrekvensradioprosjekter, er basert på klassiske oscillatortopologier, inkludert Hartley- og Colpitts-induktorkondensatoroscillatorene (LC-oscillatorer) (figur 2).

Figur 2: Klassiske oscillatorer, inkludert Hartley- og Colpitts LC-oscillatorer, kan brukes som grunnlag for en VCO-design. (Bildekilde: DigiKey)

Alle oscillatorer er basert på bruken av positiv tilbakemelding for å oppnå vedvarende svingning (oscillasjon). Hartley og Colpitts oscillatorer er grunnleggende design som genererer positiv tilbakemelding på forskjellige måter. Positiv tilbakemelding krever at signalet ved oscillatorens utgang returneres til inngangen med en total faseforskyvning på 360°. Forsterkeren gir en enfaseinversjon på 180°, og den andre halvdelen av 360° kommer fra LC-en til resonanstankkretsen. Tankkretsen bestemmer den nominelle svingningsfrekvensen. Den består av L1, L2 og Ct i Hartley-oscillatorkretsen, og L1, Ct1 og Ct2 i Colpitts-oscillatoren.

Hartley-oscillatoren bruker induktiv kobling for å oppnå fasereversering ved hjelp av en dobbel eller gjenget induktor (L1 og L2) vist i kretsen. Colpitts-oscillatoren anvender en kapacitiv spenningsdeler som består av Ct1 og Ct2 i den respektive kretsen. Det finnes mange konstruksjoner som kommer fra disse grunnleggende designene, hver med sitt eget navn. De avledede konstruksjonene forsøker å isolere tankkretsen fra forsterkeren for å forhindre frekvensforskyvninger på grunn av belastning. Det er mange slike derivater som designere kan velge sin favoritt blant.

Frekvenskontroll legges til disse konstruksjonene ved å bruke varaktordioder for å variere resonansfrekvensen til tankkretsen. Varaktordioden, som også kalles en varicap-diode, er en flatediode som er laget for å gi variabel kapasitans. P-N-kontakten har sperrespenning, og diodens kapasitans kan varieres ved å endre påtrykt DC-forspenning (DC-bias). Varaktorens kapasitans varierer omvendt i forhold til påtrykt DC-forspenning (DC-bias): Jo høyere sperrespenningen er, desto bredere blir diodens sperreområde, og dermed blir kapasitansen lavere. Denne variasjonen er synlig i kapasitansen kontra reverspenningdiagrammet for Skyworks Solutions sin SMV1232_079LF hyperbrå (abrupte) flate-varaktordiode (figur 3). Denne dioden har en kapasitans på 4,15 pikofarad (pF) ved null volt og 0,96 pF ved 8 volt.

Figur 3: Skyworks Solution SMV1232-varaktordiodens spenningskapasitetsdiagram viser tydelig hvordan kapasitansen varierer omvendt i forhold til påtrykt DC-forspenning (DC-bias). (Bildekilde: Skyworks Solutions)

Kapasitansområdet til varaktordioden bestemmer innstillingsområdet til VCO-en. Spenningsstyring av oscillatoren oppnås ved å legge til varaktoren parallelt med tankkretsen, som vist i figur 4. Figuren viser en referansedesign for evalueringskort av en Colpitts oscillator VCO med en senterfrekvens på 1 gigahertz (GHz) og et innstillingsområde på ca. 100 megahertz (MHz). Den inneholder en emitterfølgerbuffer for å isolere VCO-en fra lastvariasjoner. Resonanstankkretsen i denne konstruksjonen inkluderer induktoren L3 og kondensatorene C4, C7 og C8. Varaktordioden, VC1, er parallelt med tanken. Kondensator C4 styrer frekvensvariasjonsområdet for et gitt varaktorvalg, mens C7 og C8 gir den nødvendige tilbakemeldingen for å opprettholde svingningen.

Figuren 4: En referansedesign for evalueringskort av en Colpitts oscillator VCO med en senterfrekvens på 1 GHz og et innstillingsområde på ca. 100 MHz. Varaktordioden, VC1 (nedre venstre), er parallelt med tanken, omfattende induktoren L3 og kondensatorene C4, C7 og C8. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

Valget av varaktorer og de bipolare flatetransistorene avhenger av oscillatorens frekvens. For nominelle frekvenser på 1 GHz kan RF-transistorer som NXP Semiconductors sin BFU520WX eller Infineon Technologies sin BFP420FH6327XTSA1 benyttes. BFU520WX har en overgangsfrekvens på 10 GHz og forsterkning på 18,8 desibel (dB), og BFP420FH6327XTSA1 har en overgangsfrekvens på 25 GHz med en forsterkning på 19,5 dB. Begge har et tilstrekkelig forsterkningsbåndbreddeprodukt for denne kretsen ved 1 GHz.

Kort sagt, frittstående (diskrete) VCO-er tilbyr maksimal designfleksibilitet, men er større og tar opp mer PC-kortområde enn modulære eller monolitiske enheter.

Spesifisereing av VCO-er

De viktigste VCO-spesifikasjonene begynner vanligvis med det nominelle frekvensområdet, noe som betyr de minste og største frekvensene som kan oppnås. Alternativt kan de spesifiseres som en nominell eller senterfrekvens og et innstillingsområde.

Inngangspenningens område korresponderer med inngangsspenningens svingning, som justerer VCO-en til å være over innstillingsområdet (figur 5).

Figur 5: Innstillingskurvens diagram for utgangsfrekvensen som en funksjon av inngangens innstillingsspenning gir et grunnleggende bilde av VCO-ens linearitet sammenlignet med en lineær passform. Hellingen til utgangsfrekvensen vs. innstillingsspenningen er innstillingsfølsomheten. (Bildekilde: DigiKey)

Innstillingsforsterkningen eller følsomheten, målt i enheter på MHz/volt (V), er hellingen til frekvensen kontra spenningsdiagrammet. Det er et mål på innstillingslineariteten. I utrustninger der VCO-en er i en kontrollsløyfe som med en PLL, er innstillingsfølsomheten gevinsten til VCO-elementet og kan påvirke dynamikken og stabiliteten til kontrollsløyfen.

Utgangseffekten til VCO-en angir effekten som leveres til en last med spesifisert impedans, vanligvis 50 ohm (Ω) for RF VCO-er. Utgangseffekt er spesifisert i dB referert til 1 milliwatt (mW) (dBm). Flatheten til effektutgang over frekvensområdet til VCO-en kan også være av interesse.

Frekvensstrekking er endringen i VCO-ers utgangsfrekvens på grunn av endringer i lastimpedans målt i MHz for topp til topp (pk-pk). Lastisolasjon forbedres vanligvis ved å bruke en bufferforsterker som emitterfølgeren vist i figur 4.

Strømforsyning skyver er variasjonen i VCO utgangsfrekvens på grunn av variasjoner i strømforsyningsspenningen. Den måles i MHz / V.

Fasestøyspesifikasjonen er en indikator på VCO-ens signalrenhet. En ideell oscillator har et frekvensspektrum som er en smal spektral linje ved oscillatorens frekvens. Fasestøy representerer uønsket modulering av oscillatoren og utvider spektralresponsen. Fasestøy er et resultat av termiske og andre støykilder i oscillatorkretsen og er gitt som desibel under bæreren per hertz (dBc / Hz). Fasestøy i frekvensdomenet resulterer i timing jitter i tidsdomenet manifestert som tidsintervallfeil (TIE).

Modulære VCO-er

Modulære VCO-er representerer det nest høyeste nivået av kretsintegrasjon. Disse VCOene er pakket i et lite modulært kabinett og brukes som en komponent. Modulære VCO-er tilbyr generelt høyere pakketetthet enn en frittstående (diskrete) implementering av en VCO. De er tilgjengelige i en rekke utgangsfrekvenser, innstillingsområder og effektutgangsnivåer. Et eksempel er Crystek Corporation sin VCO CRBV55BE-0325-0775 (figur 6). Denne enheten måler 1,25 x 0,59 tommer (tommer) (31,75 x 14,99 mm)) med en høyde på 1,25 tommer og et innstillingsområde på 325 til 775 MHz for et inngangsspenningsområde på 0 til 12 volt. Den har et utgangseffektnivå på +7 dBm (typisk) med en fasestøy på -98 dBc/Hz @10 kilohertz (kHz) forskyvning fra bæreren, og -118 dBc/Hz ved 100 kHz.

Figur 6: Oversiktstegninger for Crystek CRBV55BE VCO som viser sin kompakte format med dimensjoner på 31,75 x 31,75 x 14,99 mm (1,25 x 1,25 x 0,59 tommer). (Bildekilde: Crystek Corporation)

Når det gjelder kontrolldynamikk, har Crystek VCO en typisk innstillingsfølsomhet på 45 MHz / V. Strømforsyningsskyving er spesifisert som 0,5 MHz/V typisk og 1,5 MHz/V maksimum. Frekvensstrekking er maksimalt 5,0 MHz topp til topp (pk-pk).

Monolitiske VCO-er

VCO-er kan implementeres som monolitiske IC-er. Den monolitiske IC-en gir den høyeste volumtettheten. I likhet med modulære VCO-er, er monolitiske VCO-er konstruert for spesifikke driftsbånd. Ta som et eksempel Maxim Integrated MAX2623EUA+T. Dette er en selvstendig VCO med en integrert oscillator og en utgangsbuffer i en enkelt 8-pinners mMax-kapsling (figur 7).

Figur 7: Blokkdiagrammet og pinnekonfigurasjonen til Maxim Integrated MAX2623 VCO. Denne er en konvensjonell LC-basert VCO som bruker doble varaktordioder for spenningsstyring. Den inkluderer en innebygd utgangsbuffer i et 8-pinners format. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Konstruksjonen inkluderer en tankinduktor på brikken, samt varaktordioder. Den fungerer med en strømforsyning på +2,7 til +5,5 volt og trekker bare 8 milliampere (mA). MAX2623 er en av tre VCO-er i produktfamilien, som hver er differensiert av deres tiltenkte driftsfrekvenser. MAX2623 er innstilt på 885-950 MHz-området, som dekker 902-928 MHz-båndet for industriell, vitenskapelig og medisinske bruk (Industrial, Scientific and Medical – ISM), hvor den kan brukes som en lokal oscillator. VCO-en har et utgangseffektnivå på -3 dBm til 50 Ω med fasestøy på -101 dBc/Hz typisk sett med 100 kHz forskyvning. Styrespenningsområdet er 0,4 til 2,4 volt, og frekvensstrekkingen er vanligvis 0,75 MHz, topp til topp (pk-pk). Strømforsyningsskyving er typisk 280 kHz/volt ved 5 volt. Kapslingen måler 0,12 x 0,12 x 0,043 tommer. (3,03 x 3,05 x 1,1 mm).

Et annet eksempel på en monolitisk VCO er Analog Devices sin HMC512LP5ETR. Denne VCO dekker frekvensområdet fra 9,6 til 10,8 GHz ved hjelp av en innstillingsspenning på fra 2 til 13 volt. Den er ment for satellittkommunikasjon, flerpunktsradio og militære utrustninger (figur 8).

Figur 8: Blokkdiagrammet til Analog Devices sin VCO HMC512LPETR som viser den integrerte varaktordioden og oscillatorkjernen med integrert resonator. (Bildekilde: Analog Devices)

Denne MMIC-VCO-en (monolithic microwave integrated circuit) bruker GaAs og InGaP bipolare transistorer med heteroovergang for å oppnå bred båndbredde og et utgangseffektnivå på +9 dBm til en 50 Ω-belastning ved hjelp av en 5 volt likestrømskilde. Fasestøy er -110 dBc/Hz ved 100 kHz forskyvning. Frekvensstrekking er typisk 5 MHz topp til topp (pk-pk). Strømforsyningsskyving er typisk 30 MHz/volt ved 5 volt. Enheten er kapslet i en QFN 5 x 5 mm kapsling for overflatemontering. Merk i figuren at denne VCO-en også inkluderer hjelpeutganger med halv- og kvartalsfrekvens. Disse brøkfrekvensutgangene kan brukes til å kjøre en PLL-synthesizer for å faselåse VCO-primærutgangen, hvis ønskelig, eller for å synkronisere andre timingkjedesignaler.

Begge disse monolitiske enhetene har liten størrelse, noe som er den primære fordelen med denne typen VCO.

Konklusjon

VCO-er, enten de er i diskret, modulær eller monolitisk form, fyller behovet for spenningsbasert frekvensstyring som kreves i en rekke utrustninger. De brukes i funksjonsgeneratorer, PLL-er, frekvenssynthesizere, klokkegeneratorer og analoge musikksynthesizere. Selv om de er relativt enkle enheter, krever riktig bruk en solid forståelse av hvordan de fungerer og deres viktigste spesifikasjoner. Når disse er klare, er det mange konstruksjoner (design) og leverandører å velge mellom.