Alapvető tudnivalók a feszültségvezérelt oszcillátorokról

Az elektronikában sokszor fordul elő, hogy egy jel frekvenciáját egy másik jel amplitúdójától függően kell változtatni. Jó példa erre egy frekvenciamodulált jel, ahol a vivő frekvenciája a moduláló jel amplitúdójától függően változik. Megnézhetünk egy fáziszárt hurkot (PLL) is: ebben az esetben egy vezérlőrendszer szabályozza egy oszcillátor frekvenciáját és/vagy fázisát, hogy azok szinkronban legyenek egy bemeneti referenciajel frekvenciájával, illetve fázisával.

A tervezők számára az a cél, hogy ezt a funkciót a lehető leghatékonyabban és legolcsóbban megvalósítsák, és közben biztosítsák a pontosságot, a megbízhatóságot és a stabilitást az idő és a hőmérséklet függvényében.
Erre szolgálnak a feszültségvezérelt oszcillátorok (VCO-k). Ezeket az eszközöket olyan kimeneti jel előállítására tervezték, amelynek frekvenciája egy bemeneti feszültségjel amplitúdójával arányosan változik egy viszonylag széles frekvenciatartományon belül. PLL-áramkörökben, frekvencia- és fázismodulátorokban, radarokban és sok más elektronikus rendszerben használják őket.
Ez a cikk elmagyarázza, hogy miért a legelőnyösebb oly gyakran VCO-kat választani ennek a feladatnak az ellátására, ezután röviden leírja azok működését, majd felépítésüket a diszkrét alkatrészekből álló kialakításoktól kezdve a monolit VCO IC-kig. Ezután megvizsgálja, hogyan állíthatók be a VCO-k úgy, hogy megfeleljenek bizonyos alkalmazási céloknak, különböző gyártók (Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions és Crystek Corporation) alkatrészeit tartalmazó valós példákon keresztül.

Mire szolgál a VCO?

Mint említettük, sok elektronikus rendszernél arra van szükség, hogy egy jel frekvenciáját vagy fázisát egy másik jel amplitúdójától függően változtassák vagy vezéreljék. Ilyen tipikus alkalmazások például a kommunikációs rendszerek, a ciripelő (chirp) frekvenciajelek radaroknál, a fáziskövetés PLL-áramkörökben és a frekvenciaugrásos alkalmazások, mint például a kulcs nélküli bejutást biztosító rendszereknél (1. ábra).
A VCO-kat kifejezetten olyan kimeneti jelek előállítására tervezték, amelyek frekvenciája egy bemeneti jel amplitúdójával arányosan változik egy adott frekvenciatartományon belül.

1. ábra A feszültségjellel vezérelt frekvencia- vagy fázisváltozásokat igénylő rendszerek közé tartozik a kommunikációs rendszerek frekvenciamodulációja (fent), a ciripelő (chirp) frekvenciajelek radaroknál (fentről a második), a fáziskövetés PLL-áramkörökben (fentről a harmadik) és a frekvenciaugrásos alkalmazások, mint amilyenek a kulcs nélküli bejutást biztosító rendszerek (lent) (Kép: Digi-Key Electronics)

A VCO-k működési elve

VCO-k diszkrét, moduláris és monolit formában is kaphatók, de a diszkrét VCO-k bemutatásával alapismereteket szerezhetünk működésükről és az egyes műszaki jellemzők fontosságáról. Ezt követően áttekintjük a moduláris és monolit megoldásokat is.
A diszkrét elemekből felépíteni kívánt VCO-knál a tervezők igen nagy szabadsággal rendelkeznek az egyedi specifikus követelmények kielégítése terén. Ezt a módszert jellemzően a házi készítésű projekteknél alkalmazzák, legfőképpen rádióamatőr körökben. Ezek a nagyfrekvenciás projektekhez tervezett kialakítások a klasszikus oszcillátoros áramköri topológiára épülnek, beleértve a Hartley- és Colpitts-típusú induktív vagy kapacitív (LC) oszcillátorokat is (2. ábra).

2. ábra A klasszikus oszcillátorok, köztük a Hartley- és a Colpitts-típusú LC oszcillátorok is, felhasználhatók a VCO-k alapjaként (Kép: Digi-Key Electronics)

A tartós oszcilláció valamennyi oszcillátornál a pozitív visszacsatolásnak köszönhetően valósul meg. A Hartley- és a Colpitts-oszcillátorok olyan alapvető konstrukciók, amelyeknél a pozitív visszacsatolás gerjesztése különböző módokon valósul meg. Pozitív visszacsatoláshoz az oszcillátor kimeneti jelét 360°-os teljes fáziseltolással kell a bemenetre visszajuttatni. Az erősítő 180° fázist fordít, míg a teljes 360°-hoz szükséges fennmaradó rész a rezgőkör LC-tagjától származik. A névleges oszcillálási frekvenciát a rezgőkör határozza meg, amely Hartley-oszcillátornál az L1, L2 és Ct elemekből, míg Colpitts-oszcillátornál az L1, Ct1 és Ct2 elemekből áll.
Az induktív hárompont-kapcsolású Hartley-oszcillátornál a fáziseltolás az áramkörben lévő kettős vagy egy megcsapolt induktivitással (L1 és L2) valósul meg, ahogy az a kapcsolási rajzon is látható. A Colpitts-oszcillátornál egy kapacitív feszültségosztót alkalmaznak, amely a Ct1-ből és a Ct2-ből áll (lásd a megfelelő kapcsolási rajzot). Ezekre az alapvető felépítésekre sokféle más kialakítás épül, és mindegyikük saját névvel rendelkezik. Az ezekből származó kialakításoknál a rezgőkört próbálják meg elkülöníteni az erősítőtől abból a célból, hogy megakadályozzák a terhelésingadozás miatti frekvenciaeltolódásokat. Sok ilyen eredő kialakítás létezik, amelyek közül a tervezők kiválaszthatják a számukra megfelelőt.
Kapacitásdiódák alkalmazásával ezek a kialakítások frekvenciaszabályozással egészülnek ki, hogy a rezgőkör rezonanciafrekvenciája tetszés szerint szabályozható legyen. A varikapként (vagy varaktordiódaként) is ismert kapacitásdióda valójában egy rétegdióda, amelyet változó kapacitás biztosítására terveztek. A p-n átmenet záróirányban van előfeszítve, és a dióda kapacitása a rákapcsolt vezérlő egyenfeszültségtől függően változtatható.
A varaktor kapacitása fordítottan arányos a rávezetett vezérlő egyenfeszültséggel: minél nagyobb a záróirányú előfeszítés, annál szélesebb lesz a dióda kiürített rétege és kisebb a kapacitása. Ez a változás látható a Skyworks Solutions gyártmányú SMV1232_079LF típusú hipergyors átmenetű kapacitásdióda zárófeszültség-kapacitás jelleggörbéjén (3. ábra). A dióda kapacitása 0 V-nál 4,15 pF, míg 8 V-nál 0,96 pF.

3. ábra A Skyworks Solutions SMV1232 kapacitásdióda feszültség-kapacitás jelleggörbéjén világosan látható, hogy a kapacitás fordítottan arányos a rákapcsolt záróirányú egyenfeszültséggel (Kép: Skyworks Solutions)

A kapacitásdióda kapacitástartománya határozza meg azt, hogy a VCO mekkora tartományban hangolható. Az oszcillátor feszültségszabályozása azzal valósul meg, hogy a kapacitásdiódát párhuzamosan kapcsolják a rezgőkörrel, amint az a 4. ábrán látható. Az ábrán egy 1 GHz középfrekvenciájú és körülbelül 100 MHz hangolási tartományú Colpitts VCO oszcillátor fejlesztőlapjának referenciaterve látható. Tartalmaz egy emitterkövető kiegyenlítő áramkört, hogy megvédje a VCO-t a terhelésingadozástól. A rezgőkört ebben a kivitelben az L3 tekercs, valamint a C4, C7 és C8 kondenzátorok alkotják. A VC1 kapacitásdióda párhuzamosan van kapcsolva a rezgőkörrel. A C4 kondenzátor szabályozza a megadott kapacitásdióda frekvenciaváltozási tartományát, az oszcilláció fenntartásához szükséges visszacsatolás a C7 és a C8 elemek segítségével valósul meg.
Az, hogy milyen kapacitásdiódát vagy bipoláris tranzisztorokat választunk, az oszcillátor frekvenciájától függ. 1 GHz névleges frekvencia esetén használhatók például az NXP Semiconductor gyártmányú BFU520WX vagy az Infineon Technologies gyártmányú BFP420FH6327XTSA1 RF tranzisztorok. A BFU520WX átmeneti frekvenciája 10 GHz, erősítése 18,8 dB, míg a BFP420FH6327XTSA1 átmeneti frekvenciája 25 GHz, 19,5 dB erősítéssel. Ehhez az 1 GHz-en működő áramkörhöz mindkettő alkatrész erősítés-sávszélesség szorzatának értéke elegendő.

4. ábra Egy 1 GHz középfrekvenciájú és körülbelül 100 MHz hangolási tartományú Colpitts VCO oszcillátor fejlesztőlapjának referenciaterve. A VC1 kapacitásdióda (balról lent) párhuzamosan van kapcsolva az L3 tekercs és a C4, C7 és C8 kondenzátorok alkotta rezgőkörrel (Kép: NXP Semiconductors)

Összefoglalva, a diszkrét VCO-k maximális tervezési rugalmasságot kínálnak, de a moduláris vagy monolit eszközökhöz képest nagyobb területet foglalnak el a paneleken.

A VCO-k műszaki jellemzői

A VCO-k legfontosabb műszaki jellemzőinek felsorolása általában a névleges frekvenciatartománnyal kezdődik, vagyis az elérhető legkisebb és legnagyobb frekvenciával. Más esetekben előfordulhat, hogy elsődleges jellemzőkként a névleges- vagy középfrekvencia értéke és a hangolási tartomány van megadva.
A bemenő hangolási feszültségtartomány arányos a VCO-t a hangolási tartományon belül szabályozó bemeneti feszültség amplitúdójával (5. ábra).

5. ábra A kimeneti frekvencia és a bemeneti hangolási feszültség viszonyából kapott hangolási görbének egy lineáris függvényhez való viszonyítása szemlélteti a VCO linearitását. A hangolási érzékenységet a frekvencia-feszültség viszonyából kapott görbe meredeksége adja meg (Kép: Digi-Key Electronics)

A MHz/V-ban megadott hangolási érzékenység (erősítés) a frekvencia-feszültség görbe meredeksége, ami nem más, mint a hangolási linearitás mértéke. Szabályozókörben lévő VCO-s alkalmazásoknál – mint például PLL-köröknél – a hangolási érzékenység megfelel a VCO tag erősítésének, és befolyásolhatja a szabályozókör dinamikáját és stabilitását.
A VCO kimenő teljesítménye egy adott impedanciájú terhelésre (RF VCO-k esetében általában 50 Ω) leadott teljesítmény. A kimenő teljesítmény 1 mW-hoz viszonyított értéke dB-ben van megadva (dBm). A kimenő teljesítmény és a VCO frekvenciatartományának hányadosából kapott görbe lapossága szintén érdekes tényező lehet.
A frekvenciaelhúzás a VCO kimeneti frekvenciájának változása a terhelési impedancia változásának függvényében, amelyet csúcstól-csúcsig mért frekvenciában adnak meg (MHz p-p). A terhelés leválasztását általában egy leválasztó erősítővel, mint például a 4. ábrán bemutatott emitterkövető áramkörrel javítják. A hangolási meredekség a VCO kimeneti frekvenciájának változása a tápfeszültség változásának függvényében. Mértékegysége MHz/V. A specifikációkban megadott fáziszaj utal arra, hogy a VCO milyen tisztaságú jelet ad. Egy ideális oszcillátornál a frekvenciaspektrum egy keskeny spektrumvonal az oszcillációs frekvencián. A fáziszaj az oszcillátor által végzett nemkívánt frekvenciamoduláció, amely kiszélesíti a frekvenciaspektrumot. A fáziszaj az oszcillátor áramkörén belüli hő és egyéb zajforrások eredménye, és dBc/Hz-ben adják meg. A frekvenciatartományban lévő fáziszaj időzítési hibát eredményez az időtartományban, amely időközhiba-jitterként (TIE) jelenik meg.

Moduláris VCO-k

A moduláris VCO-k az áramköri integráció következő, magasabb szintje. Ezeket a VCO-kat egy kis moduláris házba építik be, és diszkrét alkatrészként használják őket. A moduláris VCO-k térfogatsűrűsége általában nagyobb a diszkrét kivitelű VCO-kénál. Különböző kimeneti frekvenciájú, hangolási tartományú és kimenő teljesítményű változatokban kaphatók. Példa erre a Crystek Corporation CRBV55BE-0325-0775 VCO-ja (6. ábra). Az eszköz hossza és szélessége 31,75 × 14,99 mm, magassága 31,75 mm, hangolási tartománya 325–775 MHz, 0–12 V-os bemeneti feszültségtartománnyal. Kimeneti teljesítményének értéke (tipikusan) +7 dBm, fáziszaja –98 dBc/Hz, 10 kHz-cel eltolva a vivőhöz képest, és –118 dBc/Hz 100 kHz-nél.

6. ábra A Crystek CRBV55BE VCO vázlatos ábrázolása, bemutatva annak 31,75 × 31,75 × 14,99 mm-es kompakt méreteit (Kép: Crystek Corporation)

Ami a szabályozási dinamikát illeti, a Crystek VCO tipikus hangolási érzékenysége 45 MHz/V. A hangolási meredekség a tipikus 0,5 MHz/V és a maximális 1,5 MHz/V között mozog. A frekvenciaelhúzás maximálisan 5,0 MHz p-p.

Monolit VCO-k

A VCO-k monolit integrált áramkörökként is megvalósíthatók. A térfogatsűrűség a monolit IC-k esetében a legnagyobb. A moduláris VCO-khoz hasonlóan a monolit VCO-kat is meghatározott működési sávokban való működésre tervezik. Vegyük példaként a Maxim Integrated MAX2623EUA+T-t. Ez egy integrált oszcillátorral és kimeneti kiegyenlítő áramkörrel rendelkező önálló VCO, egyetlen 8 kivezetéses mMax tokozásban (7. ábra).

7. ábra A Maxim Integrated MAX2623 VCO blokkvázlata és érintkezőkiosztása. Ez egy klasszikus LC-tagú VCO, két kapacitásdiódát használva a feszültségszabályozáshoz. Beépített kimeneti kiegyenlítő áramkört tartalmaz egy 8 kivezetéses tokban (Kép: Maxim Integrated)

A kialakítás tartalmaz egy chipbe épített rezgőköri induktivitást és kapacitásdiódákat is. +2,7–5,5 V tápfeszültséggel működik, és csak 8 mA-t vesz fel. A MAX2623 az ebbe a termékcsaládba tartozó három VCO egyike, amelyek a tervezett működési frekvenciában különböznek egymástól. A MAX2623 a 885–950 MHz tartományra van hangolva, amely lefedi a 902–928 MHz közötti ipari, tudományos és orvosi célú frekvenciafelhasználást (ISM-sávot), ahol helyi oszcillátorként használható. A VCO kimeneti teljesítménye –3 dBm, 50 Ω impedanciájú terhelés esetén, a fáziszaj tipikusan –101 dBc/Hz, 100 kHz-es eltolással. A vezérlő feszültség 0,4–2,4 V, míg a frekvenciaelhúzás jellemzően 0,75 MHz p-p. A hangolási meredekség 280 kHz/V (tipikus). Mérete 3,03 × 3,05 × 1,1 mm.
A monolit VCO-k egy másik példája a HMC512LP5ETR az Analog Devices-től. Ez a VCO a 9,6–10,8 GHz frekvenciatartományt fedi le, 2–13 V közötti hangolási feszültséggel. Műholdas kommunikációra, pont-többpont (PMP) rádiós rendszerekhez és katonai használatra tervezték (8. ábra).

8. ábra Az Analog Devices HMC512LPETR típusú VCO-jának blokkvázlata, amelyen az integrált kapacitásdióda és az integrált rezonátorral rendelkező hullámgerjesztő látható (Kép: Analog Devices)

Ez a monolit mikrohullámú integrált áramkörös (MMIC) VCO GaAs és InGaP heteroátmenetes bipoláris tranzisztorokat használ a széles sávszélesség és 50 Ω impedanciájú terhelés esetén leadott +9 dBm kimeneti teljesítmény elérésére, 5 V-os egyenáramú tápforrással. A fáziszaj –110 dBc/Hz 100 kHz-nél. A frekvenciaelhúzás tipikusan 5 Mhz p-p. A hangolási meredekség jellemzően
30 MHz/V 5 V-on. Az eszköz 5 × 5 mm méretű felületre szerelhető QFN-tokba van helyezve. Vegyük észre az ábrán, hogy ez a VCO fél- és negyedfrekvenciás kiegészítő kimeneteket is tartalmaz. Ezek a részfrekvenciás kimenetek szükség esetén felhasználhatók a primer VCO-kimenet fázisszinkronizálását végző PLL szintetizátor vezérlésére, vagy más időzítőjelek szinkronizálására.
Mindkét monolit eszköz kis méretű, ami az ilyen típusú VCO-k elsődleges előnye.

Összegzés

A diszkrét, moduláris vagy monolit formában lévő VCO-k kielégítik a feszültségalapú frekvenciaszabályozás iránti igényt, amelyre számos alkalmazásban szükség van. Függvénygenerátorokban, PLL-áramkörökben, frekvenciaszintetizátorokban, órajel-generátorokban és analóg hangszintetizátorokban használják őket. Noha viszonylag egyszerű eszközökről van szó, megfelelő használatukhoz jól kell ismerni működésük elvét és a legfontosabb műszaki jellemzőiket. Ezek megértése után már sok terv és gyártó terméke közül lehet választani.

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu

Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.