Spændingsstyret oscillator | VCO

Spændingsstyret oscillator (VCO), som navnet antyder, er det klart, at den øjeblikkelige frekvens af oscillatoren styres af indgangsspændingen. Det er en type oscillator, der kan producere udgangssignal frekvens over et stort område (få Hertz-hundrede Gigahertz) afhængigt af den givne indgangs DC-spænding.

Frekvenskontrol i spændingsstyret oscillator

Der findes mange former for VCOer. De kan være af RC-oscillator eller multivibrator type, LC- eller krystall-oscillator type. Hvis det er en RC-oscillator, vil oscillationsfrekvensen af udgangssignalet være omvendt proportional med kapacitansen som

I tilfælde af LC-oscillator, vil oscillationsfrekvensen af udgangssignalet være
Så vi kan sige, at når indgangsspændingen eller kontrolspændingen stiger, bliver kapacitansen reduceret. Derfor er kontrolspændingen og frekvensen af oscillationer direkte proportionale. Det betyder, at når den ene stiger, vil den anden også stige.

Figuren ovenfor repræsenterer den grundlæggende funktion af spændingsstyret oscillator. Her kan vi se, at ved nominel kontrolspænding, repræsenteret ved VC(nom), arbejder oscillatoren på sin frie løbende eller normale frekvens, fC(nom). Når kontrolspændingen falder fra den nominelle spænding, falder frekvensen også, og når den nominelle kontrolspænding stiger, stiger frekvensen også.
De varactor-dioder, som er variabel kapacitans dioder (tilgængelige i forskellige kapacitansområder), anvendes for at opnå denne variable spænding. For lavfrekvens-oscillatorer ændres opladningshastigheden af kapacitorerne ved hjælp af spændingsstyret strømkilde for at få den variable spænding.

Typer af spændingsstyret oscillator

VCO'er kan kategoriseres baseret på udgangsvæveformen:

• Harmoniske oscillatorer

• Relaxations-oscillatorer

Harmoniske oscillatorer

Udgangsvæveformen produceret af harmoniske oscillatorer er sinusformet. Dette kan ofte refereres til som lineær spændingsstyret oscillator. Eksempler er LC- og krystal-oscillatorer. Her varieres kapacitansen af varactor-diode af spændingen, der er over dioden. Dette ændrer kapacitansen i LC-kredsløbet. Derfor ændres udgangsfrekvensen. Fordelene er frekvensstabilitet i forhold til strømforsyningen, støj og temperatur, præcision i kontrollen af frekvens. Den hovedtræk er, at denne type oscillatorer ikke let kan implementeres på monolitiske IC'er.

Relaxations-oscillatorer

Udgangsvæveformen produceret af relaxations-oscillatorer er saw-tooth. Denne type kan give et stort frekvensområde ved hjælp af mindre mængde komponenter. Hovedsageligt kan den bruges i monolitiske IC'er. Relaxations-oscillatorer kan have følgende topologier:

• Forsinkelsesbaserede ring-VCO'er

• Jordede kapacitance-VCO'er

• Emitter-koblede VCO'er

Her; i forsinkelsesbaserede ring-VCO'er, er forstærkerstadiene forbundet sammen i en ringform. Som navnet antyder, er frekvensen relateret til forsinkelsen i hvert enkelt stadi. De anden og tredje type VCO'er fungerer næsten ens. Tiden taget i hvert stadi er direkte relateret til opladnings- og afladningstiden af kapacitancen.

Arbejdsmåde for spændingsstyret oscillator (VCO)

VCO-kredsløb kan designes ved hjælp af mange spændingskontrollerede elektroniske komponenter såsom varactor-dioder, transistorer, Op-amps osv. Her skal vi diskutere arbejdsmåden for en VCO ved hjælp af Op-amps. Kredsløbsdiagrammet vises nedenfor.

Udgangsvæveformen for denne VCO vil være kvadratisk. Som vi ved, er udgangsfrekvensen relateret til kontrolspændingen. I dette kredsløb vil den første Op-amp fungere som en integrator. spændingsdivideren anvendes her. På grund af dette gives halvdelen af kontrolspændingen, der er givet som input, til den positive terminal på Op-amp 1. Samme niveau af spænding opretholdes på den negative terminal. Dette er for at opretholde spændingsfaldet over modstanderen, R1 som halvdelen af kontrolspændingen.
Når MOSFET'en er tændt, passerer strømmen fra R1 resistor gennem MOSFET'en. R2 har halvdelen af modstanden, samme spændingsfald og dobbelt så meget strøm som R1. Så den ekstra strøm oplader den forbundne kapacitance. Op-amp 1 skal levere en gradvis stigende udgangsspænding for at levere denne strøm.
Når MOSFET'en er slukket, passerer strømmen fra R1modstanderen gennem kapacitancen, bliver afladt. Udgaende spændingen, der opnås fra Op-amp 1 på dette tidspunkt, vil falde. Som resultat genereres en trekantformet væveform som udgang fra Op-amp 1.
Op-amp 2 vil fungere som Schmitt-trigger. Input til denne Op-amp er trekantformet bølge, som er udgangen fra Op-amp 1. Hvis indgangsspændingen er højere end terskelniveauet, vil udgangen fra Op-amp 2 være VCC. Hvis indgangsspændingen er lavere end terskelniveauet, vil udgangen fra Op-amp 2 være nul. Derfor vil udgangen fra Op-amp 2 være kvadratisk.
Eksempel på VCO er LM566 IC eller IC 566. Det er i virkeligheden en 8-pin-integreret kredsløb, der kan producere to udgange - kvadratisk og trekantformet. Intern kredsløb er vist nedenfor.

Anvendelser af spændingsstyret oscillator

• Funktionsgenerator

• Phasestyringsloop

• Tonegenerator

• Støt