Spannungsgesteuertes Oszillator | VCO
Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), wie der Name schon sagt, wird die Ausgangsfrequenz des Oszillators durch die Eingangsspannung gesteuert. Es handelt sich um einen Oszillator, der eine Ausgangssignal-Frequenz über einen großen Bereich (wenige Hertz bis Hunderte von Giga Hertz) abhängig von der zugeführten Gleichspannung erzeugen kann.
Frequenzsteuerung in einem Spannungsgesteuerten Oszillator
Es gibt viele Formen von VCOs. Sie können RC-Oszillatoren, Multivibratoren, LC- oder Kristall-Oszillatoren sein. Wenn es sich jedoch um einen RC-Oszillator handelt, ist die Schwingfrequenz des Ausgangssignals umgekehrt proportional zur Kapazität, wie in der folgenden Abbildung gezeigt:
Im Falle eines LC-Oszillators ist die Schwingfrequenz des Ausgangssignals
Wir können also sagen, dass mit zunehmender Eingangsspannung oder Steuerspannung die Kapazität abnimmt. Daher sind Steuerspannung und Frequenz der Schwingungen direkt proportional. Das bedeutet, wenn die eine zunimmt, nimmt auch die andere zu.
Die obige Abbildung zeigt das grundlegende Funktionieren eines spannungsgesteuerten Oszillators. Hier sehen wir, dass bei nomineller Steuerspannung, die durch VC(nom) dargestellt wird, der Oszillator mit seiner freilaufenden oder normalen Frequenz fC(nom) arbeitet. Wenn die Steuerspannung unterhalb der Nennspannung sinkt, nimmt auch die Frequenz ab, und wenn die nominelle Steuerspannung zunimmt, steigt auch die Frequenz.
Die Varaktordioden, die als variablen Kapazitätsdioden (in verschiedenen Kapazitätsbereichen erhältlich) implementiert werden, dienen dazu, diese variable Spannung zu erzeugen. Für Oszillatoren mit niedriger Frequenz wird die Ladespannung der Kondensatoren mithilfe einer spannungsgesteuerten Stromquelle verändert, um die variable Spannung zu erhalten.
Arten von Spannungsgesteuerten Oszillatoren
VCOs können aufgrund des Ausgangswellenformen kategorisiert werden:
Harmonische Oszillatoren
Relaxationsoszillatoren
Harmonische Oszillatoren
Die von harmonischen Oszillatoren erzeugte Ausgangswellenform ist sinusförmig. Dies wird oft als linearer spannungsgesteuerter Oszillator bezeichnet. Beispiele sind LC- und Kristalloszillatoren. Hier wird die Kapazität der Varaktordiode durch die Spannung verändert, die über der Dioden liegt. Dies ändert wiederum die Kapazität des LC-Kreises. Die Ausgangsfrequenz ändert sich daher. Vorteile sind die Frequenzstabilität bezüglich der Versorgungsspannung, Rauschen und Temperatur, sowie die Genauigkeit der Frequenzsteuerung. Der Hauptnachteil ist, dass dieser Typ von Oszillatoren nicht einfach auf monolithischen ICs implementiert werden kann.
Relaxationsoszillatoren
Die von Relaxationsoszillatoren erzeugte Ausgangswellenform ist sägezahnförmig. Diese Art kann einen großen Frequenzbereich mit reduzierter Anzahl von Komponenten erzeugen. Hauptsächlich kann sie in monolithischen ICs verwendet werden. Relaxationsoszillatoren können die folgenden Topologien haben:
Verzögerungs-basierte Ring-VCOs
Gepunktete Kondensator-VCOs
Emittergekoppelte VCOs
Hier, bei verzögerungs-basierten Ring-VCOs, sind die Verstärkerstufen in ringförmiger Anordnung verbunden. Wie der Name impliziert, hängt die Frequenz von der Verzögerung in jeder einzelnen Stufe ab. Die zweite und dritte Art von VCOs funktionieren fast identisch. Die Zeit, die in jeder Stufe benötigt wird, ist direkt mit der Ladungs- und Entladezeit des Kondensators verbunden.
Arbeitsprinzip des Spannungsgesteuerten Oszillators (VCO)
