وسیله نوسان ساز کنترل شده با ولتاژ | VCO

اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ (VCO)، از نام خود مشخص است که فرکانس لحظه‌ای خروجی اسیلاتور توسط ولتاژ ورودی کنترل می‌شود. این نوع اسیلاتور می‌تواند سیگنال خروجی با فرکانس در محدوده گسترده‌ای (چند هرتز تا صدها گیگاهرتز) بسته به ولتاژ مستقیم جریان (DC) داده شده به آن تولید کند.

کنترل فرکانس در اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

صورت‌های مختلفی از VCOها عموماً استفاده می‌شوند. می‌تواند از نوع اسیلاتور RC یا مالتی‌ویبراتور یا LC یا اسیلاتور کریستال باشد. با این حال؛ اگر از نوع اسیلاتور RC باشد، فرکانس نوسان خروجی سیگنال به طور معکوس متناسب با ظرفیت خواهد بود.

در مورد اسیلاتور LC، فرکانس نوسان خروجی سیگنال خواهد بود
بنابراین، می‌توان گفت که با افزایش ولتاژ ورودی یا ولتاژ کنترل، ظرفیت کاهش می‌یابد. بنابراین، ولتاژ کنترل و فرکانس نوسانات به طور مستقیم متناسب هستند. یعنی، وقتی یکی افزایش می‌یابد، دیگری نیز افزایش می‌یابد.

شکل بالا نمایانگر عملکرد اساسی اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ است. در اینجا می‌بینیم که در ولتاژ کنترل اسمی نشان داده شده توسط VC(nom)، اسیلاتور با فرکانس عادی یا آزاد خود، fC(nom) کار می‌کند. با کاهش ولتاژ کنترل از ولتاژ اسمی، فرکانس نیز کاهش می‌یابد و با افزایش ولتاژ کنترل اسمی، فرکانس نیز افزایش می‌یابد.
دیودهای واراکتور که دیودهای ظرفیت متغیر (در محدوده ظرفیت مختلف موجود) هستند برای دریافت این ولتاژ متغیر پیاده‌سازی می‌شوند. برای اسیلاتورهای با فرکانس پایین، نرخ شارژ kondensatorha با استفاده از منبع جریان کنترل شده با ولتاژ برای دریافت ولتاژ متغیر تغییر می‌کند.

نوع‌های اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

VCOها می‌توانند بر اساس موج خروجی دسته‌بندی شوند:

• اسیلاتورهای هارمونیک

• اسیلاتورهای آرامشی

اسیلاتورهای هارمونیک

موج خروجی تولید شده توسط اسیلاتورهای هارمونیک سینوسی است. این می‌تواند غالباً به عنوان اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ خطی اشاره شود. نمونه‌ها اسیلاتورهای LC و اسیلاتورهای کریستال هستند. در اینجا، ظرفیت واراکتور دیود با ولتاژ که در دیود وجود دارد تغییر می‌کند. این در نتیجه ظرفیت مدار LC را تغییر می‌دهد. بنابراین، فرکانس خروجی تغییر خواهد کرد. مزایا شامل پایداری فرکانس نسبت به تغذیه الکتریکی، نویز و دما، دقت در کنترل فرکانس است. محدودیت اصلی این است که این نوع اسیلاتورها را نمی‌توان به راحتی روی IC‌های مونولیتی پیاده‌سازی کرد.

اسیلاتورهای آرامشی

موج خروجی تولید شده توسط اسیلاتورهای آرامشی می‌تواند موج دندانه‌ای باشد. این نوع می‌تواند محدوده گسترده‌ای از فرکانس را با استفاده از تعداد کمتری اجزا تولید کند. عموماً می‌تواند در IC‌های مونولیتی استفاده شود. اسیلاتورهای آرامشی می‌توانند دارای توپولوژی‌های زیر باشند:

• VCOهای حلقه‌ای مبتنی بر تأخیر

• VCOهای با کندنساتور زمینی

• VCOهای کوپل شده با انتقال دهنده

در VCOهای حلقه‌ای مبتنی بر تأخیر، مراحل بهره به صورت حلقه‌ای به هم متصل می‌شوند. همانطور که از نام آن مشخص است، فرکانس مربوط به تأخیر در هر مرحله است. نوع دوم و سوم VCOها به طور تقریبی به صورت مشابه کار می‌کنند. زمان دوره گذر در هر مرحله به طور مستقیم مرتبط با زمان شارژ و دی‌شارژ kondensator است.

اصول کاری اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ (VCO)

مدارهای VCO می‌توانند با استفاده از اجزای الکترونیکی کنترل شده با ولتاژ مختلفی مانند واراکتور دیود، ترانزیستورها، آپ‌آمپ‌ها و غیره طراحی شوند. در اینجا، ما قصد داریم درباره عملکرد یک VCO با استفاده از آپ‌آمپ‌ها صحبت کنیم. نمودار مداری در زیر نشان داده شده است.

موج خروجی این VCO موج مربعی خواهد بود. همانطور که می‌دانیم فرکانس خروجی مرتبط با ولتاژ کنترل است. در این مدار، آپ‌آمپ اول به عنوان یک انتگرال‌گیر عمل می‌کند. تنظیم تقسیم‌کننده ولتاژ در اینجا پیاده‌سازی شده است. به دلیل این، نیمی از ولتاژ کنترل که به عنوان ورودی داده می‌شود به ترمینال مثبت آپ‌آمپ ۱ داده می‌شود. همان سطح از ولتاژ در ترمینال منفی نیز حفظ می‌شود. این برای حفظ افول ولتاژ در مقاومت، R1 به عنوان نیمی از ولتاژ کنترل است.
وقتی MOSFET در حالت روشن است، جریان از مقاومت R1 از طریق MOSFET عبور می‌کند. R2 نصف مقاومت، همان افول ولتاژ و دو برابر جریان R1 را دارد. بنابراین، جریان اضافی kondensator متصل شده را شارژ می‌کند. آپ‌آمپ ۱ باید ولتاژ خروجی افزایش یافته‌ای را برای تأمین این جریان ارائه دهد.
وقتی MOSFET در حالت خاموش است، جریان از مقاومت R1مقاومت از طریق kondensator عبور می‌کند و دی‌شارژ می‌شود. ولتاژ خروجی بدست آمده از آپ‌آمپ ۱ در این زمان کاهش خواهد یافت. در نتیجه، یک موج مثلثی به عنوان خروجی آپ‌آمپ ۱ تولید می‌شود.
آپ‌آمپ ۲ به عنوان یک تریگر شمیت عمل می‌کند. ورودی به این آپ‌آمپ موج مثلثی است که خروجی آپ‌آمپ ۱ است. اگر ولتاژ ورودی بیشتر از حد آستانه باشد، خروجی از آپ‌آمپ ۲ VCC خواهد بود. اگر ولتاژ ورودی