電圧制御発振器 | VCO

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フィールド: 基本電気

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電圧制御振動回路とは

電圧制御振動回路（VCO）は、その名前からも明らかなように、出力の瞬間的な周波数が入力電圧によって制御される振動回路です。これは、与えられる入力DC電圧に応じて広い範囲（数ヘルツから数百ギガヘルツまで）の出力信号周波数を生成できる種類の振動回路です。

電圧制御振動回路における周波数制御

多くの形式のVCOが一般的に使用されています。RC振動回路やマルチビブレータ型、LC型または水晶振動回路型などがあります。しかし、RC振動回路の場合、出力信号の振動周波数は容量に逆比例します。

LC振動回路の場合、出力信号の振動周波数は
したがって、入力電圧または制御電圧が増加すると、容量が減少します。よって、制御電圧と振動の周波数は直接比例します。つまり、一方が増加すると、もう一方も増加します。
電圧制御振動回路

上記の図は電圧制御振動回路の基本的な動作を示しています。ここでは、標準的な制御電圧VC(nom)で振動回路が自由振動または通常の周波数fC(nom)で動作していることがわかります。制御電圧が標準電圧から低下すると、周波数も低下し、標準制御電圧が増加すると、周波数も高くなります。
可変容量ダイオード（異なる容量範囲で利用可能）がこの可変電圧を得るために実装されます。低周波振動回路の場合、コンデンサの充電率は、電圧制御電流源を使用して変更され、可変電圧を得ることができます。

電圧制御振動回路の種類

VCOは、出力波形に基づいて分類することができます：

調和振動回路
リラクセーション振動回路

調和振動回路

調和振動回路が生成する出力波形は正弦波です。これはしばしば線形電圧制御振動回路と呼ばれます。例としてはLCおよび水晶振動回路があります。ここで、可変容量ダイオードの容量はダイオードにかかる電圧によって変化します。これにより、LC回路の容量が変化し、出力周波数が変わります。利点は、電源、ノイズ、温度に対する周波数の安定性、周波数制御の正確さです。主な欠点は、この種の振動回路は単結晶IC上で容易に実装できないことです。

リラクセーション振動回路

リラクセーション振動回路が生成する出力波形は鋸歯波です。このタイプは、少ない部品で広い周波数範囲を提供できます。主に単結晶ICで使用されます。リラクセーション振動回路には以下のトポロジーがあります：

遅延ベースリングVCO
接地コンデンサVCO
エミッタ結合VCO

ここで、遅延ベースリングVCOでは、ゲインステージがリング状に接続されています。名前の通り、周波数は各ステージの遅延に関連しています。2番目と3番目のタイプのVCOはほぼ同様に動作します。各ステージの時間はコンデンサの充電と放電時間に直接関連しています。

電圧制御振動回路（VCO）の動作原理

VCO回路は、可変容量ダイオード、トランジスタ、オペアンプなどの多くの電圧制御電子部品を使用して設計できます。ここでは、オペアンプを使用したVCOの動作について説明します。回路図は以下の通りです。
電圧制御振動回路の動作原理
このVCOの出力波形は矩形波です。出力周波数は制御電圧に関連しています。この回路では、最初のオペアンプは積分器として機能します。電圧分配配列がここに実装されています。これにより、入力として与えられた制御電圧の半分がオペアンプ1の正極端子に供給されます。同じレベルの電圧が負極端子にも維持されます。これは抵抗R1にかかる電圧降下を制御電圧の半分に保つためです。
MOSFETがオン状態のとき、R1抵抗からの電流はMOSFETを通ります。R2はR1と同じ電圧降下と2倍の電流を持つ抵抗を持っています。そのため、余分な電流が接続されたコンデンサを充電します。オペアンプ1はこの電流を供給するために徐々に増加する出力電圧を提供する必要があります。
MOSFETがオフ状態のとき、R1抵抗からの電流はコンデンサを通って放電します。このときのオペアンプ1からの出力電圧は減少します。その結果、三角波が出力されます。
オペアンプ2はシュミットトリガーとして動作します。このオペアンプへの入力は、オペアンプ1の出力である三角波です。入力電圧が閾値を超えると、オペアンプ2からの出力はVCCになります。入力電圧が閾値未満の場合、オペアンプ2からの出力はゼロになります。したがって、オペアンプ2の出力は矩形波となります。
VCOの一例はLM566 ICまたはIC 566です。これは実際には8ピンの集積回路であり、矩形波と三角波の2つの出力を生成できます。内部回路は以下の通りです。