전압 제어 발진기 | VCO

전압 제어 발진기(VCO)는 이름에서 알 수 있듯이, 발진기의 출력 순간 주파수는 입력 전압에 의해 제어됩니다. 이는 입력된 DC 전압에 따라 광범위한 주파수(몇 헤르츠에서 수백 기가헤르츠까지)의 출력 신호를 생성할 수 있는 종류의 발진기입니다.

전압 제어 발진기의 주파수 제어

많은 형태의 VCO들이 일반적으로 사용됩니다. RC 발진기나 멀티비브레이터 타입, LC 또는 크리스탈 발진기 타입일 수 있습니다. 그러나 RC 발진기 타입인 경우, 출력 신호의 진동 주파수는 용량과 반비례합니다.

LC 발진기의 경우, 출력 신호의 진동 주파수는
따라서, 입력 전압이나 제어 전압이 증가할수록 용량이 감소하므로, 제어 전압과 진동 주파수는 직접 비례합니다. 즉, 한쪽이 증가하면 다른 쪽도 증가합니다.

위 그림은 전압 제어 발진기의 기본 작동 원리를 나타냅니다. 여기서 VC(nom)로 표시된 명목상 제어 전압에서 발진기는 자유 주파수 fC(nom)에서 작동합니다. 명목상 제어 전압이 감소하면 주파수도 감소하고, 명목상 제어 전압이 증가하면 주파수도 증가합니다.
변수 용량 다이오드인 바리액터 다이오드는 다양한 용량 범위로 구현되어 이 변수 전압을 얻습니다. 저주파 발진기의 경우, 전압 제어 전류 소스를 사용하여 커패시터의 충전 속도를 변경하여 변수 전압을 얻습니다.

전압 제어 발진기의 유형

VCO는 출력 파형에 따라 분류할 수 있습니다:

• 조화 발진기

• 완화 발진기

조화 발진기

조화 발진기가 생성하는 출력 파형은 사인파입니다. 이를 종종 선형 전압 제어 발진기라고 합니다. 예로는 LC와 크리스탈 발진기가 있습니다. 여기서 바리액터 다이오드의 용량은 다이오드에 걸린 전압에 따라 변합니다. 이는 LC 회로의 용량을 변경하여 출력 주파수를 변화시킵니다. 장점은 전원 공급, 노이즈 및 온도에 대한 주파수 안정성, 주파수 제어의 정확성입니다. 단점은 이러한 종류의 발진기를 모노리식 IC에 쉽게 구현하기 어렵다는 것입니다.

완화 발진기

완화 발진기가 생성하는 출력 파형은 봉합파입니다. 이 유형은 구성 요소 수를 줄여 넓은 주파수 범위를 제공할 수 있습니다. 주로 모노리식 IC에 사용됩니다. 완화 발진기는 다음과 같은 위상으로 구성될 수 있습니다:

• 지연 기반 링 VCO

• 그라운드 커패시터 VCO

• 발사기 결합 VCO

지연 기반 링 VCO에서는 게인 스테이지가 링 형태로 연결됩니다. 이름에서 알 수 있듯이, 주파수는 각 단계의 지연 시간과 관련이 있습니다. 두 번째와 세 번째 유형의 VCO는 거의 동일하게 작동합니다. 각 단계의 시간은 커패시터의 충전 및 방전 시간과 직접 관련이 있습니다.

전압 제어 발진기(VCO)의 작동 원리

VCO 회로는 바리액터 다이오드, 트랜지스터, 오프셋 앰프 등 다양한 전압 제어 전자 부품을 사용하여 설계할 수 있습니다. 여기서는 오프셋 앰프를 사용한 VCO의 작동 원칙에 대해 논의하겠습니다. 회로도는 아래와 같습니다.

이 VCO의 출력 파형은 사각파입니다. 우리가 알고 있듯이 출력 주파수는 제어 전압과 관련이 있습니다. 이 회로에서 첫 번째 오프셋 앰프는 적분기로 작동합니다. 전압 분배기 배치가 여기에 사용됩니다. 이를 통해 입력된 제어 전압의 절반이 오프셋 앰프 1의 양단자에 제공됩니다. 같은 수준의 전압이 음단자에도 유지됩니다. 이는 R1 저항에 걸리는 전압 강하를 유지하기 위함입니다.
MOSFET이 ON 상태일 때, R1 저항을 통과하는 전류가 MOSFET를 통과합니다. R2는 R1의 절반 저항, 같은 전압 강하, 그리고 두 배의 전류를 가집니다. 따라서 추가 전류가 연결된 커패시터를 충전합니다. 오프셋 앰프 1은 이 전류를 공급하기 위해 점진적으로 증가하는 출력 전압을 제공해야 합니다.
MOSFET이 OFF 상태일 때, R1 저항을 통과하는 전류가 커패시터를 통해 방전됩니다. 이때 오프셋 앰프 1의 출력 전압은 감소합니다. 결과적으로, 오프셋 앰프 1의 출력으로 삼각파가 생성됩니다.
오프셋 앰프 2는 슈미트 트리거로 작동합니다. 이 오프셋 앰프의 입력은 오프셋 앰프 1의 출력인 삼각파입니다. 입력 전압이 임계치보다 높으면 오프셋 앰프 2의 출력은 VCC가 됩니다. 입력 전압이 임계치보다 낮으면 오프셋 앰프 2의 출력은 0이 됩니다. 따라서 오프셋 앰프 2의 출력은 사각파가 됩니다.
VCO의 예로는 LM566 IC 또는 IC 566이 있습니다. 이것은 실제로 사각파와 삼각파의 두 개의 출력을 생성할 수 있는 8핀 통합 회로입니다. 내부 회로는 아래에 표시되어 있습니다.

전압 제어 발진기의 응용

• 함수 발생기

• 위상 잠금 루프

• 음조 발생기

• 주파수 이동 키

• 주파수 변조

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