Spanningsgecontroleerde oscillator | VCO

Spanningsgecontroleerde oscillator (VCO), zoals de naam al aangeeft, wordt de instantane uitvoerfrequentie van de oscillator beheerst door de ingangsspanning. Het is een soort oscillator die een uitvoersignaal over een groot bereik (enkele hertz-tientallen gigahertz) kan produceren, afhankelijk van de toegepaste DC-spanning.

Frequentiebeheersing in spanningsgecontroleerde oscillator

Er worden veel vormen van VCOs gebruikt. Het kan een RC-oscillator of multivibrator zijn, of een LC- of kristaloscillator. Als het een RC-oscillator is, zal de oscillatiefrequentie van het uitvoersignaal omgekeerd evenredig zijn met de capaciteit als

In het geval van een LC-oscillator, zal de oscillatiefrequentie van het uitvoersignaal zijn
Dus, we kunnen zeggen dat wanneer de ingangsspanning of controlespanning toeneemt, de capaciteit afneemt. Daarom zijn de controlespanning en de frequentie van de oscillaties direct evenredig. Dat wil zeggen, wanneer de ene toeneemt, neemt de andere ook toe.

De bovenstaande figuur toont de basisprincipes van de spanningsgecontroleerde oscillator. Hier zien we dat bij de nominale controlespanning, aangeduid met VC(nom), de oscillator werkt op zijn vrijloop- of normale frequentie, fC(nom). Wanneer de controlespanning afneemt ten opzichte van de nominale spanning, neemt de frequentie ook af, en wanneer de nominale controlespanning toeneemt, neemt de frequentie ook toe.
De varactor-diodes, die variabele capaciteitsdiodes zijn (beschikbaar in verschillende capaciteitsbereiken), worden gebruikt voor deze variabele spanning. Voor lage-frequentie oscillators wordt de laadvertraging van de condensatoren veranderd met behulp van een stroombron die door de spanning wordt bestuurd, om de variabele spanning te krijgen.

Soorten spanningsgecontroleerde oscillator

VCO's kunnen worden ingedeeld op basis van de uitvoergolfvorm:

• Harmonische oscillators

• Ontspanningsoscillators

Harmonische oscillators

De uitvoergolfvorm die door harmonische oscillators wordt geproduceerd, is sinusvormig. Dit wordt vaak aangeduid als lineaire spanningsgecontroleerde oscillator. Voorbeelden hiervan zijn LC- en kristaloscillators. Hierbij wordt de capaciteit van de varactor-diode gewijzigd door de spanning die over de diode staat. Dit verandert op zijn beurt de capaciteit van het LC-circuit. Daardoor verandert de uitvoerfrequentie. Voordelen zijn frequentiestabiliteit ten opzichte van voedingsspanning, geluid en temperatuur, nauwkeurigheid in frequentiebeheersing. Het belangrijkste nadeel is dat dit type oscillators niet gemakkelijk kan worden geïmplementeerd op monolithische IC's.

Ontspanningsoscillators

De uitvoergolfvorm die door ontspanningsoscillators wordt geproduceerd, is zaagtandvormig. Dit type kan een groot frequentiebereik leveren met een beperkt aantal componenten. Het wordt voornamelijk gebruikt in monolithische IC's. Ontspanningsoscillators kunnen de volgende topologieën hebben:

• Vertraging-gebaseerde ring-VCO's

• Gegrond condensator-VCO's

• Emittergekoppelde VCO's

Bij vertraging-gebaseerde ring-VCO's zijn de versterkers in een ringverbinding verbonden. Zoals de naam al aangeeft, is de frequentie gerelateerd aan de vertraging in elke individuele fase. De tweede en derde type VCO's werken bijna op dezelfde manier. De tijdsduur in elke fase is direct gerelateerd aan de oplaadtijd en ontluchtigtijd van de condensator.

Werkingsprincipe van spanningsgecontroleerde oscillator (VCO)

VCO-schakelingen kunnen worden ontworpen met behulp van vele elektronische componenten die door de spanning worden bestuurd, zoals varactor-diodes, transistors, opampers, enz. Hier bespreken we de werking van een VCO met opampers. Het schakelschema is hieronder getoond.

De uitvoergolfvorm van deze VCO zal een blokgolf zijn. Zoals we weten, is de uitvoerfrequentie gerelateerd aan de controlespanning. In dit circuit functioneert de eerste opamper als een integrator. Er wordt een spanningsdeler-regeling gebruikt. Door dit, wordt de helft van de controlespanning die als ingang wordt gegeven, aan de positieve terminal van de opamper 1 gegeven. Hetzelfde niveau van spanning wordt onderhouden aan de negatieve terminal. Dit is om de spanningsval over de weerstand, R1 als de helft van de controlespanning te handhaven.
Wanneer de MOSFET in gesloten toestand is, stroomt de stroom van de R1 weerstand door de MOSFET. De R2 heeft de helft van de weerstand, dezelfde spanningsval en twee keer de stroom als R1. Dus, de extra stroom laadt de verbonden condensator op. De opamper 1 moet een geleidelijk toenemende uitvoerspanning leveren om deze stroom te verstrekken.
Wanneer de MOSFET in open toestand is, stroomt de stroom van de R1weerstand door de condensator, waardoor deze ontlucht. De uitvoerspanning die op dit moment van de opamper 1 wordt verkregen, zal dalen. Als gevolg hiervan wordt een driehoeksgolfvorm gegenereerd als de uitvoer van de opamper 1.
De opamper 2 zal fungeren als een Schmitt-trigger. De ingang voor deze opamper is de driehoeksgolf, die de uitvoer van de opamper 1 is. Als de ingangsspanning hoger is dan het drempelniveau, zal de uitvoer van de opamper 2 VCC zijn. Als de ingangsspanning lager is dan het drempelniveau, zal de uitvoer van de opamper 2 nul zijn. Daarom zal de uitvoer van de opamper 2 een blokgolf zijn.
Een voorbeeld van een VCO is de LM566 IC of IC 566. Het is in feite een 8-pins geïntegreerde schakeling die dubbele uitvoer kan produceren - blokgolf en driehoeksgolf. Het interne schema is hieronder getoond.

Toepassingen van spanningsgecontroleerde oscillator

• Functiegenerator

• Fasegesloten lus

• Toongenerator

• Frequentieverplaatsing

• Frequentiemodulatie