Oscylator sterowany napięciem | VCO

Oscylator sterowany napięciem (VCO), jak sama nazwa wskazuje, częstotliwość chwilowa wyjściowa oscylatora jest kontrolowana przez napięcie wejściowe. Jest to rodzaj oscylatora, który może generować sygnał wyjściowy o częstotliwości w szerokim zakresie (od kilku herców do setek gigaherców) w zależności od podanego napięcia zasilania DC.

Kontrola częstotliwości w oscylatorze sterowanym napięciem

Wiele form VCO jest powszechnie stosowanych. Może to być oscylator RC, wielowibrator, LC lub oscylator kwarcowy. Jeśli jednak jest to oscylator RC, częstotliwość drgań sygnału wyjściowego będzie odwrotnie proporcjonalna do pojemności, jak pokazano na poniższym obrazie:

W przypadku oscylatora LC, częstotliwość drgań sygnału wyjściowego będzie:
Możemy więc stwierdzić, że przy wzroście napięcia wejściowego lub napięcia sterującego, pojemność maleje. W związku z tym napięcie sterujące i częstotliwość drgań są bezpośrednio proporcjonalne. Gdy jedno z nich rośnie, drugie również rośnie.

Powyższy rysunek przedstawia podstawowe działanie oscylatora sterowanego napięciem. Widzimy, że przy nominalnym napięciu sterującym VC(nom), oscylator działa przy swojej naturalnej częstotliwości fC(nom). Gdy napięcie sterujące spada poniżej napięcia nominalnego, częstotliwość również spada, a gdy napięcie nominalne wzrasta, częstotliwość również wzrasta.
Diody waraktorowe, które są diodami o zmiennej pojemności (dostępne w różnych zakresach pojemności), są używane do uzyskania tego zmiennego napięcia. Dla oscylatorów niskiej częstotliwości, szybkość ładowania kondensatorów jest modyfikowana za pomocą źródła prądu sterowanego napięciowo, aby uzyskać zmienny napięcie.

Typy oscylatorów sterowanych napięciem

Oscylatory VCO mogą być klasyfikowane według kształtu fali wyjściowej:

• Harmoniczne oscylatory

• Relaksacyjne oscylatory

Harmoniczne oscylatory

Fala wyjściowa generowana przez harmoniczne oscylatory jest sinusoidalna. Często nazywany jest liniowym oscylatorem sterowanym napięciem. Przykładami są oscylatory LC i oscylatory kwarcowe. Tutaj, pojemność diody waraktorowej jest modyfikowana przez napięcie przyłożone do diody. To w konsekwencji zmienia pojemność obwodu LC. W rezultacie, częstotliwość wyjściowa się zmienia. Zalety to stabilność częstotliwości względem zasilania, szumów i temperatury, precyzja sterowania częstotliwością. Główną wadą jest, że tego typu oscylatory nie można łatwo zaimplementować na monolitycznych układach scalonych.

Relaksacyjne oscylatory

Fala wyjściowa generowana przez relaksacyjne oscylatory jest piłokształtna. Ten typ może dostarczyć szeroki zakres częstotliwości przy użyciu mniejszej liczby komponentów. Głównie jest używany w monolitycznych układach scalonych. Relaksacyjne oscylatory mogą posiadać następujące topologie:

• Oscylatory VCO oparte na opóźnieniach

• Oscylatory VCO z kondensatorem doziemionym

• Oscylatory VCO ze sprzężeniem emiterowym

Tutaj, w oscylatorach VCO opartych na opóźnieniach, etapy wzmacniające są połączone w pierścieniowej formie. Jak nazwa wskazuje, częstotliwość jest związana z opóźnieniem w każdym etapie. Drugi i trzeci typ oscylatorów działa prawie tak samo. Okres czasu w każdym etapie jest bezpośrednio związany z czasem ładowania i rozładowywania kondensatora.

Zasada działania oscylatora sterowanego napięciem (VCO)

Obwody VCO mogą być zaprojektowane za pomocą wielu elektronicznych komponentów sterowanych napięciem, takich jak diody waraktorowe, tranzystory, wzmocnienia operacyjne itp. Teraz omówimy działanie VCO przy użyciu wzmocnień operacyjnych. Schemat obwodu przedstawiony jest poniżej.

Fala wyjściowa tego VCO będzie prostokątna. Jak wiemy, częstotliwość wyjściowa jest związana z napięciem sterującym. W tym obwodzie pierwszy wzmocniacz operacyjny będzie działał jako integrator. Zastosowano tutaj układ dzielnika napięcia. Dzięki temu, połowa napięcia sterującego podawanego na wejście jest podawana do dodatniego wejścia wzmocniacza operacyjnego 1. Taki sam poziom napięcia jest utrzymywany na ujemnym wejściu. To ma na celu utrzymanie spadku napięcia na oporniku R1 na poziomie połowy napięcia sterującego.
Gdy MOSFET jest w stanie "on", prąd płynący przez opornik R1 przepływa przez MOSFET. Opornik R2 ma połowę oporu, taki sam spadek napięcia i dwukrotnie większy prąd niż R1. Dlatego dodatkowy prąd ładuje podłączony kondensator. Wzmocniacz operacyjny 1 musi dostarczać stopniowo rosnące napięcie wyjściowe, aby zapewnić ten prąd.
Gdy MOSFET jest w stanie "off", prąd płynący przez opornik R1 przepływa przez kondensator, który się rozładowuje. Napięcie wyjściowe uzyskane z wzmocniacza operacyjnego 1 w tym momencie będzie spadać. W rezultacie, powstaje fala trójkątna jako wyjście z wzmocniacza operacyjnego 1.
Wzmocniacz operacyjny 2 będzie działał jako trigger Schmitta. Wejściem do tego wzmocniacza operacyjnego jest fala trójkątna, która jest wyjściem z wzmocniacza operacyjnego 1. Jeśli napięcie wejściowe jest wyższe niż poziom progowy, wyjście z wzmocniacza operacyjnego 2 będzie wynosiło VCC. Jeśli napięcie wejściowe jest niższe niż poziom progowy, wyjście z wzmocniacza operacyjnego 2 będzie wynosiło zero. W rezultacie, wyjście z wzmocniacza operacyjnego 2 będzie falą prostokątną.
Przykładem VCO jest układ LM566 IC lub IC 566. Jest to w rzeczywistości 8-pinowy układ scalony, który może generować podwójne wyjścia - falę prostokątną i falę trójkątną. Wewnętrzny schemat obwodu przedstawiony jest poniżej.

Zastosowania oscylatora sterowanego napięciem

• Generator funkcji

• Zamknięte pętle fazowe

• Generator tonów

• Kluczowanie przesunięciem częstotliwości

• Modulacja częstotliwości

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły warto udostępniać, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o skontaktowanie się w celu usunięcia.