Spänningsstyrd oscillator | VCO

Spänningsstyrd oscillator (VCO), som namnet antyder, styrs den instantana frekvensen av oscillatorn av indatat spänning. Det är en typ av oscillator som kan producera utdatafrekvens över ett stort intervall (flera hertz-hundra giga hertz) beroende på den indatade DC-spänningen.

Frekvenskontroll i spänningsstyrd oscillator

Många former av VCO:er används generellt. De kan vara av RC-oscillator eller multivibrator-typ eller LC- eller kristalloscillator-typ. Om det är av RC-oscillator-typ, kommer utdatafrekvensen att vara omvänt proportionell mot kapacitans som

I fallet med LC-oscillator, kommer utdatafrekvensen att vara
Så, vi kan säga att när inmatningsvolten eller kontrollvolten ökar, minskar kapacitansen. Därför är kontrollvolten och frekvensen av svängningar direkt proportionella. När den ena ökar, ökar den andra.

Figuren ovan representerar den grundläggande funktionsprincipen för en spänningsstyrd oscillator. Här kan vi se att vid nominal kontrollspänning betecknad VC(nom), fungerar oscillatorn vid sin fria körnings- eller normalfrekvens, fC(nom). När kontrollspänningen minskar från nominal spänning, minskar också frekvensen och när nominal kontrollspänningen ökar, ökar också frekvensen.
De varactor dioder som är variabla kapacitansdioder (tillgängliga i olika kapacitansintervall) implementeras för att få denna variabla spänning. För lågfrekvensoscillatorer ändras laddningshastigheten hos kapacitanserna genom att använda en spänningsstyrd strömkälla för att få den variabla spänningen.

Typer av spänningsstyrd oscillator

VCO:er kan kategoriseras baserat på utdataformen:

• Harmoniska oscillatorer

• Relaxationsoscillatorer

Harmoniska oscillatorer

Utdataformen producerad av harmoniska oscillatorer är sinusformad. Detta kan ofta refereras till som linjär spänningsstyrd oscillator. Exempel är LC- och kristalloscillatorer. Här varieras kapacitansen av varactor dioden genom den spänning som finns över dioden. Detta ändrar kapacitansen i LC-kretsen. Därför ändras utdatafrekvensen. Fördelarna är frekvensstabilitet med avseende på strömförsörjning, brus och temperatur, noggrannhet i frekvenskontroll. Den viktigaste nackdel är att denna typ av oscillatorer inte kan implementeras enkelt på monolitiska IC:er.

Relaxationsoscillatorer

Utdataformen producerad av relaxationsoscillatorer är sågtandsformad. Denna typ kan ge ett stort frekvensintervall med hjälp av ett begränsat antal komponenter. Den används främst i monolitiska IC:er. Relaxationsoscillatorer kan ha följande topologier:

• Fördröjningsbaserade ring-VCO:er

• Jordade kondensator-VCO:er

• Emitterkopplade VCO:er

Här, i fördröjningsbaserade ring-VCO:er, är förstärkningsstegen kopplade ihop i en ringform. Som namnet antyder, är frekvensen relaterad till fördröjningen i varje enskilt steg. De andra två typerna VCO:er fungerar nästan likadant. Tiden för varje steg är direkt relaterad till ladd- och avladdningstiden för kapacitorn.

Arbetsprincip för spänningsstyrd oscillator (VCO)

VCO-kretsar kan designas med hjälp av många spänningsstyrda elektroniska komponenter som varactor dioder, transistorer, förstärkare etc. Här ska vi diskutera arbetsprincipen för en VCO med hjälp av förstärkare. Kretsschemat visas nedan.

Utdataformen för denna VCO kommer att vara kvadratisk. Som vi vet är utdatafrekvensen relaterad till kontrollspänningen. I denna krets fungerar den första förstärkaren som en integrator. Ett spänningsdelararrangemang används här. På grund av detta ges hälften av kontrollspänningen som indata till den positiva terminalen av förstärkare 1. Samma nivå av spänning hålls vid den negativa terminalen. Detta är för att upprätthålla spänningsfall över motståndet, R1 som hälften av kontrollspänningen.
När MOSFET är på, passerar strömmen från R1-motståndet genom MOSFET. R2 har halva motståndet, samma spänningsfall och dubbelt så stor ström som R1. Så den extra strömmen laddar den anslutna kapacitorn. Förstärkare 1 måste ge en gradvis ökande utdataspänning för att tillhandahålla denna ström.
När MOSFET är av, passerar strömmen från R1-motståndet genom kapacitorn, som avlastas. Utspänningen som erhålls från förstärkare 1 vid denna tidpunkt kommer att sjunka. Som ett resultat genereras en triangelvågform som utdata från förstärkare 1.
Förstärkare 2 kommer att fungera som en Schmitttrigger. Indata till denna förstärkare är triangelvågen som är utdata från förstärkare 1. Om indataspänningen är högre än tröskelnivån, kommer utdata från förstärkare 2 att vara VCC. Om indataspänningen är lägre än tröskelnivån, kommer utdata från förstärkare 2 att vara noll. Därför kommer utdata från förstärkare 2 att vara kvadratisk.
Exempel på VCO är LM566 IC eller IC 566. Det är faktiskt en 8-pinig integrerad krets som kan producera dubbla utdata - kvadratisk våg och triangelvåg. Den interna kretsen visas nedan.

Användningsområden för spänningsstyrd oscillator

• Funktionsgenerator

• Fasreglerad slinga

• Tongenerator

• Frekvensskiftning

• Frekvensmodulation