Oscilador controlado por voltaje

Un oscilador controlado por voltaje (VCO) es un oscilador electrónico cuya frecuencia de oscilación está controlada por una entrada de voltaje. El voltaje de entrada aplicado determina la frecuencia de oscilación instantánea. En consecuencia, un VCO se puede utilizar para modulación de frecuencia (FM) o modulación de fase (PM) aplicando una señal moduladora a la entrada de control. Un VCO también es una parte integral de un bucle de bloqueo de fase. Los VCO se utilizan en sintetizadores para generar una forma de onda cuyo tono se puede ajustar mediante un voltaje determinado por un teclado musical u otra entrada.

Tipos

Los VCO generalmente se pueden clasificar en dos grupos según el tipo de forma de onda producida.

• Linear o osciladores armónicos generar una onda sinusoidal. Los osciladores armónicos en electrónica suelen consistir en un resonador con un amplificador que reemplaza las pérdidas del resonador (para evitar que la amplitud decaiga) y aísla al resonador de la salida (así que la carga no afecta al resonador). Algunos ejemplos de osciladores armónicos son osciladores LC y osciladores de cristal.
• osciladores de relajación puede generar una forma de onda sierra o triangular. Se utilizan comúnmente en circuitos integrados (IC). Pueden proporcionar una amplia gama de frecuencias operativas con un número mínimo de componentes externos.

Control de frecuencia

Un condensador controlado por voltaje es un método para hacer que un oscilador LC varíe su frecuencia en respuesta a un voltaje de control. Cualquier diodo semiconductor con polarización inversa muestra una medida de capacitancia dependiente del voltaje y puede usarse para cambiar la frecuencia de un oscilador variando un voltaje de control aplicado al diodo. Los diodos varactores de capacitancia variable para fines especiales están disponibles con valores de capacitancia de amplio rango bien caracterizados. Se utiliza un varactor para cambiar la capacitancia (y por lo tanto la frecuencia) de un tanque LC. Un varactor también puede cambiar la carga sobre un resonador de cristal y aumentar su frecuencia de resonancia.

Para los VCO de baja frecuencia, se utilizan otros métodos para variar la frecuencia (como alterar la velocidad de carga de un condensador mediante una fuente de corriente controlada por voltaje) (ver generador de funciones).

La frecuencia de un oscilador en anillo se controla variando el voltaje de suministro, la corriente disponible para cada etapa del inversor o la carga capacitiva en cada etapa.

Ecuaciones en el dominio de fases

Los VCO se utilizan en aplicaciones analógicas como modulación de frecuencia y manipulación por desplazamiento de frecuencia. La relación funcional entre el voltaje de control y la frecuencia de salida para un VCO (especialmente aquellos usados en radiofrecuencia) puede no ser lineal, pero en rangos pequeños, la relación es aproximadamente lineal y se puede usar la teoría de control lineal. Un convertidor de voltaje a frecuencia (VFC) es un tipo especial de VCO diseñado para ser muy lineal en una amplia gama de voltajes de entrada.

El modelado de VCO a menudo no se preocupa por la amplitud o la forma (onda sinusoidal, onda triangular, diente de sierra), sino más bien por su fase instantánea. En efecto, la atención no se centra en la señal en el dominio del tiempo A sin(ωt+θ₀) sino más bien el argumento de la función seno (la fase). En consecuencia, el modelado a menudo se realiza en el dominio de fase.

La frecuencia instantánea de un VCO a menudo se modela como una relación lineal con su voltaje de control instantáneo. La fase de salida del oscilador es la integral de la frecuencia instantánea.

${fnK_cdot v_{in}(t)theta (t) âTMa=int _{-infty }{t}tau,dtau \end{aligned}}}}}} {f}} {f}tau} {f}tau}\f}f}}}}}} {f} {f}f}}}}f}}}}f}f}tau}f}f}tau}f}f}tau}f}f}f}f}f}f}}f}f}f}f}f}tau}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}$

• ${displaystyle f(t)}$ es la frecuencia instantánea del oscilador a la vez t (no la amplitud de onda)
• ${displaystyle f_{0}$ es la frecuencia quiescente del oscilador (no la amplitud ondaform)
• ${displaystyle K_{0}$ se llama sensibilidad osciladora, o ganancia. Sus unidades son hertz por voltio.
• ${displaystyle f(tau)}$ es la frecuencia de la VCO
• ${displaystyle theta (t)}$ es la fase de salida de la VCO
• ${displaystyle v_{text{in}(t)}$ es la entrada de control de tiempo-dominio o voltaje de ajuste de la VCO

Para analizar un sistema de control, las transformadas de Laplace de las señales anteriores son útiles.

${displaystyle {begin{aligned}F(s) limit=K_{0}cdot V_{text{in}(s)\\\Theta (s) limit={F(s) over s}\end{aligned}}}}} {f}}}}$

Diseño y circuitos

El rango de sintonización, la ganancia de sintonización y el ruido de fase son las características importantes de un VCO. Generalmente, se prefiere un ruido de fase bajo en un VCO. La ganancia de sintonización y el ruido presente en la señal de control afectan el ruido de fase; Un ruido alto o una ganancia de sintonización alta implican más ruido de fase. Otros elementos importantes que determinan el ruido de fase son las fuentes de ruido de parpadeo (ruido 1/f) en el circuito, el nivel de potencia de salida y el factor Q cargado del resonador. (ver la ecuación de Leeson). El ruido de parpadeo de baja frecuencia afecta el ruido de fase porque el ruido de parpadeo es heterodino con la frecuencia de salida del oscilador debido a la función de transferencia no lineal de los dispositivos activos. El efecto del ruido de parpadeo se puede reducir con retroalimentación negativa que linealice la función de transferencia (por ejemplo, degeneración del emisor).

Los VCO generalmente tienen un factor Q más bajo en comparación con osciladores de frecuencia fija similares y, por lo tanto, sufren más fluctuaciones. La fluctuación se puede reducir lo suficiente para muchas aplicaciones (como controlar un ASIC), en cuyo caso los VCO disfrutan de las ventajas de no tener componentes fuera del chip (caros) ni inductores en el chip (bajos rendimientos en procesos CMOS genéricos).

Osciladores LC

Los circuitos VCO comúnmente utilizados son los osciladores Clapp y Colpitts. El oscilador más utilizado de los dos es Colpitts y estos osciladores tienen una configuración muy similar.

Osciladores de cristal

A El oscilador de cristal controlado por voltaje (VCXO) se utiliza para el ajuste fino de la frecuencia de funcionamiento. La frecuencia de un oscilador de cristal controlado por voltaje se puede variar unas pocas decenas de partes por millón (ppm) en un rango de voltaje de control de típicamente 0 a 3 voltios, porque el alto factor Q de los cristales permite el control de frecuencia solo en un rango pequeño. de frecuencias.

A VCXO con compensación de temperatura (TCVCXO) incorpora componentes que corrigen parcialmente la dependencia de la temperatura de la frecuencia de resonancia del cristal. Entonces, un rango más pequeño de control de voltaje es suficiente para estabilizar la frecuencia del oscilador en aplicaciones donde la temperatura varía, como la acumulación de calor dentro de un transmisor.

Colocar el oscilador en un horno de cristal a una temperatura constante pero superior a la ambiental es otra forma de estabilizar la frecuencia del oscilador. Las referencias de osciladores de cristal de alta estabilidad a menudo colocan el cristal en un horno y utilizan una entrada de voltaje para un control preciso. La temperatura se selecciona para que sea la temperatura de rotación: la temperatura donde pequeños cambios no afectan la resonancia. El voltaje de control se puede utilizar para ajustar ocasionalmente la frecuencia de referencia a una fuente NIST. Los diseños sofisticados también pueden ajustar el voltaje de control con el tiempo para compensar el envejecimiento del cristal.

Generadores de reloj

Un generador de reloj es un oscilador que proporciona una señal de sincronización para sincronizar operaciones en circuitos digitales. Los generadores de reloj VCXO se utilizan en muchas áreas, como televisión digital, módems, transmisores y computadoras. Los parámetros de diseño para un generador de reloj VCXO son el rango de voltaje de sintonización, la frecuencia central, el rango de sintonización de frecuencia y la fluctuación de sincronización de la señal de salida. La fluctuación es una forma de ruido de fase que debe minimizarse en aplicaciones como receptores de radio, transmisores y equipos de medición.

Cuando se necesita una selección más amplia de frecuencias de reloj, la salida VCXO puede pasar a través de circuitos divisores digitales para obtener frecuencias más bajas o alimentarse a un bucle de bloqueo de fase (PLL). Se encuentran disponibles circuitos integrados que contienen un VCXO (para cristal externo) y un PLL. Una aplicación típica es proporcionar frecuencias de reloj en un rango de 12 kHz a 96 kHz a un convertidor de audio digital a analógico.

Sintetizadores de frecuencia

Un sintetizador de frecuencia genera frecuencias precisas y ajustables basadas en un reloj estable de una sola frecuencia. Un oscilador controlado digitalmente basado en un sintetizador de frecuencia puede servir como una alternativa digital a los circuitos osciladores analógicos controlados por voltaje.

Aplicaciones

Los VCO se utilizan en generadores de funciones, bucles de fase bloqueada, incluidos sintetizadores de frecuencia utilizados en equipos de comunicación y en la producción de música electrónica, para generar tonos variables en sintetizadores.

Los generadores de funciones son osciladores de baja frecuencia que presentan múltiples formas de onda, generalmente ondas sinusoidales, cuadradas y triangulares. Los generadores de funciones monolíticos están controlados por tensión.

Los bucles analógicos de fase bloqueada normalmente contienen VCO. Los VCO de alta frecuencia se utilizan generalmente en bucles de bloqueo de fase para receptores de radio. El ruido de fase es la especificación más importante en esta aplicación.

Los convertidores de voltaje a frecuencia son osciladores controlados por voltaje con una relación altamente lineal entre el voltaje aplicado y la frecuencia. Se utilizan para convertir una señal analógica lenta (como la de un transductor de temperatura) en una señal adecuada para su transmisión a larga distancia, ya que la frecuencia no se desviará ni se verá afectada por el ruido. Los osciladores en esta aplicación pueden tener salidas de onda sinusoidal o cuadrada.

Cuando el oscilador impulsa equipos que pueden generar interferencias de radiofrecuencia, agregar un voltaje variable a su entrada de control, llamado dithering, puede dispersar el espectro de interferencia para hacerlo menos objetable (ver reloj de espectro ensanchado).