De grondbeginselen van spanningsgestuurde oscillators (VCO's) en hoe ze te kiezen en te gebruiken

Veel elektronische toepassingen vereisen dat de frequentie van een signaal wordt gevarieerd op basis van de amplitude van een ander signaal. Een goed voorbeeld is een frequentiegemoduleerd signaal waarbij de frequentie van een draaggolf varieert met de amplitude van de modulatiebron. Denk ook aan een fase-locked loop (PLL): Deze maakt gebruik van een regelsysteem om de frequentie en/of fase van een oscillator te variëren om overeen te komen met de frequentie/fase van een ingangsreferentiesignaal.

Het doel voor ontwerpers is te bepalen hoe deze functie zo efficiënt en kosteneffectief mogelijk kan worden vervuld, terwijl nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en stabiliteit in tijd en temperatuur gewaarborgd blijven.

Dit is de functie van spanningsgestuurde oscillators (VCO's). Deze toestellen zijn ontworpen om een uitgangssignaal voort te brengen waarvan de frequentie varieert met de spanningsamplitude van een ingangssignaal over een redelijk bereik van frequenties. Zij worden gebruikt in PLL's, frequentie- en fasemodulators, radar en vele andere elektronische systemen.

Dit artikel legt uit waarom VCO's zo vaak de beste keuze zijn van een ontwerper voor deze functie en beschrijft vervolgens in het kort hoe VCO's werken, en het ontwerp van VCO's van discrete componentontwerpen tot monolithische VCO IC's. Vervolgens wordt bekeken hoe VCO's kunnen worden gespecificeerd voor specifieke toepassingen aan de hand van praktijkvoorbeelden van diverse leveranciers, waaronder Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions, en Crystek Corporation.

Wat is de rol van een VCO?

Zoals gezegd is het bij veel elektronische toepassingen nodig dat de frequentie of fase van een signaal wordt gevarieerd of geregeld op basis van de amplitude van een ander signaal. Typische toepassingen zijn communicatiesystemen, frequentiechirps in radar, fase-tracking in PLL's, en toepassingen met frequentiesprongen zoals sleutelvrije toegang op afstand (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Voorbeelden van toepassingen waarbij variaties in frequentie of fase nodig zijn die worden gestuurd door een toegepaste signaalspanning, zijn frequentiemodulatie in communicatiesystemen (boven), frequentiechirps in radar (tweede omlaag), fasetracking in fasevergrendelde loops (derde omlaag), en toepassingen met frequentiesprongen zoals afstandsbedieningssystemen met sleutelvrije toegang (onderste omlaag). (Bron afbeelding: DigiKey)

VCO's zijn speciaal ontworpen om een uitgangssignaal te produceren waarvan de frequentie varieert naar gelang van de amplitude van een ingangssignaal over een redelijk bereik van frequenties.

Hoe VCO's werken

VCO's zijn er in discrete, modulaire en monolithische vormen, maar een bespreking van discrete VCO's zal een basisbegrip verschaffen van hoe zij werken en waarom bepaalde specificaties van belang zijn. Daarna volgt een overzicht van modulaire en monolithische oplossingen.

Met een discrete benadering van VCO's beschikken ontwerpers over een grote mate van flexibiliteit ten aanzien van het voldoen aan klantspecifieke specificaties. Deze aanpak is vooral gebruikelijk bij doe-het-zelfprojecten (DIY), met name bij radio-amateurs. Dergelijke ontwerpen, bedoeld voor gebruik in hoogfrequente radioprojecten, zijn gebaseerd op klassieke oscillatortopologieën, waaronder de Hartley en Colpitts inductor-capacitor (LC) oscillators (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Klassieke oscillators, waaronder de Hartley en Colpitts LC-oscillators, kunnen worden gebruikt als basis voor een VCO-ontwerp. (Bron afbeelding: DigiKey)

Alle oscillators zijn gebaseerd op het gebruik van positieve terugkoppeling om aanhoudende oscillatie te bereiken. De Hartley en Colpitts-oscillators zijn basisontwerpen die op verschillende manieren positieve terugkoppeling genereren. Positieve terugkoppeling vereist dat het signaal aan de uitgang van de oscillator wordt teruggevoerd naar de ingang met een totale faseverschuiving van 360°. De versterker zorgt voor een enkelfasige inversie van 180°, en de andere helft van de 360° komt van de LC van de resonantietankkring. De tankkring bepaalt de nominale frequentie van de trilling. Het bestaat uit L1, L2, en Ct in de Hartley-oscillatorschakeling, en L1, Ct1 en Ct2 in de Colpitts-oscillator.

De Hartley-oscillator maakt gebruik van inductieve koppeling om de fase-omkering te verkrijgen door middel van een dubbele of getapte spoel (L1 en L2) die in de schakeling wordt getoond. De Colpitts-oscillator maakt gebruik van een capacitieve spanningsdeler bestaande uit Ct1 en Ct2 in de respectieve schakeling. Er zijn vele ontwerpen afgeleid van deze basisontwerpen, elk met zijn eigen naam. De afgeleide ontwerpen trachten de tankkring te isoleren van de versterker om frequentieverschuivingen ten gevolge van belasting te voorkomen. Er zijn veel van dergelijke afgeleiden waaruit ontwerpers hun favoriet kunnen kiezen.

Frequentiecontrole wordt aan deze ontwerpen toegevoegd door varactordioden te gebruiken om de resonantiefrequentie van de tankkring te variëren. De varactordiode, ook wel variabele-capaciteitsdiode of varicapdiode genoemd, is een lagendiode die ontworpen is om variabele capaciteit te leveren. De P-N junctie is omgekeerd gespannen en de diodecapaciteit kan worden gevarieerd door de toegepaste DC-spanning te wijzigen. De capaciteit van de varactor varieert omgekeerd evenredig met de toegepaste DC-spanning: hoe hoger de sperspanning, hoe breder het depletiegebied van de diode, en dus hoe lager de capaciteit. Deze variatie is te zien in de capaciteit vs. sperspanning grafiek voor de Skyworks Solutions SMV1232_079LF hyper-abrupt junction varactordiode (Afbeelding 3). Deze diode heeft een capaciteit van 4,15 picofarads (pF) bij nul volt en 0,96 pF bij 8 volt.

Afbeelding 3: De spanning-capaciteitplot van de Skyworks Solution SMV1232-varactordiode toont duidelijk hoe de capaciteit omgekeerd varieert met de toegepaste DC bias. (Bron afbeelding: Skyworks Solutions)

Het capaciteitsbereik van de varactordiode bepaalt het afstembereik van de VCO. Spanningsregeling van de oscillator wordt gerealiseerd door de varactor parallel toe te voegen aan de tankkring, zoals getoond in Afbeelding 4. De afbeelding toont een referentie-ontwerp van een Colpitts-oscillator VCO met een centerfrequentie van 1 gigahertz (GHz) en een afstembereik van ongeveer 100 megahertz (MHz). Hij is voorzien van een emittervolgerbuffer om de VCO te isoleren van belastingsvariaties. De resonantietankkring in dit ontwerp omvat de spoel L3 en de condensators C4, C7, en C8. De varactordiode, VC1, staat parallel met de tank. Condensator C4 regelt het bereik van de frequentievariatie voor een bepaalde varactorkeuze, terwijl C7 en C8 de vereiste terugkoppeling leveren om de oscillatie in stand te houden.

Afbeelding 4: Een referentie-ontwerp van een Colpitts-oscillator VCO met een centerfrequentie van 1 GHz en een afstembereik van ongeveer 100 MHz. De varactordiode, VC1 (linksonder), staat parallel met de tank, die bestaat uit spoel L3 en de condensators C4, C7, en C8. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

De keuze van de varactors en de bipolaire junctie-transistors is afhankelijk van de frequentie van de oscillator. Voor nominale frequenties van 1 GHz kunnen RF-transistors zoals de BFU520WX van NXP Semiconductor of de BFP420FH6327XTSA1 van Infineon Technologies worden gebruikt. De BFU520WX heeft een overgangsfrequentie van 10 GHz en een versterking van 18,8 decibel (dB), en de BFP420FH6327XTSA1 heeft een overgangsfrequentie van 25 GHz met een versterking van 19,5 dB. Beide hebben voor deze schakeling een voldoende grote bandbreedte bij 1 GHz.

Kortom, discrete VCO's bieden maximale ontwerpflexibiliteit, maar zijn groter en nemen meer printplaatoppervlak in beslag dan modulaire of monolithische apparaten.

VCO's specificeren

De belangrijkste VCO-specificaties beginnen gewoonlijk met het nominale frequentiebereik, d.w.z. de minimum- en maximumfrequenties die kunnen worden bereikt. Als alternatief kunnen zij worden gespecificeerd als een nominale of middenfrequentie en een afstemmingsbereik.

Het bereik van de ingangsafstemspanning komt overeen met de spanningszwaai van de ingang, die de VCO afstemt over het afstembereik (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De afstemkromme van de uitgangsfrequentie als functie van de ingangsafstemspanning geeft een basisbeeld van de lineariteit van de VCO in vergelijking met een lineaire fit. De helling van de uitgangsfrequentie ten opzichte van de afstemspanning is de afstemgevoeligheid. (Bron afbeelding: DigiKey)

De afstemversterking of gevoeligheid, gemeten in eenheden MHz/volt (V), is de helling van de frequentie/voltage-grafiek. Het is een maat voor de lineariteit van de afstemming. In toepassingen waar de VCO deel uitmaakt van een regelkring, zoals bij een PLL, is de afstemmingsgevoeligheid de versterking van het VCO-element en kan zij de dynamiek en stabiliteit van de regelkring beïnvloeden.

Het uitgangsvermogen van de VCO geeft het vermogen aan dat wordt geleverd aan een belasting met een gespecificeerde impedantie, gewoonlijk 50 ohm (Ω) voor RF VCO's. Het uitgangsvermogen wordt opgegeven in dB ten opzichte van 1 milliwatt (mW) (dBm). De vlakheid van het uitgangsvermogen over het frequentiebereik van de VCO kan eveneens van belang zijn.

Belastingstrek is de verandering in de uitgangsfrequentie van de VCO als gevolg van veranderingen in de belastingsimpedantie, gemeten in MHz van piek tot piek (pk-pk). De belastingsisolatie wordt gewoonlijk verbeterd door gebruik te maken van een bufferversterker zoals de emittervolger in Afbeelding 4.

Voedingsdwang is de variatie in VCO-uitgangsfrequentie als gevolg van variaties in de voedingsspanning. Het wordt gemeten in MHz/V.

De faseruis-specificatie is een indicator voor de signaalzuiverheid van de VCO. Een ideale oscillator heeft een frequentiespectrum dat bestaat uit een smalle spectraallijn op de frequentie van de oscillator. Faseruis vertegenwoordigt ongewenste modulatie van de oscillator en verbreedt de spectrale respons. Faseruis is het resultaat van thermische en andere ruisbronnen in de oscillatorschakeling en wordt uitgedrukt in decibels onder de draaggolf per hertz (dBc/Hz). Faseruis in het frequentiedomein leidt tot timingsjitter in het tijdsdomein, die zich manifesteert als tijdsintervalfout (TIE).

Modulaire VCO's

Modulaire VCO's vertegenwoordigen het volgende hoogste niveau van circuitintegratie. Deze VCO's zijn verpakt in een kleine modulaire behuizing en worden gebruikt als een component. Modulaire VCO's bieden over het algemeen een hogere pakkingsdichtheid dan een discrete implementatie van een VCO. Zij zijn verkrijgbaar in een reeks uitgangsfrequenties, afstembereiken en vermogensniveaus. Een voorbeeld is de CRBV55BE-0325-0775 VCO van Crystek Corporation (Afbeelding 6). Dit apparaat meet 1,25 x 0,59 inch (in.) (31,75 x 14,99 millimeter (mm)) met een hoogte van 1,25 in. en heeft een afstembereik van 325 tot 775 MHz voor een ingangsspanningsbereik van 0 tot 12 volt. Het heeft een uitgangsvermogen van +7 dBm (typisch) met een faseruis van -98 dBc/Hz bij een afwijking van 10 kilohertz (kHz) ten opzichte van de draaggolf, en -118 dBc/Hz bij 100 kHz.

Afbeelding 6: Schetsen van de Crystek CRBV55BE VCO met zijn compacte vormfactor en afmetingen van 1,25 x 1,25 x 0,59 inch. (Afbeelding bron: Crystek Corporation)

Wat de regeldynamiek betreft, heeft de Crystek VCO een typische afstemmingsgevoeligheid van 45 MHz/V. De stroomtoevoerdruk is gespecificeerd als 0,5 MHz/V typisch en 1,5 MHz/V maximum. Belastingstrekkracht is 5,0 MHz pk-pk, maximaal.

Monolithische VCO's

VCO's kunnen worden geïmplementeerd als monolithische IC's. Het monolithische IC biedt de hoogste volumedichtheid. Net als modulaire VCO's zijn monolithische VCO's ontworpen voor specifieke operationele banden. Neem als voorbeeld de Maxim Integrated MAX2623EUA+T. Dit is een op zichzelf staande VCO met een geïntegreerde oscillator en een uitgangsbuffer in een enkel 8-pins mMax-pakket (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het blokschema en de penconfiguratie van de Maxim Integrated MAX2623 VCO. Het is een conventionele VCO op LC-basis die gebruik maakt van dubbele varactordioden voor spanningsregeling. Hij bevat een ingebouwde uitgangsbuffer in een 8-pins behuizing. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Het ontwerp omvat een tankinductor op de chip en varactordioden. Hij werkt met een voeding van +2,7 tot +5,5 volt en verbruikt slechts 8 milliampère (mA). De MAX2623 is een van de drie VCO's in de productfamilie, die zich onderscheiden door hun beoogde werkfrequenties. De MAX2623 is afgestemd op het bereik van 885 tot 950 MHz, dat de industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) band van 902 tot 928 MHz bestrijkt, waar hij kan worden gebruikt als lokale oscillator. De VCO heeft een uitgangsvermogen van -3 dBm in 50 Ω met een faseruis van -101 dBc/Hz bij een offset van 100 kHz. Het bereik van de stuurspanning is 0,4 tot 2,4 volt, en de belastingstrekkracht is typisch 0,75 MHz, pk-pk. De voeding duwt 280 kHz/volt (typisch). De verpakking meet 0,12 x 0,12 x 0,043 in. (3,03 x 3,05 x 1,1 mm).

Een ander voorbeeld van een monolithische VCO is de HMC512LP5ETR van Analog Devices. Deze VCO bestrijkt het frequentiebereik van 9,6 tot 10,8 GHz met een afstemspanning van 2 tot 13 volt. Hij is bedoeld voor satellietcommunicatie, multipoint radio en militaire toepassingen (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Het blokschema van de Analog Devices HMC512LPETR VCO met de geïntegreerde varactordiode en de oscillatorkern met geïntegreerde resonator. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze monolithische microgolfgeïntegreerde schakeling (MMIC) VCO maakt gebruik van GaAs en InGaP heterojunctie bipolaire transistoren om een grote bandbreedte te bereiken en een uitgangsvermogen van +9 dBm in een 50 Ω belasting met gebruikmaking van een 5 volt gelijkstroombron. De faseruis is -110 dBc/Hz bij een offset van 100 kHz. De belastingstrekkracht is typisch 5 MHz van piek tot piek. De voedingsdruk is typisch 30 MHz/volt bij 5 volt. Het apparaat is verpakt in een QFN 5 x 5 mm opbouwpakket. Merk in de afbeelding op dat deze VCO ook hulpuitgangen voor de halve en kwart frequentie heeft. Deze fractionele frequentie-uitgangen kunnen worden gebruikt voor het aansturen van een PLL-synthesizer om desgewenst de primaire uitgang van de VCO in fase te vergrendelen, of voor het synchroniseren van andere timing-kettingsignalen.

Beide monolithische apparaten zijn klein van formaat, hetgeen het voornaamste voordeel is van dit type VCO.

Conclusie

VCO's, in discrete, modulaire of monolithische vorm, voorzien in de behoefte aan op spanning gebaseerde frequentieregeling die in een aantal toepassingen vereist is. Zij worden gebruikt in functiegenerators, PLL's, frequentiesynthesizers, klokgenerators en analoge muzieksynthesizers. Hoewel het betrekkelijk eenvoudige toestellen zijn, vereist het juiste gebruik ervan een gedegen inzicht in hun werking en hun belangrijkste specificaties. Als die eenmaal duidelijk zijn, zijn er vele ontwerpen en verkopers waaruit u kunt kiezen.