Генератор, управляемый напряжением

Генератор СВЧ (12–18 ГГц), управляемый напряжением

A Генератор, управляемый напряжением (VCO ) - это электронный генератор, частота колебаний которого управляется входом напряжения. Приложенное входное напряжение определяет мгновенную частоту колебаний. Следовательно, ГУН может использоваться для частотной модуляции (FM) или фазовой модуляции (PM) путем подачи модулирующего сигнала на управляющий вход. ГУН также является неотъемлемой частью петли фазовой автоподстройки частоты.

A преобразователь напряжения в частоту (VFC ) - это специальный тип ГУН, разработанный для очень линейной по частоте. управление в широком диапазоне входных управляющих напряжений.

• 1 Типы
• 2 Управление частотой
  • 2.1 Уравнения в фазовой области
• 3 Конструкция и схемы
  • 3.1 Генераторы LC
  • 3.2 Кварцевые генераторы
  • 3.3 Тактовые генераторы
  • 3.4 Синтезаторы частоты
• 4 Приложения
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

ГУН могут быть обычно делятся на две группы в зависимости от типа создаваемого сигнала.

• Линейные или гармонические генераторы генерируют синусоидальную форму волны. Генераторы гармоник в электронике обычно состоят из резонатора с усилителем, который заменяет потери в резонаторе (для предотвращения уменьшения амплитуды) и изолирует резонатор от выхода (чтобы нагрузка не влияла на резонатор). Некоторыми примерами гармонических генераторов являются LC-генераторы и кварцевые генераторы.
• Релаксационные генераторы, которые могут генерировать пилообразную или треугольную форму волны. Они обычно используются в интегральных схемах (ИС). Они могут обеспечить широкий диапазон рабочих частот с минимальным количеством внешних компонентов.

Схема генератора звуковой частоты, управляемого напряжением

Конденсатор, управляемый напряжением, - это один из способов создания LC Генератор изменяет свою частоту в ответ на управляющее напряжение. Любой полупроводниковый диод с обратным смещением отображает величину емкости, зависящей от напряжения, и может использоваться для изменения частоты генератора путем изменения управляющего напряжения, подаваемого на диод. Доступны специальные диоды переменной емкости варакторные с хорошо охарактеризованными значениями емкости в широком диапазоне. Варактор используется для изменения емкости (и, следовательно, частоты) резервуара LC. Варактор также может изменять нагрузку на кристаллический резонатор и изменять его резонансную частоту.

Для низкочастотных ГУН используются другие методы изменения частоты (например, изменение скорости заряда конденсатора с помощью управляемого напряжением источника тока ) (см. генератор функций ).

Частота кольцевого генератора регулируется путем изменения либо напряжения питания, тока, доступного для каждой ступени инвертора, либо емкостной нагрузки на каждой ступени.

Уравнения фазовой области

ГУН используются в аналоговых приложениях, таких как частотная модуляция и частотная манипуляция. Функциональная взаимосвязь между управляющим напряжением и выходной частотой для ГУН (особенно тех, которые используются на радиочастоте ) может быть не линейной, но в небольших диапазонах зависимость примерно линейна, и теория линейного управления может быть используемый. Преобразователь напряжения в частоту (VFC) - это особый тип ГУН, предназначенный для очень линейной работы в широком диапазоне входных напряжений.

Моделирование для ГУН часто связано не с амплитудой или формой (синусоида, треугольная волна, пилообразная волна), а с ее мгновенной фазой. Фактически, основное внимание уделяется не сигналу A sin (ωt + θ 0) во временной области, а скорее аргументу синусоидальной функции (фазе). Следовательно, моделирование часто выполняется в фазовой области.

Мгновенная частота ГУН часто моделируется как линейная зависимость от его мгновенного управляющего напряжения. Выходная фаза генератора представляет собой интеграл от мгновенной частоты.

$е\; (t)\; знак\; равно\; е\; 0\; +\; К\; 0\; \cdot \; v\; в\; (t)\; \theta \; (t)\; =\; \int \; -\; \infty \; tf\; (\tau )\; d\; \tau \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; f\; (t)\; =\; f\_\; \{\; 0\}\; +\; K\_\; \{0\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{in\}\}\; (t)\; \backslash \backslash \backslash \; theta\; (t)\; =\; \backslash \; int\; \_\; \{-\; \backslash \; infty\}\; ^\; \{t\}\; f\; (\backslash \; tau)\; \backslash ,\; d\; \backslash \; tau\; \backslash \backslash \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

• $f\; (t)\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; (t)\}$- это мгновенная частота генератора в момент времени t (а не амплитуда сигнала) <197.>f 0 {\ displaystyle f_ {0}}- это частота покоя генератора (не амплитуда сигнала)
• $K\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; K\_\; \{0\}\}$is называется чувствительностью осциллятора или усилением. Единицы измерения - герцы на вольт.
• $f\; (t)\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; (t)\}$- частота ГУН
• $\theta \; (t)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; theta\; (t)\}$- фаза выхода ГУН.
• $v\; in\; (t)\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{in\}\}\; (t)\}$- управляющий вход во временной области или напряжение настройки VCO

Для анализа системы управления полезно использовать преобразование Лапласа вышеуказанных сигналов.

$F\; (s)\; знак\; равно\; К\; 0\; \cdot \; V\; дюйм\; (s)\; \Theta \; (s)\; =\; F\; (s)\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; F\; (s)\; =\; K\_\; \{0\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; V\_\; \{\; \backslash \; text\; \{in\}\}\; (s)\; \backslash \backslash \backslash \; Theta\; (s)\; =\; \{F\; (s)\; \backslash \; over\; s\}\; \backslash \backslash \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

Диапазон настройки, усиление настройки и фазовый шум являются важными характеристиками ГУН. Обычно для ГУН предпочтительнее низкий фазовый шум. Усиление настройки и шум, присутствующие в управляющем сигнале, влияют на фазовый шум; высокий шум или высокий коэффициент усиления подразумевают больший фазовый шум. Другими важными элементами, определяющими фазовый шум, являются источники фликкер-шума (шум 1 / f) в цепи, уровень выходной мощности и нагруженная добротность резонатора. (см. уравнение Лисона ). Низкочастотный фликкер-шум влияет на фазовый шум, потому что фликкер-шум гетеродинируется с выходной частотой генератора из-за нелинейной передаточной функции активных устройств. Влияние фликкер-шума можно уменьшить с помощью отрицательной обратной связи, которая линеаризует передаточную функцию (например, вырождение эмиттера ).

ГУН обычно имеют более низкий коэффициент добротности по сравнению с аналогичными генераторами с фиксированной частотой, и поэтому подвержены большему джиттеру. Джиттер можно сделать достаточно низким для многих приложений (например, для управления ASIC), и в этом случае VCO пользуются преимуществами отсутствия компонентов вне кристалла (дорого) или встроенных индукторов (низкий выход для общих процессов CMOS).

Генераторы LC

Обычно используемые схемы ГУН - это генераторы Клаппа и Колпитца. Из них более широко используется генератор Колпитца, и эти генераторы очень похожи по конфигурации.

кварцевые генераторы

27 МГц генератор тактовых импульсов VCXO (TLSI T73227), используемые в телевизионной приставке DVB-T.

A кварцевый генератор, управляемый напряжением (VCXO ) используется для точной настройки рабочей частоты. Частота кварцевого генератора, управляемого напряжением, может изменяться на несколько десятков частей на миллион (ppm) в диапазоне управляющих напряжений обычно от 0 до 3 вольт, поскольку высокая добротность кристаллов позволяет регулировать частоту только в небольшом диапазоне. частот.

26 МГц TCVCXO

A VCXO с температурной компенсацией (TCVCXO ) включает в себя компоненты, которые частично корректируют зависимость от температуры резонансной частоты кристалла. Тогда меньшего диапазона регулирования напряжения будет достаточно для стабилизации частоты генератора в приложениях, где температура изменяется, например, накопление тепла внутри передатчика.

Размещение генератора в Кристаллическая печь при постоянной, но превышающей температуру окружающей среды, является еще одним способом стабилизации частоты генератора. Эталоны кварцевых генераторов с высокой стабильностью часто помещают кристалл в печь и используют вход напряжения для точного управления. Температура выбирается как температура оборота: температура, при которой небольшие изменения не влияют на резонанс. Управляющее напряжение может быть использовано для регулировки иногда опорной частоты в NIST источник. Сложные конструкции также могут регулировать управляющее напряжение с течением времени для компенсации старения кристалла.

Генераторы тактовых импульсов

A тактовые генераторы - это генератор, который выдает сигнал синхронизации для синхронизации операций в цифровых схемах. Генераторы часов VCXO используются во многих областях, таких как цифровое телевидение, модемы, передатчики и компьютеры. Конструктивными параметрами тактового генератора VCXO являются диапазон настраиваемого напряжения, центральная частота, диапазон настройки частоты и временной джиттер выходного сигнала. Джиттер - это форма фазового шума, который необходимо минимизировать в таких приложениях, как радиоприемники, передатчики и измерительное оборудование.

Когда требуется более широкий выбор тактовых частот, выходной сигнал VCXO может пропускаться через схемы цифрового делителя для получения более низких частот или подаваться на контур фазовой автоподстройки частоты (PLL). Доступны ИС, содержащие как VCXO (для внешнего кристалла), так и ФАПЧ. Типичное приложение - обеспечение тактовых частот в диапазоне от 12 кГц до 96 кГц для аудио цифро-аналогового преобразователя.

Синтезаторы частоты

A синтезатор частоты генерирует точные и регулируемые частоты на основе стабильные одночастотные часы. Генератор с цифровым управлением на основе синтезатора частоты может служить цифровой альтернативой схемам генератора с аналоговым управлением напряжением.

ГУН используются в генераторах функций, контурах фазовой автоподстройки частоты, включая синтезаторы частоты, используемые в оборудовании связи и производство электронной музыки для генерации переменных тонов в синтезаторах.

Функциональные генераторы - это низкочастотные генераторы, которые имеют несколько форм волны, обычно синусоидальную, квадратную и треугольную. Генераторы монолитных функций управляются напряжением.

Аналоговые контуры фазовой автоподстройки частоты обычно содержат ГУН. Высокочастотные ГУН обычно используются в контурах фазовой автоподстройки частоты для радиоприемников. Фазовый шум является наиболее важной характеристикой в ​​этом приложении.

ГУН звуковой частоты используются в аналоговых музыкальных синтезаторах. Для них наиболее важными характеристиками часто являются диапазон развертки, линейность и искажения. ГУН звуковой частоты для использования в музыкальном контексте в 1980-х годах были в значительной степени вытеснены их цифровыми аналогами, генераторами с цифровым управлением (DCO), из-за их стабильности выхода при изменении температуры во время работы. С 1990-х годов музыкальное программное обеспечение стало доминирующим методом генерации звука, хотя ГУН вновь обрели популярность, часто из-за их естественных недостатков.

Преобразователи напряжения в частоту представляют собой генераторы, управляемые напряжением с очень линейной зависимостью. между приложенным напряжением и частотой. Они используются для преобразования медленного аналогового сигнала (например, от датчика температуры) в сигнал, пригодный для передачи на большие расстояния, поскольку частота не будет дрейфовать и не будет зависеть от шума. ГУН в этом приложении могут иметь выходы синусоидальной или прямоугольной формы.

Если генератор управляет оборудованием, которое может создавать радиочастотные помехи, добавление переменного напряжения к его управляющему входу, называемое дизеринг, может рассеивать спектр помех, чтобы сделать его менее нежелательным (см. тактовый сигнал с расширенным спектром ).

• Низкочастотное колебание (LFO)
• Модульный синтезатор
• Генератор с числовым управлением (NCO)
• Генератор переменной частоты ( VFO)
• Усилитель с регулируемым усилением
• Фильтр с регулируемым усилением (VCF)

• «Конструкция VCO». Учебные страницы по любительскому радио Яна Пурди. Архивировано с оригинального 04.01.2019. Проверено 28 января 2018.
• Проектирование ГУН и буферов с использованием семейства двойных транзисторов UPA