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Oscilador controlado por voltaje

Un oscilador controlado por voltaje de microondas (12–18 GHz) Un oscilador controlado por voltaje ( VCO ) es un oscilador electrónico cuya frecuencia de oscilación se controla...

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 Un oscilador controlado por voltaje de microondas (12–18 GHz)

Un oscilador controlado por voltaje ( VCO ) es un oscilador electrónico cuya frecuencia de oscilación se controla mediante una entrada de voltaje . El voltaje de entrada aplicado determina la frecuencia de oscilación instantánea. Por consiguiente, un VCO puede utilizarse para la modulación de frecuencia (FM) o la modulación de fase (PM) aplicando una señal moduladora a la entrada de control. Un VCO también forma parte integral de un bucle de enganche de fase (PLL) . 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.

Un convertidor de voltaje a frecuencia ( VFC ) es un tipo especial de VCO diseñado para ser muy lineal en el control de frecuencia en un amplio rango de voltajes de control de entrada. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Tipos

Los VCO se pueden clasificar generalmente en dos grupos según el tipo de forma de onda que producen. [ 4 ]

  • Los osciladores lineales o armónicos generan una forma de onda sinusoidal. En electrónica, los osciladores armónicos suelen constar de un resonador con un amplificador que compensa las pérdidas del resonador (para evitar la disminución de la amplitud) y aísla el resonador de la salida (de modo que la carga no lo afecte). Algunos ejemplos de osciladores armónicos son los osciladores LC y los osciladores de cristal .
  • Los osciladores de relajación pueden generar una forma de onda de diente de sierra o triangular. Se utilizan comúnmente en circuitos integrados (CI). Pueden proporcionar un amplio rango de frecuencias operativas con un número mínimo de componentes externos.

Control de frecuencia

Esquema de un oscilador controlado por voltaje de audiofrecuencia.

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 polarizado inversamente presenta una capacitancia dependiente del voltaje y puede usarse para cambiar la frecuencia de un oscilador variando un voltaje de control aplicado al diodo. Existen diodos varactores de capacitancia variable para usos especiales con valores de capacitancia bien caracterizados y de amplio rango. Un varactor se usa para cambiar la capacitancia (y, por lo tanto, la frecuencia) de un circuito resonante LC. Un varactor también puede cambiar la carga de un resonador de cristal y modificar su frecuencia de resonancia.

El mismo efecto se produce con transistores bipolares , como describió Donald [ 5 ] E. Thomas en Bell Labs en 1954: con un circuito tanque conectado al colector y la señal de audio moduladora aplicada entre el emisor y la base, se crea un transmisor FM de un solo transistor. [ 6 ] Thomas trabajó con un transistor de contacto puntual , pero el efecto también funciona en transistores de unión ; las aplicaciones incluyen micrófonos inalámbricos como el patentado por Raymond A. Litke en 1964. [ 7 ]

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) (véase generador de funciones ).

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

Ecuaciones en el dominio de fase

Los VCO se utilizan en aplicaciones analógicas como la modulación de frecuencia y la conmutación por desplazamiento de frecuencia . La relación funcional entre la tensión de control y la frecuencia de salida de un VCO (especialmente los utilizados en radiofrecuencia ) puede no ser lineal, pero en rangos pequeños, la relación es aproximadamente lineal, y se puede utilizar la teoría de control lineal. Un convertidor de tensión a frecuencia (VFC) es un tipo especial de VCO diseñado para ser muy lineal en un amplio rango de tensiones de entrada.

El modelado de VCOs a menudo no se centra en la amplitud ni en la forma (onda sinusoidal, triangular, diente de sierra), sino en su fase instantánea. En efecto, el enfoque no está en la señal en el dominio del tiempo A sin( ω t + θ 0 ) , sino en el argumento de la función seno (la fase). Por consiguiente, el modelado se suele realizar en el dominio de la fase.

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

F(t)=F0+K0⋅ ven(t)θ(t)=∫−∞tF(τ)dτ{\displaystyle {\begin{aligned}f(t)&=f_{0}+K_{0}\cdot \ v_{\text{in}}(t)\\\theta (t)&=\int _{-\infty }^{t}f(\tau )\,d\tau \\\end{aligned}}}
  • F(t){\displaystyle f(t)}es la frecuencia instantánea del oscilador en el instante t (no la amplitud de la forma de onda)
  • F0{\displaystyle f_{0}}es la frecuencia de reposo del oscilador (no la amplitud de la forma de onda)
  • K0{\displaystyle K_{0}}Se denomina sensibilidad o ganancia del oscilador. Sus unidades son hercios por voltio.
  • F(τ){\displaystyle f(\tau )}es la frecuencia del VCO
  • θ(t){\displaystyle \theta (t)}es la fase de salida del VCO
  • ven(t){\displaystyle v_{\text{en}}(t)}es la entrada de control en el dominio del tiempo o voltaje de sintonización del VCO

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

F(s)=K0⋅ Ven(s)Θ(s)=F(s)s{\displaystyle {\begin{aligned}F(s)&=K_{0}\cdot \ V_{\text{in}}(s)\\\Theta (s)&={F(s) \over s}\\\end{aligned}}}

Diseño y circuitos

El rango de sintonización, la ganancia de sintonización y el ruido de fase son características importantes de un VCO. Generalmente, se prefiere un bajo ruido de fase 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, [ 8 ] el nivel de potencia de salida y el factor Q cargado del resonador. [ 9 ] (ver ecuación de Leeson ). El ruido de parpadeo de baja frecuencia afecta el ruido de fase porque el ruido de parpadeo se heterodina a 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 linealiza 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, por lo que sufren mayor fluctuación (jitter ). Esta fluctuación se puede reducir lo suficiente para muchas aplicaciones (como el control de un ASIC), en cuyo caso los VCO disfrutan de las ventajas de no tener componentes externos (costosos) ni inductores integrados (con bajos rendimientos en los procesos CMOS genéricos).

osciladores LC

Los circuitos VCO más utilizados son los osciladores Clapp y Colpitts . El más común de los dos es el Colpitts, y ambos osciladores son muy similares en configuración. En transmisores y receptores de radio integrados , los osciladores LC de acoplamiento cruzado se utilizan ampliamente debido a su señal de salida diferencial, que ofrece ventajas sobre las topologías tradicionales de terminación simple, como los osciladores Clapp y Colpitts. [ 10 ]

osciladores de cristal

Circuito integrado generador de reloj VCXO de 27  MHz (TLSI T73227), utilizado en un decodificador DVB-T .

AEl 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 en unas pocas decenas de partes por millón (ppm) en un rango de voltaje de control que suele ser de 0 a 3 voltios, debido a que el alto factor Q de los cristales permite el control de frecuencia solo en un pequeño rango de frecuencias.

Un  TCVCXO de 26 MHz

AEl oscilador de cristal controlado por voltaje con compensación de temperatura (TCVCXO) incorpora componentes que corrigen parcialmente la dependencia de lafrecuencia de resonanciadel cristal con respecto a la temperatura. De esta manera, un rango de control de voltaje menor es suficiente para estabilizar la frecuencia del oscilador en aplicaciones dondela temperaturavaría, comode calordentro de untransmisor.

Colocar el oscilador en un horno de cristal a una temperatura constante, pero superior a la ambiente, es otra forma de estabilizar su frecuencia. Los osciladores de cristal de alta estabilidad suelen colocar el cristal en un horno y utilizar una entrada de voltaje para un control preciso. [ 11 ] La temperatura se selecciona como la temperatura de transición : aquella en la que pequeños cambios no afectan la resonancia. El voltaje de control puede utilizarse para ajustar ocasionalmente la frecuencia de referencia a una fuente NIST . Los diseños más 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 el funcionamiento de circuitos digitales. Los generadores de reloj VCXO se utilizan en diversos ámbitos, como la televisión digital, módems, transmisores y ordenadores. Los parámetros de diseño de un generador de reloj VCXO incluyen el rango de tensión de sintonización, la frecuencia central, el rango de sintonización de frecuencia y la fluctuación de fase (jitter) de la señal de salida. La fluctuación de fase es un tipo de ruido de fase que debe minimizarse en aplicaciones como receptores de radio, transmisores y equipos de medición.

Cuando se requiere una mayor variedad de frecuencias de reloj, la salida del VCXO puede conectarse a través de circuitos divisores digitales para obtener frecuencias más bajas o a un bucle de enganche de fase (PLL). Existen circuitos integrados que contienen tanto un VCXO (para cristal externo) como un PLL. Una aplicación típica consiste en proporcionar frecuencias de reloj en un rango de 12 a 96  kHz a un convertidor digital-analógico de audio .

Sintetizadores de frecuencia

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

Aplicaciones

El Korg Monologue es un sintetizador monofónico con dos VCO (osciladores controlados por voltaje).

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

Los generadores de funciones son osciladores de baja frecuencia que presentan múltiples formas de onda, típicamente sinusoidales, cuadradas y triangulares. Los generadores de funciones monolíticos se controlan mediante voltaje.

Los bucles de enganche de fase analógicos suelen contener VCOs. Los VCOs de alta frecuencia se utilizan habitualmente en bucles de enganche de fase para receptores de radio. El ruido de fase es la especificación más importante en esta aplicación.

Los VCO de audiofrecuencia se utilizan en sintetizadores musicales analógicos. Para estos, el rango de barrido, la linealidad y la distorsión suelen ser las especificaciones más importantes. En la década de 1980, los VCO de audiofrecuencia utilizados en contextos musicales fueron reemplazados en gran medida por sus contrapartes digitales, los osciladores controlados digitalmente (DCO), debido a su estabilidad de salida ante cambios de temperatura durante el funcionamiento. Desde la década de 1990, el software musical se ha convertido en el método dominante de generación de sonido.

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 varía ni se ve afectada por el ruido. Los osciladores en esta aplicación pueden tener salidas de onda sinusoidal o cuadrada.

Cuando el oscilador controla equipos que pueden generar interferencias de radiofrecuencia, agregar un voltaje variable a su entrada de control, llamado dithering , [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] puede dispersar el espectro de interferencia para hacerlo menos objetable (ver reloj de espectro ensanchado ).

Véase también

Referencias

  1. ↑ Godse, Atul P.; Bakshi, UA (2009). Circuitos integrados lineales y aplicaciones . Publicaciones técnicas. pág.  497. ISBN 978-8189411305.
  2. ^ Drosg, Manfred; Steurer, Michael Morten (2014). Tratando con la Electrónica . Walter de Gruyter GmbH. págs. 4.5.3. ISBN  978-3110385625.
  3. ↑ Salivahanan, S. (2008). Circuitos integrados lineales . Tata McGraw-Hill Education. pág. 515. ISBN  978-0070648180.
  4. ↑ Electrical4U. "Oscilador controlado por voltaje | VCO | Electrical4U" . Electrical4U . Consultado el 22 de abril de 2021 .{{cite news}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  5. ↑ «DE Tomás» . IEEE Xplorar . Consultado el 15 de enero de 2025 .
  6. ↑ Thomas, DE (febrero de 1954). "Transmisor FM de un solo transistor" (PDF) . Electronics . 27 (2). McGraw-Hill: 130–133 . Consultado el 14 de enero de 2025 .
  7. ↑ Patente estadounidense 3134074 , Ray A. Litke, "Transmisor de micrófono con antena tipo solapa", emitida el 19 de mayo de 1964, asignada a Vega Electronics Corporation. 
  8. ↑ VCO de banda ancha de Herley - General Microwave - "Para un rendimiento óptimo, el elemento activo utilizado es un transistor bipolar de silicio. (Esto sustituye a los FET de GaAs, que suelen presentar un rendimiento de ruido de fase entre 10 y 20 dB inferior)". Archivado el 8 de marzo de 2012 en Wayback Machine.
  9. ↑ Rhea, Randall W. (1997), Diseño de osciladores y simulación por computadora (Segunda edición), McGraw-Hill, ISBN  0-07-052415-7
  10. ↑ Andreani, Pietro; Bevilacqua, Andrea (2021). "Osciladores armónicos en CMOS: descripción general del tutorial" . Revista abierta IEEE de la sociedad de circuitos de estado sólido . 1 : 2– 17. Código Bib : 2021IOJSS...1....2A . doi : 10.1109/OJSSCS.2021.3109854 . hdl : 11577/3405060 . ISSN 2644-1349 . 
  11. ↑ Por ejemplo, un oscilador de referencia HP/Agilent 10811
  12. ↑ "Modulación de frecuencia de los relojes del sistema para la reducción de EMI" (PDF) . hpl.hp.com . HP. Archivado del original (PDF) el 25 de enero de 2020. Consultado el 23 de enero de 2020 .
  13. ↑ "Reducción de EMI mediante tramado de frecuencia de espectro ensanchado" . incompliancemag.com . Same Page Publishing. Julio de 2018. Consultado el 23 de enero de 2020 .
  14. ↑ "Oscilador – resistencia programable de espectro ensanchado" . www.planetanalog.com . Planet Analog. 6 de julio de 2004. Consultado el 23 de enero de 2020 .
  15. ↑ "Frequency Dithering With the UCC28950 and TLV3201". Informe de aplicación de TI . SLUA646. frequency-dithering-with-the-ucc28950-and-tlv3201-1339689710.pdf: TI. Mayo de 2012.{{cite journal}}: CS1 mantenimiento: ubicación ( enlace )
  16. ↑ Bell, Bob. "Diferenciar la frecuencia de funcionamiento de un convertidor de potencia para reducir las emisiones máximas" (PDF) . m.eetcom . EE Times . Consultado el 23 de enero de 2020 .
  17. ↑ "Circuito de fluctuación de frecuencia del preregulador PFC" (PDF) . www.ti.com . TI . Consultado el 23 de enero de 2020 .
  • "Diseño de VCO" . Páginas de tutoriales de radioaficionados de Ian Purdie . Archivado del original el 4 de enero de 2019. Consultado el 28 de enero de 2018 .
  • Diseño de VCO y buffers utilizando la familia de transistores duales UPA. Archivado el 19 de agosto de 2019 en Wayback Machine.