电压控制振荡器(VCO)

一些无线应用需要可调谐类型的振荡器,输出频率是输入的函数。最常见的是电压信号用作控制输入以改变输出频率。这些类型的振荡器称为电压控制的振荡器或简单的VCO。

最常见的是这些被用于脉冲调制器(AM),频率调制器(FM)和锁相环。频率通过电子控制谐振电路RLC的电压依赖性电容来改变。让我们简要地讨论一下这个概念。

VCO中的频率控制

压控振荡器有很多种形式,可以是LC或晶体振荡器,也可以是RC振荡器或多谐振荡器。下图说明了VCO的基本操作。

RC振荡器的振荡频率与电容成反比(f = 1 / (2πRC)), LC振荡器的振荡频率为1 / (2π√LC)。因此,当反向或控制电压增加时,电容减小。因此,控制电压的增加增加了振荡的频率,反之亦然。

VCO中的频率控制

在上图中,在标称控制电压Vc处以其正常或自由运行频率运行的振荡器。频率随着标称值高于标称值的控制电压的增加,并且频率降低随着标称电压以下的Vc减小。

为了实现这种变电压、变电容二极管和变容二极管,它们可用于不同的电容范围。替代方法,如改变电容器充电率,借助电压控制电流源实现低频振荡器。

电压控制振荡器的类型

压控振荡器按产生的波形类型分为谐振振荡器和弛豫振荡器两类。

谐波振荡器

谐波或线性电压控制振荡器产生正弦输出波形。晶体和LC振荡器是这种VCO的示例。在该VCO中,二极管两端的电压会改变变容二极管的电容。因此,变容仪改变LC电路的电容,从而频率变化。

在电源方面,与弛豫振荡器相比,这些振荡器的温度和噪声频率稳定性要好得多。但是这种振荡器的缺点是它不能很容易地在单片集成电路上实现。

张弛振荡器

这些VCO用于生成三角形或锯齿波形。这些可以在单片IC上轻松实现,可以在各种频率上进行可调。这些振荡器再次分为发射器耦合VCO,接地电容VCO和延迟的环VCO。

VCO最常见的用途有两种形式,即VCO作为不稳定的多谐振荡器和VCO作为施密特触发器。

在多谐振荡器VCO不稳定的情况下,多谐振荡器两侧的电容充电电流与外部输入电压成正比。根据电容值在多谐振荡器频率范围内进行选择。

方波是这种类型的振荡器的输出。该方案在运行中简单,较低昂贵,并且具有低电源电流的工作。

VCO的另一种常见形式基本上是由比较器、积分器、开关和施密特触发器组成的。定时电容通过VCO IC内部的缓冲器在一个确定的电压范围内充电,这个充电电流与调制电压成正比。

一旦达到阈值,电容停止充电并开始放电。因此,充电和放电的循环产生周期性的输出,而不是方形的形式。

压控振荡器的工作原理

使用不同的电压控制电子元件,如晶体管、变容二极管、运放等,可以做出各种各样的电路设计来实现电压控制振荡器。下图显示了一个使用不稳定多谐振荡器的简单电压控制振荡器。

在这个过程中,一个时间常数电阻R1和R2被带到外部控制线V上控制.C1和C2通过R1和R2排出的电压随V的变化而变化控制电压。因此,放电速度随V的增大而增大控制

这种安排改变了晶体管基极必须上升或下降的基极电压。因此,通过这些RC元件和tun ON或OFF晶体管改变了输出振荡的工作频率。

使用稳定多谐振荡器的简单电压控制振荡器

电压控制振荡器的另一种电路形式如下所示,它是由两个运算放大器实现的。它在输出端产生方波,其频率由控制电压决定。第一个运放作为积分器工作。

控制电压在输入端子处施加,并且由于分压器布置,控制电压的一半施加在第一OP-AMP的正端子处。而且,在负端子处,电压保持在相同的水平,以便将r1上的电压降保持在控制电压的一半。

当MOSFET接通时,来自电阻器R1的电流流过MOSFET。现在转换为电流信号的电压为电容器充电。因此,要采取此电流,第一个OP-AMP必须提供稳定上升的输出电压。

当MOSFET关闭时,电流从R1流动,因此放电电容器。因此,从第一个OP-AMP下降输出电压是必需的。因此,第一OP-AMP的输出是三角波形。

第二运放作为施密特触发器工作,它接受来自第一运放的三角波作为输入。当输入电压高于阈值电平时,输出Vcc,如果输入低于阈值电平,输出为零。因此在输出端产生方波输出。

压控振荡器的工作原理

使用LM566的电压控制振荡器

LM566是一种电压控制振荡器IC单元,其内部电路构建,以产生由外部电容器和电阻的频率设定或调节的三角形和方波信号,然后具有DC电压。

下图显示了LM566 IC的框图,其中电流源充电并以电阻R1设置的速率将外部电容器放电,并且还控制DC输入电压。为了在充电和放电之间切换电容,使用Schmitt触发电路如图所示。

通过缓冲放大器输出由施密特触发器产生的方波电压和电容上的三角电压。

566集成电路框图

锁相环路

压控振荡器是锁相环的重要构建块。相位时钟循环是许多数字和模拟应用中使用的模拟构建块。这些用于许多数字和通信系统中的时钟恢复,也用作电视和无线通信系统中的频率合成器,以选择各种频道。

PLL以这样的方式操作,即电压控制振荡器的频率和相位与第二参考信号同步。它是由电压控制振荡器,低通滤波器和相位检测器组成的电子电路,如图所示。它能够通过传入信号同步或锁定。

锁相环路

每当输入信号的频率改变时,相位比较器将输入的频率与振荡器输出信号的频率进行比较并产生相位差信号。

该输出被低通滤波器过滤,产生滤波器输出为V控制为了控制VCO的频率直到频率和相位差变为零。此时,PLL锁定或同步到输入频率。PLL主要用于频率合成和频率调制应用。

VCO的应用

  • 语气发电机
  • 函数发生器
  • 锁相环
  • 在合成器中为电子音乐的生产产生可变音调
  • 在通信设备中,它们被用作频率合成器
  • 时钟发电机
  • 频移键控

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