Генератор, управляемый напряжением

Генератор , управляемый напряжением ( ГУН ), представляет собой электронный генератор , частота колебаний которого контролируется входным напряжением . Приложенное входное напряжение определяет мгновенную частоту колебаний. Следовательно, ГУН может использоваться для частотной модуляции (ЧМ) или фазовой модуляции (ФМ) путем подачи модулирующего сигнала на вход управления. ГУН также является неотъемлемой частью контура фазовой автоподстройки частоты . ГУН используются в синтезаторах для генерации формы волны , высота тона которой может регулироваться напряжением, определяемым музыкальной клавиатурой или другим входом.

Преобразователь напряжения в частоту ( ПНЧ ) — это особый тип ГУН, разработанный для обеспечения линейного управления частотой в широком диапазоне входных управляющих напряжений. ^[1]^[2]^[3]

Типы

В целом, ГУН можно разделить на две группы в зависимости от типа создаваемой формы волны. ^[4]

Линейные или гармонические осцилляторы генерируют синусоидальную волну. Гармонические осцилляторы в электронике обычно состоят из резонатора с усилителем, который компенсирует потери резонатора (чтобы предотвратить затухание амплитуды) и изолирует резонатор от выхода (чтобы нагрузка не влияла на резонатор). Некоторые примеры гармонических осцилляторов — это LC-генераторы и кварцевые генераторы .
Релаксационные генераторы 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.

Регулировка частоты

Управляемый напряжением конденсатор — один из методов изменения частоты LC-генератора в ответ на управляющее напряжение. Любой полупроводниковый диод с обратным смещением демонстрирует меру зависящей от напряжения емкости и может использоваться для изменения частоты генератора путем изменения управляющего напряжения, приложенного к диоду. Доступны специальные варакторные диоды переменной емкости с хорошо охарактеризованными широкодиапазонными значениями емкости. Варактор используется для изменения емкости (и, следовательно, частоты) LC-контура. Варактор также может изменять нагрузку на кристаллическом резонаторе и подтягивать его резонансную частоту.

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

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

Уравнения фазовой области

VCO используются в аналоговых приложениях, таких как частотная модуляция и частотная манипуляция . Функциональная зависимость между управляющим напряжением и выходной частотой для VCO (особенно тех, которые используются на радиочастотах ) может быть нелинейной, но в небольших диапазонах эта зависимость приблизительно линейна, и можно использовать линейную теорию управления. Преобразователь напряжения в частоту (VFC) — это особый тип VCO, разработанный для обеспечения высокой линейности в широком диапазоне входных напряжений.

Моделирование для VCO часто не касается амплитуды или формы (синусоида, треугольная волна, пилообразная волна), а скорее ее мгновенной фазы. По сути, фокусируется не на сигнале временной области $A sin(ωt + θ 0)$ , а на аргументе синусоидальной функции (фазе). Следовательно, моделирование часто выполняется в фазовой области.

Мгновенная частота VCO часто моделируется как линейная зависимость от его мгновенного управляющего напряжения. Выходная фаза осциллятора является интегралом мгновенной частоты.

{\begin{align}f(t)&=f_{0}+K_{0}\cdot \ v_{\text{in}}(t)\\\theta (t)&=\int _{-\infty }^{t}f(\tau )\,d\tau \\\end{align}}

$f(t)$ — мгновенная частота осциллятора в момент времени $t$ (не амплитуда сигнала)
$f_{0}$ это частота покоя генератора (не амплитуда сигнала)
$К_{0}$ называется чувствительностью генератора, или усилением. Ее единицы — герц на вольт.
$f(\тау)$ частота VCO
$\тета (т)$ выходная фаза ГУН
$v_{\text{in}}(t)$ является входным сигналом управления во временной области или напряжением настройки ГУН

Для анализа системы управления полезны преобразования Лапласа приведенных выше сигналов.

{\begin{aligned}F(s)&=K_{0}\cdot \ V_{\text{in}}(s)\\\Тета (s)&={F(s) \over s}\\\end{aligned}}

Дизайн и схемы

Диапазон настройки, усиление настройки и фазовый шум являются важными характеристиками ГУН. Как правило, в ГУН предпочтительным является низкий фазовый шум. Усиление настройки и шум, присутствующие в управляющем сигнале, влияют на фазовый шум; высокий шум или высокое усиление настройки подразумевают больший фазовый шум. Другими важными элементами, определяющими фазовый шум, являются источники фликкер-шума (шум 1/ f ) в схеме, ^[5] уровень выходной мощности и нагруженный добротный фактор резонатора. ^[6] (см. уравнение Лисона ). Низкочастотный фликкер-шум влияет на фазовый шум, поскольку 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 ).

VCO обычно имеют более низкий коэффициент добротности по сравнению с аналогичными генераторами с фиксированной частотой, и поэтому страдают от большего джиттера . Джиттер может быть достаточно низким для многих приложений (например, для управления ASIC), в этом случае VCO пользуются преимуществами отсутствия компонентов вне кристалла (дорогостоящих) или индуктивностей на кристалле (низкий выход годных на общих процессах CMOS).

LC-генераторы

Обычно используемые схемы VCO — это генераторы Клэппа и Колпитца . Более широко используемый генератор из двух — это генератор Колпитца, и эти генераторы очень похожи по конфигурации.

Кварцевые генераторы

АУправляемый напряжением кварцевый генератор (VCXO) используется для точной настройки рабочей частоты. Частота управляемого напряжением кварцевого генератора может изменяться на несколько десятков частей на миллион (ppm) в диапазоне управляющего напряжения, как правило, от 0 до 3 вольт, поскольку высокая добротность кристаллов позволяет управлять частотой только в небольшом диапазоне частот.

АТемпературно-компенсированный VCXO (TCVCXO) включает в себя компоненты, которые частично корректируют зависимость резонанснойчастотыкристалла от температуры. Меньший диапазон управления напряжением тогда достаточен для стабилизации частоты генератора в приложениях, гдетемператураменяется, например, притеплавнутрипередатчика.

Другой способ стабилизации частоты генератора — размещение генератора в печи для кристаллов при постоянной, но более высокой температуре, чем температура окружающей среды. Высокостабильные опорные генераторы часто помещают кристалл в печь и используют входное напряжение для точного управления. ^[7] Температура выбирается так, чтобы быть температурой оборота : температурой, при которой небольшие изменения не влияют на резонанс. Управляющее напряжение может использоваться для периодической регулировки опорной частоты на источник NIST . Сложные конструкции также могут регулировать управляющее напряжение с течением времени, чтобы компенсировать старение кристалла. ^{[ необходима цитата ]}

Генераторы тактовых импульсов

Тактовый генератор — это генератор, который обеспечивает тактовый сигнал для синхронизации операций в цифровых схемах. Тактовые генераторы VCXO используются во многих областях, таких как цифровое телевидение, модемы, передатчики и компьютеры. Конструктивными параметрами для тактового генератора VCXO являются диапазон напряжения настройки, 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, выход VCXO может быть пропущен через цифровые делители для получения более низких частот или подан на фазовую автоподстройку частоты (PLL). Доступны ИС, содержащие как VCXO (для внешнего кристалла), так и PLL. Типичное применение — подача тактовых частот в диапазоне от 12 кГц до 96 кГц на аудиоцифро -аналоговый преобразователь .

Синтезаторы частот

Синтезатор частот генерирует точные и регулируемые частоты на основе стабильного одночастотного тактового генератора. Цифрово управляемый генератор на основе синтезатора частот может служить цифровой альтернативой аналоговым схемам генератора, управляемого напряжением.

Приложения

ГУН используются в генераторах функций , системах фазовой автоподстройки частоты, включая синтезаторы частот, применяемые в коммуникационном оборудовании и при создании электронной музыки , для генерации переменных тонов в синтезаторах .

Генераторы функций — это низкочастотные осцилляторы, которые имеют несколько форм волн, как правило, синусоидальные, квадратные и треугольные волны. Монолитные генераторы функций управляются напряжением.

Аналоговые фазовые автоподстройки частоты обычно содержат VCO. Высокочастотные VCO обычно используются в фазовых автоподстройках частоты для радиоприемников. Фазовый шум является наиболее важной спецификацией в этом приложении. ^{[ необходима цитата ]}

VCO аудиочастоты используются в аналоговых музыкальных синтезаторах. Для них диапазон развертки, линейность и искажение часто являются наиболее важными характеристиками. VCO аудиочастоты для использования в музыкальных контекстах были в значительной степени вытеснены в 1980-х годах их цифровыми аналогами, цифровыми управляемыми осцилляторами (DCO), из-за их выходной стабильности в условиях изменения температуры во время работы. С 1990-х годов музыкальное программное обеспечение стало доминирующим методом генерации звука.

Преобразователи напряжения в частоту — это генераторы, управляемые напряжением, с высоколинейной зависимостью между приложенным напряжением и частотой. Они используются для преобразования медленного аналогового сигнала (например, от датчика температуры) в сигнал, подходящий для передачи на большие расстояния, поскольку частота не будет дрейфовать или подвергаться влиянию шума. Генераторы в этом приложении могут иметь выходы в виде синусоидальной или прямоугольной волны.

Если генератор управляет оборудованием, которое может генерировать радиочастотные помехи, добавление переменного напряжения к его управляющему входу, называемое дизерингом, ^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]^[13]^{[ чрезмерное цитирование ]} может рассеять спектр помех, сделав его менее нежелательным (см. тактовый генератор с расширенным спектром ).

Смотрите также

Ссылки

^ Годзе, Атул П.; Бакши, У.А. (2009). Линейные интегральные схемы и их применение. Технические публикации. стр. 497. ISBN 978-8189411305.
^ Дросг, Манфред; Стойрер, Майкл Мортен (2014). Разбираемся с электроникой. Вальтер де Грюйтер ГмбХ. стр. 4.5.3. ISBN 978-3110385625.
^ Salivahanan, S. (2008). Линейные интегральные схемы. Tata McGraw-Hill Education. стр. 515. ISBN 978-0070648180.
^ Electrical4U. "Управляемый напряжением генератор | VCO | Electrical4U". Electrical4U . Получено 22.04.2021 .{{cite news}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Широкополосный VCO от Herley - General Microwave - "Для оптимальной производительности активным элементом является кремниевый биполярный транзистор. (Вместо GaAs FET, которые обычно демонстрируют на 10-20 дБ худшие характеристики фазового шума)" Архивировано 8 марта 2012 г. на Wayback Machine
^ Ри, Рэндалл В. (1997), Проектирование осцилляторов и компьютерное моделирование (второе издание), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052415-7
^ Например, опорный генератор HP/Agilent 10811
^ "Частотная модуляция системных тактовых сигналов для снижения электромагнитных помех" (PDF) . hpl.hp.com . HP . Получено 23 января 2020 г. .
^ "Снижение электромагнитных помех с помощью сглаживания частот с расширенным спектром". incompliancemag.com . Та же страница . Получено 23 января 2020 г.
^ "Генератор – программируемый резистор с расширенным спектром". www.planetanalog.com . Planet Analog . Получено 23 января 2020 г. .
^ "Frequency Dithering With the UCC28950 and TLV3201". Отчет по применению TI . SLUA646. frequency-dithering-with-the-ucc28950-and-tlv3201-1339689710.pdf: TI. Май 2012.{{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
^ Белл, Боб. «Изменение рабочей частоты преобразователя мощности для снижения пиковых выбросов» (PDF) . m.eetcom . EE Times . Получено 23 января 2020 г. .
^ "Схема подмешивания частоты предварительного регулятора PFC" (PDF) . www.ti.com . TI . Получено 23 января 2020 г. .

Внешние ссылки

"Проектирование VCO". Страницы руководства по любительскому радио Яна Пурди . Архивировано из оригинала 2019-01-04 . Получено 2018-01-28 .
Проектирование ГУН и буферов с использованием семейства двойных транзисторов UPA