Jänniteohjattujen oskillaattorien (VCO) perusteet, valinta ja käyttö

Monissa elektroniikan käyttökohteissa signaalin taajuutta täytyy pystyä muuttamaan toisen signaalin amplitudin mukaan. Signaalin taajuusmodulaatio on tästä hyvä esimerkki: siinä kantoaallon taajuus vaihtelee modulointilähteen amplitudin mukaan. Myös vaihelukitussa silmukassa (PLL) ohjausjärjestelmä muuttaa oskillaattorin taajuutta ja/tai vaihetta tuloviitesignaalin taajuuden/vaiheen mukaiseksi.

Suunnittelijat pyrkivät ratkaisemaan, miten tämä voidaan tehdä mahdollisimman tehokkaasti ja edullisesti ilman, että tarkkuus, luotettavuus ja vakaus kärsivät ajan mittaan ja eri lämpötiloissa.

Jänniteohjatut oskillaattorit (voltage controlled oscillator, VCO) hoitavat juuri tätä tehtävää. Ne on suunniteltu tuottamaan lähtösignaali, jonka taajuus vaihtelee tulosignaalin jännitteen amplitudin mukaan tietyllä taajuusalueella. Niitä käytetään vaihelukituissa silmukoissa, taajuus- ja vaihemodulaattoreissa, tutkissa ja monissa muissa elektroniikkajärjestelmissä.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miksi VCO:t sopivat näihin tehtäviin usein muita vaihtoehtoja paremmin. Sen jälkeen kuvaillaan lyhyesti VCO-piirien toimintaperiaatetta ja suunnittelua erilliskomponenteista aina monoliittisiin integroituihin VCO-mikropiireihin asti. Lisäksi artikkelissa käsitellään VCO-piirien määrittelyä tiettyihin käyttökohteisiin. Esimerkkinä käytetään useiden valmistajien tosielämän esimerkkejä yrityksiltä Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions ja Crystek Corporation.

Mitä VCO tekee?

Kuten edellä todettiin, monissa elektroniikan käyttökohteissa signaalin taajuutta tai vaihetta täytyy pystyä ohjaamaan toisen signaalin amplitudin perusteella. Tyypillisiä käyttökohteita ovat esimerkiksi tiedonsiirtojärjestelmät, tutkan CHIRP-äänipulssit, vaiheen seuranta vaihelukituissa silmukoissa sekä esimerkiksi auton lukituksen kauko-ohjaimessa käytettävät taajuushyppelyratkaisut (kuva 1).

Kuva 1: Esimerkkejä sovelluksista, joissa taajuutta tai vaihetta täytyy pystyä muuttamaan tulosignaalin jännitteen mukaan, ovat esimerkiksi taajuusmodulaatio tiedonsiirtojärjestelmissä (ylin), tutkan CHIRP-taajuuspulssit (toinen ylhäältä), vaiheen seuranta vaihelukituissa silmukoissa (kolmas ylhäältä) sekä esimerkiksi auton lukituksen kauko-ohjaimessa käytettävät taajuushyppelyratkaisut (alin). (Kuvan lähde: DigiKey)

VCO:t on suunniteltu tuottamaan lähtösignaali, jonka taajuus vaihtelee tulosignaalin amplitudin mukaan tietyllä taajuusalueella.

Miten VCO:t toimivat

VCO:t voivat muodostua erilliskomponenteista tai ne voivat olla modulaarisia tai monoliittisia. Erilliskomponenteista muodostuvien VCO-piirien avulla voidaan kuitenkin oppia ymmärtämään niiden toimintaa ja tiettyjen spesifikaatioiden merkitystä. Modulaarisia ja monoliittisia ratkaisuja käsitellään lyhyesti myöhemmin tässä artikkelissa.

Erilliskomponenteista muodostuvat VCO:t tarjoavat suunnittelijoille runsaasti joustovaraa erilaisten vaatimuksien täyttämiseksi. Tämä lähestymistapa soveltuu erityisen hyvin tee-se-itse-hankkeisiin ja etenkin radioamatööritoimintaan. Niissä käytettävät ratkaisut on tarkoitettu korkeataajuisiin radioprojekteihin, ja ne perustuvat klassisiin oskillaattoreihin, mukaan lukien Hartleyn sekä Colpittsin (induktorin ja kondensaattorin yhdistelmää käyttävät) LC-oskillaattorit (kuva 2).

Kuva 2: VCO-piirien suunnitteluperustana voidaan käyttää klassisia oskillaattoreita, kuten Hartleyn ja Colpittsin LC-oskillaattoreita. (Kuvan lähde: DigiKey)

Kaikki oskillaattorit perustuvat oskillaation ylläpitämiseen positiivisen takaisinkytkennän avulla. Hartleyn ja Colpittsin oskillaattorit ovat perusmalleja, joissa positiivinen takaisinkytkentä muodostetaan eri tavoilla. Positiivinen takaisinkytkentä edellyttää oskillaattorin lähtösignaalin palauttamista tuloon siten, että vaihesiirtymä on kokonaisuudessaan 360°. Vahvistin muodostaa 180 asteen yksivaiheisen inversion, ja loput 360 asteen inversiosta muodostetaan resonanssitakkipiirin LC-osassa. Tankkipiiri määrittää oskillaation nimellistaajuuden. Sen muodostavat komponentit L1, L2 ja Ct Hartleyn oskillaattorissa sekä komponentit L1, Ct1 sekä Ct2 Colpittsin oskillaattorissa.

Hartleyn oskillaattorissa vaiheen kääntämiseen käytetään induktiivista kytkentää kuvassa esitettyjen kaksois- tai väliottoinduktiokelojen (L1 ja L2) avulla. Colpittsin oskillaattorissa käytetään vastaavassa piirissä kapasitiivista jännitteenjakajaa, joka muodostuu komponenteista Ct1 ja Ct2. Näiden perusmallien pohjalta on kehitetty useita muita versioita, joissa pyritään erottamaan tankkipiiri vahvistimesta siten, ettei kuormitus aiheuta taajuussiirtymää. Suunnittelijat voivatkin valita oman suosikkinsa näistä jatkokehitetyistä versioista.

Taajuutta ohjataan muuttamalla tankkipiirin resonanssitaajuutta kapasitanssidiodien avulla. Joskus myös varaktoriksi tai varicap-diodiksi kutsuttu kapasitanssidiodi on liitosdiodi, joka on suunniteltu siten, että sen kapasitanssia voi säätää. PN-liitos on estosuunnassa, ja diodin kapasitanssia voidaan säätää muuttamalla DC-esijännitettä. Kapasitanssidiodin kapasitanssi on kääntäen verrannollinen DC-esijännitteeseen. Mitä korkeampi estosuunnan esijännite on, sitä leveämmäksi diodin tyhjennysalue muodostuu ja sitä alhaisempi kapasitanssi on. Tämä muutos näkyy graafisesti erittäin jyrkkää siirtymävyöhykettä käyttävän Skyworks Solutions SMV1232-079LF ‑varaktorin kapasitanssin ja estojännitteen kuvaajassa (kuva 3). Tämän diodin kapasitanssi on 4,15 pikofaradia (pF) nollajännitteellä ja 0,96 pF 8 voltin jännitteellä.

Kuva 3: Skyworks Solution SMV1232 ‑varaktorin jännitteen ja kapasitanssin välinen kuvaaja osoittaa selvästi, että kapasitanssi on kääntäen verrannollinen DC-esijännitteeseen. (Kuvan lähde: Skyworks Solutions)

Kapasitanssidiodin kapasitanssialue määrää VCO:n säätöalueen. Oskillaattorin jänniteohjaus toteutetaan kytkemällä varaktori rinnakkain tankkipiiriin kanssa (ks. kuva 4). Kuvassa on VCO-referenssisuunnitelman (Colpittsin oskillaattori) arviointialusta, jonka keskitaajuus on 1 gigahertsiä (GHz) ja säätöalue noin 100 megahertsiä (MHz). Siihen kuuluu emitteriseuraajapuskuri, jolla VCO erotetaan kuorman vaihtelusta. Tämän kuvan resonanssitankkipiiriin kuuluvat induktiokela L3 sekä kondensaattorit C4, C7 ja C8. Kapasitanssidiodi VC1 on kytketty tankin kanssa rinnakkain. C4-kondensaattori määrittää taajuusvaihtelun valitulle kapasitanssidiodille, ja C7 ja C8 huolehtivat takaisinkytkennästä, jolla oskillaatiota pidetään yllä.

Kuva 4: VCO-referenssisuunnitelman (Colpittsin oskillaattori) arviointialusta, jonka keskitaajuus on 1 GHz ja säätöalue noin 100 MHz. Kapasitanssidiodi VC1 (alhaalla vasemmalla) on kytketty rinnakkain tankin kanssa, johon kuuluvat induktiokela L3 sekä kondensaattorit C4, C7 ja C8. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Kapasitanssidiodien ja bipolaaritransistorien valinta riippuu oskillaattorin taajuudesta. Jos nimellistaajuus on 1 GHz, voidaan käyttää RF-transistoreja, kuten NXP Semiconductor ‑yrityksen BFU520WX tai Infineon Technologies ‑yrityksen BFP420FH6327XTSA1. BFU520WX:n rajataajuus on 10 GHz ja vahvistus 18,8 desibeliä (dB), ja BFP420FH6327XTSA1:n rajataajuus on 25 GHz ja vahvistus 19,5 dB. Molempien vahvistus-kaistaleveystulo on riittävä tälle 1 GHz:n taajuutta käyttävälle piirille .

Yhteenvetona voidaan todeta, että erilliskomponenteista muodostuva VCO tarjoaa joustavimmat suunnittelumahdollisuudet, mutta ne ovat kooltaan suurempia ja vievät piirilevystä enemmän tilaa kuin modulaariset tai monoliittiset laitteet.

VCO-piirien määrittely

VCO-piirien tärkein määrittely lähtee yleensä nimellistaajuusalueesta eli saavutettavissa olevista minimi- ja maksimitaajuuksista. Määrittely voi perustua myös nimellis- tai keskitaajuuteen sekä säätöalueeseen.

Tulopuolen säätöjännitealue vastaa tulojännitevaihtelua, jota VCO:n koko säätöalueen saavuttamiseen tarvitaan (kuva 5).

Kuva 5: Lähtötaajuuden säätökäyrä tulojännitteen funktiona antaa käsityksen VCO:n lineaarisuudesta lineaariseen kuvaajaan verrattuna. Lähtötaajuuden ja säätöjännitteen kulmakertoimet määrittävät säätöherkkyyden. (Kuvan lähde: DigiKey)

Säädön vahvistuksen eli herkkyyden yksikkö on MHz/voltti (V), ja se saadaan taajuus- ja jännitekäyrien kulmakertoimien suhteesta. Se kuvaa säädön lineaarisuutta. Jos VCO-piiriä käytetään ohjaussilmukassa, kuten vaihelukitussa silmukassa, säätöherkkyys vastaa VCO-komponentin vahvistusta, joka saattaa vaikuttaa ohjaussilmukan dynamiikkaan ja stabiiliuteen.

VCO:n lähtöteho määrittää annetulle impedanssikuormalle syötettävän tehon. RF-VCO-piireissä tämä impedanssi on yleensä 50 ohmia (Ω). Lähtöteho määritetään desibelimääränä suhteessa milliwattiin (mW), jolloin lähtötehon yksikkö on dBm. Myös lähtötehon tasaisuudella VCO:n taajuusalueella voi olla merkitystä.

Kuormitusvedolla tarkoitetaan kuormitusimpedanssin muutoksista johtuvaa VCO:n lähtötaajuuden muutosta (MHz huipusta huippuun). Kuorma pystytään yleensä erottamaan paremmin esimerkiksi kuvassa 4 esitetyn emitteriseuraajan kaltaisella puskurivahvistimella.

Virtalähteen työnnöllä tarkoitetaan virtalähteen syöttöjännitteen aiheuttamaa VCO:n lähtötaajuuden vaihtelua. Sen yksikkö on MHz/V.

Vaihekohina kuvaa VCO:n signaalin puhtautta. Ihanteellisen oskillaattorin taajuusspektri on kapea spektriviiva oskillaattorin taajuudella. Vaihekohina edustaa oskillaattorin ei-toivottua modulaatiota, ja se levittää spektrivastetta. Vaihekohina johtuu oskillaattoripiirin lämpenemisestä ja muista häiriölähteistä. Se ilmaistaan kantoaaltoon suhteutettuina desibeleinä hertsiä kohden (dBc/Hz). Taajuusalueen vaihekohina aiheuttaa aikatasoon ajoitusvärinää, joka ilmenee aikajaksovirheenä (TIE).

Modulaariset VCO:t

Modulaariset VCO:t edustavat piiri-integraatiossa seuraavaa ylempää tasoa. Nämä VCO:t on pakattu pieniin moduulikoteloihin, ja niitä käytetään komponenttien tapaan. Modulaariset VCO:t vievät yleensä levyltä vähemmän tilaa kuin vastaava VCO-erillistoteutus. Saatavana on laaja valikoima erilaisia lähtötaajuuksia, säätöalueita ja lähtötehotasoja. Esimerkiksi käy vaikkapa Crystek Corporationin VCO CRBV55BE-0325-0775 (kuva 6). Laitteen koko on 31,75 x 14,99 millimetriä (mm) ja korkeus 31,75 mm. Sen säätöalue 0–12 V:n syöttöjännitealueella on 325–775 MHz. Sen antotehotaso on +7 dBm (tyypillinen) ja vaihekohina -98 dBc/Hz 10 kilohertsin (kHz) taajuuspoikkeamalla sekä -118 dBc/Hz 100 kHz:n taajuuspoikkeamalla.

Kuva 6: Crystek CRBV55BE ‑VCO:n luonnospiirustukset osoittavat komponentin pienen koon (31,75 x 14,99 x 31,75 mm). (Kuvan lähde: Crystek Corporation)

Mitä tulee säädön dynamiikkaan, Crystek VCO:n tyypillinen säätöherkkyys on 45 MHz/V. Virtalähteen työntö on tyypillisesti 0,5 MHz/V ja enintään 1,5 MHz/V. Kuormitusveto on enintään 5,0 MHz huipusta huippuun.

Monoliittiset VCO:t

VCO:t voidaan toteuttaa myös monoliittisina integroituina piireinä. Monoliittisilla integroiduilla piireillä voidaan saavuttaa suurin tiheys. Monoliittiset VCO:t on modulaaristen VCO-piirien tapaan suunniteltu tietyille taajuuskaistoille. Tässä käytetään esimerkkinä Maxim Integrated -yrityksen piiriä MAX2623EUA+T. Tämä valmis VCO tarjoaa integroidun oskillaattorin ja lähtöpuskurin ja se on pakattu yhteen 8-nastaiseen mMax-koteloon (kuva 7).

Kuva 7: Maxim Integrated -yrityksen MAX2623-VCO:n lohkokaavio ja nastajärjestys. Tämä on perinteinen LC-pohjainen VCO, jossa jännitesäätöön käytetään kahta kapasitanssidiodia. Integroitu lähtöpuskurikin sisältyy 8-nastaiseen pakkaukseen. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Ratkaisu sisältää myös sirulla sijaitsevan tankki-induktiokelan ja kapasitanssidiodit. Se toimii +2,7 ... +5,5 voltin tehonsyötöllä ja tarvitsee virtaa vain 8 milliampeeria (mA). MAX2623 on yksi tuoteperheen kolmesta VCO:sta, joilla on erilaiset käyttötaajuudet. MAX2623 on suunniteltu 885–950 MHz:n alueelle, joka kattaa 902–928 MHz:n teolliseen, tieteelliseen ja lääketieteelliseen käyttöön tarkoitetun ISM-kaistan, ja sitä voidaan käyttää paikallisoskillaattorina. VCO:n antotehotaso on -3 dBm (tyypillinen) 50 ohmiin ja sen vaihekohina on -101 dBc/Hz 100 kHz:n taajuuspoikkeamalla. Säätöjännitealue on 0,4–2,4 volttia ja kuormitusveto tyypillisesti 0,75 MHz huipusta huippuun. Virtalähteen työntö on tyypillisesti 280 kHz/voltti. Kotelon koko on 3,03 x 3,05 x 1,1 mm.

Analog Devices ‑yrityksen HMC512LP5ETR on toinen esimerkki monoliittisesta VCO:sta. Tämän VCO:n taajuusalue on 9,6–10,8 GHz 2–13 voltin säätöjännitteellä. Se on tarkoitettu satelliittiviestintä-, monipisteradio- ja sotilaskäyttöön (kuva 8).

Kuva 8: Analog Devices ‑yrityksen HMC512LPETR-VCO:n lohkokaavio, jossa on esitetty integroitu kapasitanssidiodi ja oskillaattoriydin integroidulla resonaattorilla. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tämä VCO on monoliittinen mikroaaltomikropiiri (MMIC), jossa käytetään eriaineisen rajapinnan GaAs/InGaP-bipolaaritransistoreja suuren kaistanleveyden saavuttamiseksi. Antotehotaso on +9 dBm 50 Ω:n kuormaan 5 voltin tasavirtalähteellä. Vaihekohina on -110 dBc/Hz 100 kHz:n taajuuspoikkeamalla. Kuormitusveto on tyypillisesti 5 MHz huipusta huippuun. Virtalähteen työntö on tyypillisesti 30 kHz/voltti 5 voltin jännitteellä. Laite on pakattu 5 x 5 mm:n QFN-pintaliitospakkaukseen. Huomaa, että kuvan VCO:ssa on myös puoli- ja neljännestaajuuden lisälähdöt. Näitä osataajuuslähtöjä voidaan tarvittaessa käyttää vaihelukitun silmukan syntetisoijan lukitsemiseen VCO:n ensiölähdön kanssa samaan vaiheeseen tai muiden ajoitusketjun signaalien synkronointiin.

Molemmat näistä monoliittisista laitteista ovat pieniä, mikä onkin tällaisten VCO-piirien tärkein etu.

Yhteenveto

Useissa sovelluksissa vaaditaan jännitteellä säädettävää taajuutta. VCO:t täyttävät tämän tarpeen, olivatpa ne muodostettu erilliskomponenteista tai olivatpa ne modulaarisia tai monoliittisia laitteita. Niitä käytetään funktiogeneraattoreissa, vaihelukituissa silmukoissa, taajuussyntetisoijissa ja analogisissa musiikkisyntetisoijissa. Vaikka nämä laitteet ovat melko yksinkertaisia, niiden toiminta ja tärkeimmät tekniset ominaisuudet täytyy ymmärtää perusteellisesti, jotta niitä voidaan käyttää oikein. Kun nämä asiat ovat selvillä, sopivan laitteen voi valita lukuisista useiden eri toimittajien malleista.