Grundlagen spannungsgesteuerter Oszillatoren (VCOs) und wie man sie auswählt und einsetzt

Viele elektronische Anwendungen erfordern, dass die Frequenz eines Signals in Abhängigkeit von der Amplitude eines anderen Signals variiert wird. Ein gutes Beispiel ist ein frequenzmoduliertes Signal, bei dem die Frequenz eines Trägers mit der Amplitude der Modulationsquelle variiert. Betrachten Sie auch eine Phasenregelschleife (PLL): Diese verwendet ein Steuersystem, um die Frequenz und/oder Phase eines Oszillators zu variieren, um mit der Frequenz/Phase eines Eingangsreferenzsignals übereinzustimmen.

Das Ziel für Entwickler ist es, herauszufinden, wie diese Funktion so effizient und kostengünstig wie möglich ausgeführt werden kann, während gleichzeitig Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Stabilität über Zeit und Temperatur gewährleistet werden.

Dies ist die Funktion von spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCOs). Diese Bauteile sind so ausgelegt, dass sie ein Ausgangssignal erzeugen, dessen Frequenz mit der Spannungsamplitude eines Eingangssignals über einen angemessenen Frequenzbereich variiert. Sie werden in PLLs, Frequenz- und Phasenmodulatoren, Radar und vielen anderen elektronischen Systemen eingesetzt.

Dieser Artikel erklärt, warum VCOs so oft die beste Wahl eines Entwicklers für diese Funktion sind und beschreibt dann kurz die Funktionsweise von VCOs und das Design von VCOs von diskreten Bauteildesigns bis zu monolithischen VCO-ICs. Anschließend wird anhand von Beispielen aus der Praxis von verschiedenen Herstellern, darunter Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions und Crystek Corporation, erläutert, wie VCOs für bestimmte Anwendungen spezifiziert werden können .

Was ist die Aufgabe eines VCOs?

Wie bereits erwähnt, erfordern viele elektronische Anwendungen, dass die Frequenz oder Phase eines Signals in Abhängigkeit von der Amplitude eines anderen Signals variiert oder gesteuert wird. Typische Anwendungen sind Kommunikationssysteme, Frequenzchirps im Radar, Phasennachführung in PLLs und Frequenzsprunganwendungen wie z. B. bei schlüssellosen Zugangssystemen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Beispiele für Anwendungen, die Frequenz- oder Phasenänderungen erfordern, die durch eine angelegte Signalspannung gesteuert werden, sind Frequenzmodulation in Kommunikationssystemen (oben), Frequenzchirps in Radargeräten (zweitens unten), Phasenverfolgung in Phasenregelkreisen (drittens unten) und Frequenzsprunganwendungen wie schlüssellose Zugangssysteme (unten). (Bildquelle: DigiKey)

VCOs sind speziell dafür ausgelegt, ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz entsprechend der Amplitude eines Eingangssignals über einen angemessenen Frequenzbereich variiert.

Wie VCOs funktionieren

VCOs gibt es in diskreter, modularer und monolithischer Form, aber eine Diskussion über diskrete VCOs wird ein grundlegendes Verständnis dafür vermitteln, wie sie arbeiten und warum bestimmte Spezifikationen wichtig sind. Es folgt ein Überblick über modulare und monolithische Lösungen.

Durch die Verwendung eines diskreten Ansatzes für VCOs haben Entwickler eine große Flexibilität in Bezug auf die Erfüllung von kundenspezifischen Spezifikationen. Diese Vorgehensweise ist vor allem bei Hobbyprojekten üblich, insbesondere im Amateurfunk. Solche Entwürfe, die für den Betrieb in Hochfrequenz-Funkprojekten vorgesehen sind, basieren auf klassischen Oszillator-Topologien wie den Hartley- und Colpitts-Induktor-Kondensator-(LC)-Oszillatoren (Abbildung 2).

Abbildung 2: Klassische Oszillatoren, einschließlich der Hartley- und Colpitts-LC-Oszillatoren, können als Grundlage für ein VCO-Design verwendet werden. (Bildquelle: DigiKey)

Alle Oszillatoren basieren auf der Verwendung einer positiven Rückkopplung, um eine anhaltende Schwingung zu erreichen. Die Hartley- und Colpitts-Oszillatoren sind Grundkonstruktionen, die auf unterschiedliche Weise eine positive Rückkopplung erzeugen. Die positive Rückkopplung erfordert, dass das Signal am Ausgang des Oszillators mit einer Gesamtphasenverschiebung von 360° an den Eingang zurückgeführt wird. Der Verstärker liefert eine einphasige Invertierung von 180°, und die andere Hälfte der 360° kommt vom LC-Schwingkreis. Der Schwingkreis bestimmt die Nennfrequenz der Schwingung. Er besteht aus L1, L2 und Ct in der Hartley-Oszillatorschaltung und L1, Ct1 und Ct2 im Colpitts-Oszillator.

Der Hartley-Oszillator verwendet eine induktive Kopplung, um die Phasenumkehr durch eine doppelte oder angezapfte Induktivität (L1 und L2) zu erreichen, wie in der Schaltung gezeigt. Der Colpitts-Oszillator verwendet einen kapazitiven Spannungsteiler bestehend aus Ct1 und Ct2 in der jeweiligen Schaltung. Es gibt viele Designs, die von diesen Grunddesigns abgeleitet sind, jedes mit seinem eigenen Namen. Bei den abgeleiteten Designs wird versucht, den Schwingkreis vom Verstärker zu isolieren, um Frequenzverschiebungen aufgrund von Belastungen zu vermeiden. Es gibt viele solcher Derivate, aus denen Entwickler ihren Favoriten auswählen können.

Die Frequenzsteuerung wird bei diesen Designs durch den Einsatz von Varactor-Dioden ergänzt, um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu variieren. Die Varaktordiode, manchmal auch als Varicap-Diode bezeichnet, ist eine Diode mit einem Übergang, der eine variable Kapazität zur Verfügung stellt. Der P-N-Übergang ist in Sperrichtung vorgespannt und die Diodenkapazität kann durch Änderung der angelegten Gleichstromvorspannung variiert werden. Die Kapazität des Varaktors variiert umgekehrt mit der angelegten Gleichstromvorspannung: je höher die Sperrvorspannung, desto breiter der Diodenverarmungsbereich und damit desto geringer die Kapazität. Diese Variation ist im Diagramm „Kapazität vs. Sperrspannung“ für die Hyperabriss-Sperrschicht-Varaktordiode SMV1232_079LF von Skyworks Solutions zu sehen (Abbildung 3). Diese Diode hat eine Kapazität von 4,15 Picofarad (pF) bei Null Volt und 0,96 pF bei 8 Volt.

Abbildung 3: Das Spannungs-Kapazitäts-Diagramm der Varaktordiode SMV1232 von Skyworks Solution zeigt deutlich, wie die Kapazität umgekehrt mit der angelegten DC-Vorspannung variiert. (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Der Kapazitätsbereich der Varactor-Diode bestimmt den Abstimmbereich des VCOs. Die Spannungssteuerung des Oszillators wird durch Hinzufügen des Varaktors parallel zum Schwingkreis realisiert, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die Abbildung zeigt ein Evaluierungsboard-Referenzdesign eines Colpitts-Oszillator-VCO mit einer Mittenfrequenz von 1 Gigahertz (GHz) und einem Abstimmbereich von etwa 100 Megahertz (MHz). Es enthält einen Emitterfolger-Puffer, um den VCO von Lastschwankungen zu isolieren. Der Schwingkreis in diesem Design umfasst die Induktivität L3 und die Kondensatoren C4, C7 und C8. Die Varaktordiode, VC1, ist parallel zum Schwingkreis geschaltet. Der Kondensator C4 steuert den Bereich der Frequenzvariation für eine bestimmte Varaktorauswahl, während C7 und C8 die erforderliche Rückkopplung zur Aufrechterhaltung der Oszillation liefern.

Abbildung 4: Ein Evaluierungsboard-Referenzdesign eines Colpitts-Oszillator-VCO mit einer Mittenfrequenz von 1 GHz und einem Abstimmbereich von etwa 100 MHz. Die Varactor-Diode VC1 (unten links) ist parallel zum Schwingkreis geschaltet, der aus der Induktivität L3 und den Kondensatoren C4, C7 und C8 besteht. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Die Wahl der Varaktoren und der bipolaren Sperrschichttransistoren hängt von der Frequenz des Oszillators ab. Für Nennfrequenzen von 1 GHz können HF-Transistoren wie der BFU520WX von NXP Semiconductor oder der BFP420FH6327XTSA1 von Infineon Technologies verwendet werden. Der BFU520WX hat eine Übergangsfrequenz von 10 GHz und eine Verstärkung von 18,8 Dezibel (dB), der BFP420FH6327XTSA1 hat eine Übergangsfrequenz von 25 GHz mit einer Verstärkung von 19,5 dB. Beide haben ein ausreichendes Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt für diese Schaltung bei 1 GHz.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diskrete VCOs maximale Design-Flexibilität bieten, aber größer sind und mehr Platz auf der Leiterplatte einnehmen als modulare oder monolithische Geräte.

Spezifizierung von VCOs

Die wichtigsten VCO-Spezifikationen beginnen in der Regel mit dem Nennfrequenzbereich, d. h. den minimal und maximal erreichbaren Frequenzen. Alternativ können sie auch als Nenn- oder Mittenfrequenz und als Abstimmbereich angegeben werden.

Der Eingangsabstimmspannungsbereich entspricht dem Eingangsspannungshub, der den VCO über den Abstimmbereich abstimmt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Diagramm der Abstimmungskurve der Ausgangsfrequenz als Funktion der Eingangsabstimmspannung bietet einen grundlegenden Überblick über die Linearität des VCOs im Vergleich zu einer linearen Anpassung. Die Steigung der Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit von der Abstimmspannung ist die Abstimmempfindlichkeit. (Bildquelle: DigiKey)

Die Abstimmverstärkung oder Empfindlichkeit, gemessen in Einheiten von MHz/V, ist die Steigung des Frequenz-Spannungs-Diagramms. Sie ist ein Maß für die Linearität der Abstimmung. Bei Anwendungen, bei denen der VCO in einer Regelschleife liegt, wie z. B. bei einer PLL, ist die Abstimmungsempfindlichkeit die Verstärkung des VCO-Elements und kann die Dynamik und Stabilität der Regelschleife beeinflussen.

Die Ausgangsleistung des VCOs gibt die Leistung an, die an eine Last mit spezifizierter Impedanz abgegeben wird, normalerweise 50 Ohm (Ω) für HF-VCOs. Die Ausgangsleistung wird in dB angegeben, bezogen auf 1 Milliwatt (mW) (dBm). Die Flachheit der Ausgangsleistung über den Frequenzbereich des VCOs kann ebenfalls von Interesse sein.

Der Lastzug ist die Änderung der Ausgangsfrequenz des VCOs aufgrund von Änderungen der Lastimpedanz, gemessen in MHz von Spitze zu Spitze (pk-pk). Die Lastisolation wird in der Regel durch die Verwendung eines Pufferverstärkers wie dem in Abbildung 4 gezeigten Emitterfolger verbessert.

Versorgungsspannungsschub ist die Variation der VCO-Ausgangsfrequenz aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung. Sie wird in MHz/V gemessen.

Die Angabe des Phasenrauschens ist ein Indikator für die Signalreinheit des VCOs. Ein idealer Oszillator hat ein Frequenzspektrum, das eine schmale Spektrallinie bei der Frequenz des Oszillators ist. Das Phasenrauschen stellt eine unerwünschte Modulation des Oszillators dar und verbreitert den spektralen Verlauf. Das Phasenrauschen ist das Ergebnis von thermischen und anderen Rauschquellen innerhalb des Oszillatorschaltkreises und wird in Dezibel unter dem Träger pro Hertz (dBc/Hz) angegeben. Phasenrauschen im Frequenzbereich führt zu Timing-Jitter im Zeitbereich, der sich als Zeitintervallfehler (TIE) manifestiert.

Modulare VCOs

Modulare VCOs stellen die nächsthöhere Stufe der Schaltungsintegration dar. Diese VCOs sind in einem kleinen modularen Gehäuse untergebracht und werden wie eine Komponente verwendet. Modulare VCOs bieten im Allgemeinen eine höhere Packungsdichte als eine diskrete Implementierung eines VCOs. Sie sind in einer Reihe von Ausgangsfrequenzen, Abstimmbereichen und Leistungsstufen erhältlich. Ein Beispiel ist der VCO CRBV55BE-0325-0775 der Crystek Corporation (Abbildung 6). Diese Komponente misst 1,25 x 0,59 Zoll (in.) (31,75 x 14,99 Millimeter (mm)) mit einer Höhe von 1,25 Zoll und hat einen Abstimmbereich von 325 bis 775 MHz für einen Eingangsspannungsbereich von 0 bis 12 Volt. Sie bietet einen Ausgangsleistungspegel von +7 dBm (typisch) mit einem Phasenrauschen von -98 dBc/Hz bei 10 Kilohertz (kHz) Offset vom Träger und -118 dBc/Hz bei 100 kHz.

Abbildung 6: Umrisszeichnungen für den VCO CRBV55BE von Crystek, die seinen kompakten Formfaktor mit Abmessungen von 1,25 x 1,25 x 0,59 Zoll zeigen. (Bildquelle: Crystek Corporation)

Was die Regeldynamik betrifft, so hat der VCO von Crystek eine typische Abstimmempfindlichkeit von 45 MHz/V. Das Schieben der Versorgungsspannung ist mit typischerweise 0,5 MHz/V und mit maximal 1,5 MHz/V angegeben. Der Lastzug beträgt maximal 5,0 MHz von Spitze zu Spitze.

Monolithische VCOs

VCOs können als monolithische ICs implementiert werden. Der monolithische IC bietet die höchste Volumendichte. Wie modulare VCOs sind auch monolithische VCOs für bestimmte Betriebsbänder ausgelegt. Betrachten wir als Beispiel den MAX2623EUA+T von Maxim Integrated. Es handelt sich um einen eigenständigen VCO mit integriertem Oszillator und Ausgangspuffer in einem einzigen 8-poligen mMax-Gehäuse (Abbildung 7).

Abbildung 7: Das Blockschaltbild und die Anschlussbelegung des VCO MAX2623 von Maxim Integrated. Es handelt sich um einen konventionellen LC-basierten VCO, der zwei Varactor-Dioden zur Spannungssteuerung verwendet. Er enthält einen eingebauten Ausgangspuffer in einem 8-Pin-Gehäuse. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Das Design umfasst eine On-Chip-Schwingkreisinduktivität und Varaktordioden. Er arbeitet mit einer Spannungsversorgung von +2,7 bis +5,5 Volt und zieht nur 8 Milliampere (mA). Der MAX2623 ist einer von drei VCOs in der Produktfamilie, die sich jeweils durch ihre vorgesehenen Betriebsfrequenzen unterscheiden. Der MAX2623 ist auf den Bereich 885 bis 950 MHz abgestimmt, der das ISM-Band (Industrie, Wissenschaft und Medizin) von 902 bis 928 MHz abdeckt, wo er als Lokaloszillator eingesetzt werden kann. Der VCO hat einen Ausgangsleistungspegel von -3 dBm an 50 Ω mit einem Phasenrauschen von -101 dBc/Hz typisch bei 100 kHz Offset. Der Steuerspannungsbereich liegt bei 0,4 bis 2,4 Volt, der Lastzug bei typisch 0,75 MHz, Spitze-Spitze. Der Versorgungsspannungsschub beträgt 280 kHz/Volt (typisch). Sein Gehäuse misst 0,12 x 0,12 x 0,043 Zoll (3,05 x 3,05 x 1,1 mm).

Ein weiteres Beispiel für einen monolithischen VCO ist der HMC512LP5ETR von Analog Devices. Dieser VCO deckt den Frequenzbereich von 9,6 bis 10,8 GHz mit einer Abstimmspannung von 2 bis 13 Volt ab. Er ist für Satellitenkommunikation, Mehrpunktfunk und militärische Anwendungen vorgesehen (Abbildung 8).

Abbildung 8: Das Blockschaltbild des VCO HMC512LPETR von Analog Devices zeigt die integrierte Varaktordiode und den Oszillatorkern mit integriertem Resonator. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieser VCO ist ein monolithischer Mikrowellen-IC (MMIC) und verwendet GaAs- und InGaP-Heteroübergangs-Bipolartransistoren, um eine große Bandbreite und einen Ausgangsleistungspegel von +9 dBm an einer 50Ω-Last mit einer 5-Volt-Gleichstromquelle zu erreichen. Das Phasenrauschen beträgt -110 dBc/Hz bei 100 kHz Offset. Der Lastzug beträgt typischerweise 5 MHz Spitze-Spitze. Der Versorgungsspannungsschub beträgt 30 MHz/Volt (typisch) bei 5 Volt. Der Baustein ist in einem 5 x 5 mm großen QFN-Gehäuse zur Oberflächenmontage untergebracht. Beachten Sie in der Abbildung, dass dieser VCO auch Halb- und Viertelfrequenz-Hilfsausgänge enthält. Diese Teilfrequenzausgänge können zur Ansteuerung eines PLL-Synthesizers verwendet werden, um den VCO-Primärausgang phasenstarr zu machen, wenn dies gewünscht wird, oder um andere Signale in Timing-Ketten zu synchronisieren.

Beide monolithischen Geräte zeichnen sich durch ihre geringe Größe aus, was der Hauptvorteil dieser Art von VCO ist.

Fazit

VCOs, ob in diskreter, modularer oder monolithischer Form, erfüllen den Bedarf an spannungsbasierter Frequenzsteuerung, die in einer Reihe von Anwendungen erforderlich ist. Sie werden in Funktionsgeneratoren, PLLs, Frequenzsynthesizern, Taktgeneratoren und analogen Musiksynthesizern eingesetzt. Obwohl es sich um relativ einfache Komponenten handelt, erfordert ihre richtige Verwendung ein solides Verständnis ihrer Funktionsweise und ihrer wichtigsten Spezifikationen. Wenn diese klar sind, gibt es viele Designs und Anbieter, aus denen Sie wählen können.