Principi base degli oscillatori controllati in tensione (VCO), come sceglierli e usarli

Molte applicazioni elettroniche richiedono che la frequenza di un segnale sia variata in funzione dell'ampiezza di un altro segnale. Un buon esempio è un segnale modulato in frequenza, dove la frequenza di una portante varia con l'ampiezza della sorgente di modulazione. Si consideri anche un PLL (circuito ad aggancio di fase), che utilizza un sistema di controllo per variare la frequenza e/o la fase di un oscillatore in modo che corrisponda alla frequenza/fase di un segnale di riferimento in ingresso.

L'obiettivo dei progettisti sta nel determinare come eseguire questa funzione nel modo più efficiente ed economico possibile, garantendo allo stesso tempo precisione, affidabilità e stabilità nel tempo e alla temperatura.

Questa è la funzione degli oscillatori controllati in tensione (VCO). Questi dispositivi sono progettati per produrre un segnale di uscita la cui frequenza varia con l'ampiezza della tensione di un segnale di ingresso entro un campo ragionevole di frequenze. Sono utilizzati nei PLL, modulatori di frequenza e di fase, radar e molti altri sistemi elettronici.

Questo articolo spiega perché i VCO sono così spesso la scelta migliore a disposizione del progettista per questa funzione e ne descrive brevemente il funzionamento e la progettazione - dai componenti discreti ai VCO in CI monolitici. Spiega inoltre come sia possibile specificare i VCO per applicazioni specifiche utilizzando esempi reali di vari fornitori, tra cui Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions e Crystek Corporation.

Qual è il ruolo di un VCO?

Come detto, molte applicazioni elettroniche richiedono che la frequenza o la fase di un segnale sia variata o controllata in funzione dell'ampiezza di un altro segnale. Le applicazioni tipiche includono i sistemi di comunicazione, i chirp di frequenza nei radar, l'inseguimento di fase nei PLL e il salto di frequenza ad esempio per l'accesso remoto senza chiave (Figura 1).

Figura 1: Esempi di applicazioni che richiedono variazioni di frequenza o di fase controllate da una tensione di segnale applicata, tra cui la modulazione di frequenza nei sistemi di comunicazione (in alto), i chirp di frequenza nei radar (secondo in basso), l'inseguimento di fase nei circuiti ad aggancio di fase (terzo in basso) e il salto di frequenza nei sistemi di accesso remoto senza chiave (in basso). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I VCO sono specificamente progettati per produrre un segnale di uscita la cui frequenza varia con l'ampiezza di un segnale di ingresso entro un campo ragionevole di frequenze.

Come funzionano i VCO

I VCO sono disponibili in forma discreta, modulare e monolitica, ma una discussione sui VCO discreti fornirà una comprensione di base di come funzionano e perché certe specifiche sono importanti. A questo farà seguito una panoramica delle soluzioni modulari e monolitiche.

Utilizzando un approccio discreto per i VCO, i progettisti hanno una grande flessibilità per quanto riguarda la soddisfazione di specifiche personalizzate. Questo approccio è particolarmente comune per i progetti fai-da-te, in particolare nel campo radioamatoriale. Tali progetti, destinati a funzionare in progetti radio ad alta frequenza, sono basati su topologie classiche di oscillatori tra cui gli oscillatori Hartley e Colpitts a induttore-capacitore (LC) (Figura 2).

Figura 2: Gli oscillatori classici, compresi gli oscillatori LC Hartley e Colpitts, possono essere usati come base del progetto di un VCO. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Tutti gli oscillatori si basano sull'uso della retroazione positiva per ottenere un'oscillazione sostenuta. Gli oscillatori Hartley e Colpitts sono design di base che generano la retroazione positiva in modi diversi. La retroazione positiva richiede che il segnale all'uscita dell'oscillatore sia restituito all'ingresso con una variazione di fase totale di 360°. L'amplificatore fornisce un'inversione monofase di 180° e l'altra metà dei 360° proviene dall'LC del circuito tank risonante. Il circuito risonante determina la frequenza nominale di oscillazione. Consiste in L1, L2 e Ct nel circuito dell'oscillatore Hartley e in L1, Ct1 e Ct2 nell'oscillatore Colpitts.

L'oscillatore Hartley utilizza l'accoppiamento induttivo per ottenere l'inversione di fase per mezzo di un induttore doppio o con presa intermedia (L1 e L2) mostrato nel circuito. L'oscillatore Colpitts utilizza un divisore di tensione capacitivo composto da Ct1 e Ct2 nel rispettivo circuito. Esistono molti design derivati da questi di base, ognuno con un nome proprio. I progetti derivati tentano di isolare il circuito risonante dall'amplificatore per evitare variazioni della frequenza dovute al carico. Esistono molti derivati tra cui poter scegliere.

Il controllo della frequenza è aggiunto a questi progetti tramite diodi varicap per variare la frequenza di risonanza del circuito risonante. Il diodo varicap è un diodo a giunzione progettato per fornire capacità variabile, da cui prende il nome. La giunzione p-n è a polarizzazione inversa e la capacità del diodo può essere variata cambiando la polarizzazione c.c. applicata. La capacità del diodo varicap varia in modo inverso rispetto alla polarizzazione c.c. applicata: maggiore è l'inversione di polarità, più ampia sarà la regione di carica spaziale vuota dei diodi, e quindi minore la capacità. Questa variazione può essere vista nel grafico della capacità rispetto alla tensione inversa per il diodo varicap a giunzione superbrusca SMV1232_079LF di Skyworks Solutions (Figura 3). Questo diodo ha una capacità di 4,15 pF a zero volt e di 0,96 pF a 8 volt.

Figura 3: Il grafico di tensione-capacità del diodo varicap SMV1232 di Skyworks Solution mostra chiaramente come la capacità vari in modo inverso alla polarizzazione c.c. applicata. (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

L'intervallo di capacità del diodo varicap determina l'intervallo di accordo del VCO. La regolazione di tensione dell'oscillatore è realizzata aggiungendo il diodo varicap in parallelo al circuito risontante, come mostra la Figura 4. La figura mostra un progetto di riferimento della scheda di valutazione di un VCO oscillatore Colpitts con una frequenza centrale di 1 GHz e un intervallo di accordo di circa 100 MHz. Incorpora un buffer inseguitore emettitore per isolare il VCO dalle variazioni di carico. Il circuito tank risonante in questo progetto include l'induttore L3 e i condensatori C4, C7 e C8. Il diodo varicap, VC1, è in parallelo con il circuito risonante. Il condensatore C4 controlla il campo della variazione di frequenza per una data selezione del diodo varicap, mentre C7 e C8 forniscono la retroazione necessaria per mantenere l'oscillazione.

Figura 4: Un progetto di riferimento della scheda di valutazione di un VCO oscillatore Colpitts con una frequenza centrale di 1 GHz e un intervallo di accordo di circa 100 MHz. Il diodo varicap, VC1 (in basso a sinistra), è in parallelo con il circuito risonante, che comprende l'induttore L3 e i condensatori C4, C7 e C8. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

La scelta dei diodi varicap e dei transistor bipolari a giunzione dipende dalla frequenza dell'oscillatore. Per frequenze nominali di 1 GHz, si possono usare transistor RF come BFU520WX di NXP Semiconductor o BFP420FH6327XTSA1 di Infineon Technologies. BFU520WX ha una frequenza di transizione di 10 GHz e un guadagno di 18,8 dB, mentre BFP420FH6327XTSA1 ha una frequenza di transizione di 25 GHz con un guadagno di 19,5 dB. Entrambi hanno un prodotto guadagno-larghezza di banda sufficiente per questo circuito a 1 GHz.

In sintesi, i VCO discreti offrono la massima flessibilità di progettazione, ma sono più grandi e occupano più spazio sulla scheda CS rispetto ai dispositivi modulari o monolitici.

Come specificare i VCO

Le principali specifiche di un VCO iniziano di solito con il campo di frequenza nominale, cioè le frequenze minime e massime ottenibili. In alternativa, potrebbero essere specificate come una frequenza nominale o centrale e un intervallo di accordo.

L'intervallo della tensione di accordo di ingresso corrisponde all'oscillazione della tensione di ingresso, che accorda il VCO sull'intervallo di accordo (Figura 5).

Figura 5: Il grafico della curva di accordo della frequenza di uscita in funzione della tensione di accordo di ingresso fornisce una visione di base della linearità del VCO rispetto a un adattamento lineare. La pendenza della frequenza di uscita rispetto alla tensione di accordo è la sensibilità di accordo. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il guadagno o la sensibilità di accordo, misurati in unità di MHz/V, è la pendenza del grafico di frequenza-tensione. È una misura della linearità dell'accordo. Nelle applicazioni in cui il VCO è in un anello di controllo come con un PLL, la sensibilità di accordo è il guadagno dell'elemento VCO e può influenzare la dinamica e la stabilità dell'anello di controllo.

La potenza di uscita del VCO specifica la potenza erogata a un carico di impedenza specificata, di solito 50 Ω per i VCO RF. La potenza di uscita è specificata in dB riferita a 1 milliwatt (mW/dBm). Anche la planarità della potenza di uscita sul campo di frequenza del VCO può essere interessante.

La trazione del carico è la variazione della frequenza in uscita del VCO dovuta ai cambiamenti dell'impedenza di carico misurata in MHz da picco a picco (pk-pk). L'isolamento del carico solitamente migliora se si utilizza un amplificatore buffer come l'inseguitore emettitore mostrato nella Figura 4.

La spinta dell'alimentazione è la variazione della frequenza in uscita del VCO dovuta alle variazioni della tensione di alimentazione e si misura in MHz/V.

La specifica del rumore di fase è un indicatore della purezza del segnale del VCO. Un oscillatore ideale ha uno spettro di frequenza equivalente a una riga spettrale stretta alla frequenza dell'oscillatore. Il rumore di fase rappresenta la modulazione indesiderata dell'oscillatore e amplia la risposta spettrale. Il rumore di fase è il risultato del rumore termico e di altre fonti di rumore all'interno del circuito oscillatore ed è espresso in decibel sotto la portante per hertz (dBc/Hz). Il rumore di fase nel dominio della frequenza si traduce in un jitter di temporizzazione nel dominio temporale che si esprime come deriva temporale (TIE).

VCO modulari

I VCO modulari sono il successivo livello superiore di integrazione dei circuiti. Questi VCO sono confezionati in un piccolo contenitore modulare e sono utilizzati come qualsiasi altro componente. I VCO modulari offrono generalmente una maggiore densità di incapsulamento rispetto ai VCO discreti. Sono disponibili in varie frequenze di uscita, intervalli di accordo e livelli di potenza di uscita. Un esempio è il VCO CRBV55BE-0325-0775 di Crystek Corporation (Figura 6). Questo dispositivo misura 31,75 x 14,99 mm, ha un'altezza di 31,75 mm e un intervallo di accordo da 325 a 775 MHz per un intervallo della tensione di ingresso da 0 a 12 V. Ha un livello di potenza di uscita di +7 dBm (tipico) con un rumore di fase di -98 dBc/Hz a10 kHz di offset dalla portante, e -118 dBc/Hz a 100 kHz.

Figura 6: I disegni di massima del VCO CRBV55BE di Crystek mostrano il suo fattore di forma compatto pari a di 31,75 x 31,75 x 14,99 mm. (Immagine per gentile concessione di Crystek Corporation)

Per quanto riguarda la dinamica di controllo, il VCO di Crystek ha una sensibilità di accordo tipica di 45 MHz/V. La spinta dell'alimentazione è specificata a 0,5 MHz/V tipica e 1,5 MHz/V massima. La massima trazione del carico è di 5,0 MHz pk-pk.

VCO monolitici

I VCO possono essere implementati come CI monolitici. Un CI monolitico fornisce la più alta densità volumetrica. Come i VCO modulari, quelli monolitici sono stati concepiti per bande operative specifiche. Un esempio è MAX2623EUA+T di Maxim Integrated. Questo VCO autonomo integra un oscillatore e un buffer di uscita in un singolo contenitore mMax a 8 pin (Figura 7).

Figura 7: Diagramma a blocchi e configurazione dei pin del VCO MAX2623 di Maxim Integrated. Si tratta di un VCO convenzionale basato su LC che utilizza due diodi varicap per la regolazione di tensione. Include un buffer di uscita integrato in un contenitore a 8 pin. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Il progetto include un induttore risonante su chip e diodi varicap. Funziona con un'alimentazione da +2,7 a +5,5 V e assorbe solo 8 mA. MAX2623 è uno dei tre VCO della famiglia, ognuno con frequenze operative proprie. MAX2623 è accordato sul campo da 885 a 950 MHz, che copre la banda ISM (Industrial, Scientific, Medical) da 902 a 928 MHz, dove può essere utilizzato come oscillatore locale. Il VCO ha un livello di potenza di uscita di -3 dBm in 50 Ω con rumore di fase di -101 dBc/Hz tipico a 100 kHz di offset. L'intervallo della tensione di comando va da 0,4 a 2,4 V e la trazione del carico tipica è di 0,75 MHz pk-pk. La spinta dell'alimentazione è di 280 kHz/V (tipica). Il contenitore misura 3,03 x 3,05 x 1,1 mm.

Un altro esempio di VCO monolitico è HMC512LP5ETR di Analog Devices. Questo VCO copre il campo di frequenza da 9,6 a 10,8 GHz e ha una tensione di accordo da 2 a 13 V. È destinato alle comunicazioni satellitari, a radio multipunto e alle applicazioni militari (Figura 8).

Figura 8: Il diagramma a blocchi del VCO HMC512LPETR di Analog Devices mostra il diodo varicap integrato e il nucleo oscillatore con risonatore integrato. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo VCO in circuito integrato monolitico a microonde (MMIC) utilizza transistor bipolari a eterogiunzione GaAs e InGaP per ottenere un'ampia larghezza di banda e un livello di potenza di uscita di +9 dBm in un carico di 50 Ω utilizzando una fonte di alimentazione a 5 V c.c. Il rumore di fase è di -110 dBc/Hz a 100 kHz di offset. La trazione del carico tipica è di 5 MHz pk-pk. La spinta dell'alimentazione tipica è di 30 MHz/V a 5 V. Il dispositivo è confezionato in un contenitore a montaggio superficiale QFN di 5 x 5 mm. Nella figura, questo VCO include anche uscite ausiliarie a metà e quarto di frequenza. Queste uscite a frequenza frazionaria possono essere utilizzate per pilotare un sintetizzatore PLL per bloccare la fase dell'uscita primaria del VCO o per sincronizzare altri segnali della catena di temporizzazione.

Entrambi i dispositivi monolitici hanno dimensioni compatte, il vantaggio principale di questo tipo di VCO.

Conclusione

I VCO, in formato discreto, modulare o monolitico, soddisfano il bisogno del controllo di frequenza basato sulla tensione, richiesto in numerose applicazioni. Sono utilizzati in generatori di funzioni, PLL, sintetizzatori di frequenza, generatori di clock e sintetizzatori di musica analogici. Anche se sono dispositivi relativamente semplici, il loro uso corretto richiede una profonda comprensione di come funzionano e delle loro specifiche chiave. Dopodiché esistono molti design e fornitori tra cui scegliere.