Генератор, управляемый напряжением

Микроволновый (12–18  ГГц) генератор, управляемый напряжением.

Генератор , управляемый напряжением ( ГУН ) представляет собой электронный генератор которого колебаний частоты управляется с помощью напряжения входного сигнала. Приложенное входное напряжение определяет мгновенную частоту колебаний. Следовательно, ГУН может использоваться для частотной модуляции (FM) или фазовой модуляции (PM) путем подачи модулирующего сигнала на управляющий вход. ГУН также является неотъемлемой частью контура фазовой автоподстройки частоты .

Напряжения в частоту преобразователь ( ВКИ ) представляет собой особый тип VCO разработан , чтобы быть очень линейным контроль частоты в широком диапазоне входных напряжений управления. ^{[1] [2] [3]}

Типы [ править ]

В этом разделе не процитировать любые источники . Пожалуйста, помогите улучшить этот раздел , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален . ( Февраль 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Генераторы VCO обычно можно разделить на две группы в зависимости от типа создаваемого сигнала.

• Линейные или гармонические генераторы генерируют синусоидальную форму волны. Генераторы гармоник в электронике обычно состоят из резонатора с усилителем, который заменяет потери в резонаторе (для предотвращения уменьшения амплитуды) и изолирует резонатор от выхода (чтобы нагрузка не влияла на резонатор). Некоторыми примерами гармонических генераторов являются LC-генераторы и кварцевые генераторы .
• Осцилляторы релаксации 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.

Контроль частоты [ править ]

Схема генератора звуковой частоты, управляемого напряжением

Конденсатор, управляемый напряжением, - это один из методов изменения частоты LC-генератора в ответ на управляющее напряжение. Любой полупроводниковый диод с обратным смещением отображает меру зависящей от напряжения емкости и может использоваться для изменения частоты генератора, изменяя управляющее напряжение, подаваемое на диод. Доступны специальные варакторные диоды с переменной емкостью и хорошо охарактеризованными значениями емкости в широком диапазоне. Варактор используется для изменения емкости (и, следовательно, частоты) резервуара LC. Варактор также может изменять нагрузку на кристаллический резонатор и изменять его резонансную частоту.

Для низкочастотной ГУН, других методов изменения частоты (например, изменяя скорость зарядки конденсатора с помощью управляемого напряжения источника тока ) используется (см функционального генератора ).

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

Уравнения в фазовой области [ править ]

ГУН используются в аналоговых приложениях, таких как частотная модуляция и частотная манипуляция . Функциональная зависимость между управляющим напряжением и выходной частотой для ГУН (особенно тех, которые используются на радиочастоте ) может быть не линейной, но в небольших диапазонах зависимость приблизительно линейна, и можно использовать линейную теорию управления. Преобразователь напряжения в частоту (VFC) - это особый тип ГУН, предназначенный для очень линейной работы в широком диапазоне входных напряжений.

Моделирование ГУН часто не связано с амплитудой или формой (синусоида, треугольная волна, пилообразная волна), а скорее с ее мгновенной фазой. Фактически, основное внимание уделяется не сигналу A sin ( ωt + θ ₀ ) во временной области, а скорее аргументу синусоидальной функции (фазе). Следовательно, моделирование часто выполняется в фазовой области.

Мгновенная частота ГУН часто моделируется как линейная зависимость от его мгновенного управляющего напряжения. Выходная фаза генератора представляет собой интеграл от мгновенной частоты.

${\ Displaystyle {\ begin {align} f (t) & = f_ {0} + K_ {0} \ cdot \ v _ {\ text {in}} (t) \\\ theta (t) & = \ int _ {- \ infty} ^ {t} f (\ tau) \, d \ tau \\\ конец {выровнено}}}$

• ${\ displaystyle f (t)}$это мгновенная частота генератора в момент времени t (а не амплитуда сигнала)
• ${\ displaystyle f_ {0}}$ это частота покоя генератора (не амплитуда сигнала)
• ${\ displaystyle K_ {0}}$называется чувствительностью генератора или усилением. Единицы измерения - герцы на вольт.
• ${\ displaystyle f (t)}$ частота VCO
• ${\ Displaystyle \ тета (т)}$ фаза выхода ГУН
• ${\ Displaystyle v _ {\ текст {in}} (т)}$ вход управления во временной области или напряжение настройки ГУН

Для анализа системы управления полезны преобразования Лапласа вышеуказанных сигналов.

${\ Displaystyle {\ begin {align} F (s) & = K_ {0} \ cdot \ V _ {\ text {in}} (s) \\\ Theta (s) & = {F (s) \ over s } \\\ конец {выровнен}}}$

Дизайн и схемы [ править ]

Диапазон настройки, усиление настройки и фазовый шум - важные характеристики ГУН. Обычно для ГУН предпочтительнее низкий фазовый шум. Усиление настройки и шум, присутствующие в управляющем сигнале, влияют на фазовый шум; высокий шум или высокий коэффициент усиления подразумевают больший фазовый шум. Другими важными элементами, определяющими фазовый шум, являются источники фликкер-шума (1 / f- шум) в цепи, ^[4] уровень выходной мощности и загруженная добротность резонатора. ^[5] (см . Уравнение Лисона ). Низкочастотный фликкер-шум влияет на фазовый шум, поскольку фликкер-шум является гетеродифицированным.выходной частоте 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 ).

ГУН обычно имеют более низкий коэффициент добротности по сравнению с аналогичными генераторами с фиксированной частотой и поэтому страдают большим джиттером . Джиттер можно сделать достаточно низким для многих приложений (например, для управления ASIC), и в этом случае VCO пользуются преимуществами отсутствия компонентов вне кристалла (дорого) или встроенных индукторов (низкий выход для общих процессов CMOS).

Генераторы LC [ править ]

Обычно используемые схемы ГУН - это генераторы Клаппа и Колпитца . Из них более широко используется генератор Колпитца, и эти генераторы очень похожи по конфигурации.

Кварцевые генераторы [ править ]

А кварцевый генератор, управляемый напряжением ( VCXO ), используется для точной настройки рабочей частоты. Частота кварцевого генератора, управляемого напряжением, может изменяться на несколько десятков частей на миллион (ppm) в диапазоне управляющих напряжений обычно от 0 до 3 вольт, поскольку высокая добротность кристаллов позволяет регулировать частоту только в небольшом диапазоне. частот.

А VCXO с температурной компенсацией ( TCVCXO ) включает компоненты, которые частично корректируют зависимость резонансной частоты кристаллаот температуры. Тогда меньшего диапазона регулирования напряжения будет достаточно для стабилизации частоты генератора в приложениях, гдеизменяется температура , например, при нагревании внутри передатчика .

Помещение генератора в кристаллическую печь с постоянной, но более высокой, чем температура окружающей среды, температурой - еще один способ стабилизировать частоту генератора. Эталоны кварцевых генераторов с высокой стабильностью часто помещают кристалл в печь и используют вход напряжения для точного управления. ^[6] Температура выбрана в качестве температуры оборота : температура, при которой небольшие изменения не влияют на резонанс. Управляющее напряжение можно использовать для того, чтобы время от времени регулировать опорную частоту источника NIST . Сложные конструкции также могут регулировать управляющее напряжение с течением времени, чтобы компенсировать старение кристалла. ^{[ необходима цитата ]}

Генераторы часов [ править ]

Тактовый генератор представляет собой генератор , который обеспечивает сигнал синхронизации для синхронизации операций в цифровых схемах. Генераторы часов VCXO используются во многих областях, таких как цифровое телевидение, модемы, передатчики и компьютеры. Конструктивными параметрами тактового генератора VCXO являются диапазон настраиваемого напряжения, центральная частота, диапазон настройки частоты и временной джиттер выходного сигнала. Джиттер - это форма фазового шума, которую необходимо минимизировать в таких приложениях, как радиоприемники, передатчики и измерительное оборудование.

Когда требуется более широкий выбор тактовых частот, выходной сигнал VCXO можно пропустить через схемы цифрового делителя для получения более низких частот или подать на контур фазовой автоподстройки частоты (PLL). Доступны ИС, содержащие как VCXO (для внешнего кристалла), так и ФАПЧ. Типичное применение - обеспечение тактовых частот в диапазоне от 12 кГц до 96 кГц для аудио- цифро-аналогового преобразователя .

Синтезаторы частот [ править ]

Синтезатор частот генерирует точные и регулируемые частоты на основе стабильных одночастотных часов. С цифровым управлением генератором на основе синтезатора частот может служить в качестве цифровой альтернативы аналоговых цепей управляемого напряжения генератора.

Приложения [ править ]

ГУН используются в генераторах функций , контурах фазовой автоподстройки частоты, включая синтезаторы частоты, используемые в коммуникационном оборудовании и производстве электронной музыки , для генерации переменных тонов в синтезаторах .

Функциональные генераторы - это низкочастотные генераторы, которые имеют несколько форм волны, обычно синусоидальную, квадратную и треугольную. Генераторы монолитных функций управляются напряжением.

Аналоговые контуры фазовой автоподстройки частоты обычно содержат ГУН. Высокочастотные ГУН обычно используются в цепях фазовой автоподстройки частоты для радиоприемников. Фазовый шум является наиболее важной характеристикой в ​​этом приложении. ^{[ необходима цитата ]}

ГУН звуковой частоты используются в аналоговых музыкальных синтезаторах. Для них наиболее важными характеристиками часто являются диапазон развертки, линейность и искажения. ГУН звуковой частоты для использования в музыкальном контексте были в значительной степени вытеснены в 1980-х годах их цифровыми аналогами, генераторами с цифровым управлением (DCO), из-за их стабильности выхода при изменении температуры во время работы. С 1990-х годов музыкальное программное обеспечение стало доминирующим методом создания звука.

Преобразователи напряжения в частоту - это генераторы, управляемые напряжением, с очень линейной зависимостью между приложенным напряжением и частотой. Они используются для преобразования медленного аналогового сигнала (например, от датчика температуры) в сигнал, пригодный для передачи на большие расстояния, поскольку частота не будет дрейфовать и не будет зависеть от шума. Осцилляторы в этом приложении могут иметь выходы синусоидальной или прямоугольной формы.

Если генератор управляет оборудованием, которое может создавать радиочастотные помехи, добавляя изменяющееся напряжение к его управляющему входу, называемое дизерингом , ^{[7] [8] [9] [10] [11] [12]]} может рассеивать спектр помех, чтобы сделать это менее нежелательно (см. часы с расширенным спектром ).

См. Также [ править ]

• Низкочастотные колебания (LFO)
• Модульный синтезатор
• Генератор с числовым программным управлением (NCO)
• Генератор переменной частоты (VFO)
• Усилитель с переменным усилением
• Фильтр, управляемый напряжением (VCF)

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• «Дизайн VCO» . Учебные страницы по любительскому радио Яна Пурди . Архивировано из оригинала на 2019-01-04 . Проверено 28 января 2018 .
• Проектирование ГУН и буферов с использованием семейства двойных транзисторов UPA