Oscilador controlado por voltaje

Un oscilador controlado por voltaje ( VCO ) es un oscilador electrónico cuya frecuencia de oscilación está controlada por una entrada de voltaje . El voltaje de entrada aplicado determina la frecuencia de oscilación instantánea. En consecuencia, un VCO se puede utilizar para modulación de frecuencia (FM) o modulación de fase (PM) aplicando una señal de modulación a la entrada de control. Un VCO también es parte integral de un bucle de enganche de fase . Los VCO se utilizan en sintetizadores para generar una forma de onda cuyo tono se puede ajustar mediante un voltaje determinado por un teclado musical u otra entrada.

Un convertidor de voltaje a frecuencia ( VFC ) es un tipo especial de VCO diseñado para ser muy lineal en el control de frecuencia en un amplio rango de voltajes de control de entrada. ^{[1] [2] [3]}

Los VCO se pueden clasificar generalmente en dos grupos según el tipo de forma de onda producida. ^[4]

• Los osciladores armónicos o lineales generan una forma de onda sinusoidal. Los osciladores armónicos en electrónica suelen constar de un resonador con un amplificador que reemplaza las pérdidas del resonador (para evitar que la amplitud decaiga) y aísla el resonador de la salida (para que la carga no afecte al resonador). Algunos ejemplos de osciladores armónicos son los osciladores LC y los osciladores de cristal .
• Los osciladores de relajación pueden generar una forma de onda triangular o de diente de sierra. Se utilizan comúnmente en circuitos integrados (CI). Pueden proporcionar una amplia gama de frecuencias operativas con una cantidad mínima de componentes externos.

Un condensador controlado por voltaje es un método para hacer que un oscilador LC varíe su frecuencia en respuesta a un voltaje de control. Cualquier diodo semiconductor con polarización inversa muestra una medida de capacitancia dependiente del voltaje y se puede utilizar para cambiar la frecuencia de un oscilador al variar un voltaje de control aplicado al diodo. Los diodos varactores de capacitancia variable para propósitos especiales están disponibles con valores de capacitancia de amplio rango bien caracterizados. Un varactor se utiliza para cambiar la capacitancia (y, por lo tanto, la frecuencia) de un tanque LC. Un varactor también puede cambiar la carga en un resonador de cristal y extraer su frecuencia resonante.

Para los VCO de baja frecuencia, se utilizan otros métodos para variar la frecuencia (como alterar la velocidad de carga de un capacitor por medio de una fuente de corriente controlada por voltaje ) (ver generador de funciones ).

La frecuencia de un oscilador de anillo se controla variando el voltaje de suministro, la corriente disponible para cada etapa del inversor o la carga capacitiva en cada etapa.

Los VCO se utilizan en aplicaciones analógicas como la modulación de frecuencia y la modulación por desplazamiento de frecuencia . La relación funcional entre el voltaje de control y la frecuencia de salida de un VCO (especialmente los utilizados en frecuencias de radio ) puede no ser lineal, pero en rangos pequeños, la relación es aproximadamente lineal y se puede utilizar la teoría de control lineal. Un convertidor de voltaje a frecuencia (VFC) es un tipo especial de VCO diseñado para ser muy lineal en un amplio rango de voltajes de entrada.

El modelado de osciladores osciladores de frecuencia no suele centrarse en la amplitud o la forma (onda sinusoidal, onda triangular, onda de diente de sierra), sino más bien en su fase instantánea. En efecto, el enfoque no se centra en la señal del dominio temporal A sen( ωt + θ ₀ ), sino en el argumento de la función seno (la fase). En consecuencia, el modelado se realiza a menudo en el dominio de la fase.

La frecuencia instantánea de un oscilador oscilador variable suele modelarse como una relación lineal con su voltaje de control instantáneo. La fase de salida del oscilador es la integral de la frecuencia instantánea.

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

• ${\displaystyle f(t)}$es la frecuencia instantánea del oscilador en el tiempo t (no la amplitud de la forma de onda)
• $estilo de visualización f_{0}}$es la frecuencia de reposo del oscilador (no la amplitud de la forma de onda)
• $Estilo de visualización K_{0}$Se denomina sensibilidad del oscilador o ganancia. Sus unidades son hercios por voltio.
• ${\displaystyle f(\tau )}$es la frecuencia del VCO
• ${\displaystyle \theta(t)}$es la fase de salida del VCO
• ${\displaystyle v_{\text{en}}(t)}$es la entrada de control del dominio del tiempo o voltaje de sintonización del VCO

Para analizar un sistema de control, son útiles las transformadas de Laplace de las señales anteriores.

${\displaystyle {\begin{aligned}F(s)&=K_{0}\cdot \ V_{\text{en}}(s)\\\Theta (s)&={F(s) \sobre s}\\\end{aligned}}}$

El rango de sintonización, la ganancia de sintonización y el ruido de fase son características importantes de un VCO. Generalmente, se prefiere un ruido de fase bajo en un VCO. La ganancia de sintonización y el ruido presente en la señal de control afectan el ruido de fase; el ruido alto o la ganancia de sintonización alta implican más ruido de fase. Otros elementos importantes que determinan el ruido de fase son las fuentes de ruido de parpadeo (ruido 1/ f ) en el circuito, ^[5] el nivel de potencia de salida y el factor Q cargado del resonador. ^[6] (ver la ecuación de Leeson ). El ruido de parpadeo de baja frecuencia afecta el ruido de fase porque el ruido de parpadeo es heterodino a la frecuencia de salida del oscilador debido a la función de transferencia no lineal de los dispositivos activos. El efecto del ruido de parpadeo se puede reducir con retroalimentación negativa que linealiza la función de transferencia (por ejemplo, degeneración del emisor ).

Los VCO generalmente tienen un factor Q más bajo en comparación con osciladores de frecuencia fija similares, y por lo tanto sufren más fluctuaciones . La fluctuación se puede reducir lo suficiente para muchas aplicaciones (como el control de un ASIC), en cuyo caso los VCO disfrutan de las ventajas de no tener componentes fuera del chip (costosos) ni inductores en el chip (bajos rendimientos en procesos CMOS genéricos).

Los circuitos VCO más utilizados son los osciladores Clapp y Colpitts . El oscilador más utilizado de los dos es el Colpitts y estos osciladores tienen una configuración muy similar.

AEl oscilador de cristal controlado por voltaje (VCXO) se utiliza para el ajuste fino de la frecuencia de funcionamiento. La frecuencia de un oscilador de cristal controlado por voltaje se puede variar unas pocas decenas de partes por millón (ppm) en un rango de voltaje de control de típicamente 0 a 3 voltios, porque el alto factor Q de los cristales permite el control de frecuencia en solo un pequeño rango de frecuencias.

AEl oscilador VCXO con compensación de temperatura (TCVCXO) incorpora componentes que corrigen parcialmente la dependencia de la temperatura de lafrecuencia de resonanciadel cristal. Un rango más pequeño de control de voltaje es suficiente para estabilizar la frecuencia del oscilador en aplicaciones dondela temperaturavaría, comode calordentro de untransmisor.

Otra forma de estabilizar la frecuencia del oscilador es colocar el oscilador en un horno de cristal a una temperatura constante pero superior a la ambiente. Las referencias de osciladores de cristal de alta estabilidad a menudo colocan el cristal en un horno y utilizan una entrada de voltaje para un control preciso. ^[7] La ​​temperatura se selecciona para que sea la temperatura de rotación : la temperatura en la que pequeños cambios no afectan la resonancia. El voltaje de control se puede utilizar para ajustar ocasionalmente la frecuencia de referencia a una fuente NIST . Los diseños sofisticados también pueden ajustar el voltaje de control con el tiempo para compensar el envejecimiento del cristal. ^{[ cita requerida ]}

Un generador de reloj es un oscilador que proporciona una señal de temporización para sincronizar operaciones en circuitos digitales. Los generadores de reloj VCXO se utilizan en muchas áreas, como la televisión digital, los módems, los transmisores y las computadoras. Los parámetros de diseño para un generador de reloj VCXO son el rango de voltaje de sintonización, la frecuencia central, el rango de sintonización de frecuencia y la fluctuación de temporización de la señal de salida. La fluctuación es una forma de ruido de fase que debe minimizarse en aplicaciones como receptores de radio, transmisores y equipos de medición.

Cuando se necesita una selección más amplia de frecuencias de reloj, la salida VCXO se puede pasar a través de circuitos divisores digitales para obtener frecuencias más bajas o se puede alimentar a un bucle de enganche de fase (PLL). Hay circuitos integrados disponibles que contienen tanto un VCXO (para cristal externo) como un PLL. Una aplicación típica es proporcionar frecuencias de reloj en un rango de 12 kHz a 96 kHz a un convertidor de audio digital a analógico .

Un sintetizador de frecuencia genera frecuencias precisas y ajustables basadas en un reloj estable de una sola frecuencia. Un oscilador controlado digitalmente basado en un sintetizador de frecuencia puede servir como una alternativa digital a los circuitos osciladores controlados por voltaje analógicos.

Los VCO se utilizan en generadores de funciones , bucles de enganche de fase, incluidos sintetizadores de frecuencia utilizados en equipos de comunicación y en la producción de música electrónica , para generar tonos variables en sintetizadores .

Los generadores de funciones son osciladores de baja frecuencia que presentan múltiples formas de onda, generalmente ondas sinusoidales, cuadradas y triangulares. Los generadores de funciones monolíticos están controlados por voltaje.

Los bucles de enganche de fase analógicos suelen contener osciladores de frecuencia variable. Los osciladores de frecuencia variable de alta frecuencia se utilizan habitualmente en bucles de enganche de fase para receptores de radio. El ruido de fase es la especificación más importante en esta aplicación. ^{[ cita requerida ]}

Los VCO de audiofrecuencia se utilizan en sintetizadores de música analógicos. En estos, el rango de barrido, la linealidad y la distorsión suelen ser las especificaciones más importantes. Los VCO de audiofrecuencia para su uso en contextos musicales fueron reemplazados en gran medida en la década de 1980 por sus contrapartes digitales, los osciladores controlados digitalmente (DCO), debido a su estabilidad de salida frente a los cambios de temperatura durante el funcionamiento. Desde la década de 1990, el software musical se ha convertido en el método dominante de generación de sonido.

Los convertidores de voltaje a frecuencia son osciladores controlados por voltaje con una relación altamente lineal entre el voltaje aplicado y la frecuencia. Se utilizan para convertir una señal analógica lenta (como la de un transductor de temperatura) en una señal adecuada para su transmisión a larga distancia, ya que la frecuencia no se desviará ni se verá afectada por el ruido. Los osciladores en esta aplicación pueden tener salidas de onda sinusoidal o cuadrada.

Cuando el oscilador activa un equipo que puede generar interferencias de radiofrecuencia, agregar un voltaje variable a su entrada de control, llamado tramado, ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [ citas excesivas ]} puede dispersar el espectro de interferencia para hacerlo menos objetable (ver reloj de espectro expandido ).

• Oscilación de baja frecuencia (LFO)
• Sintetizador modular
• Oscilador controlado numéricamente (NCO)
• Oscilador de frecuencia variable (VFO)
• Amplificador de ganancia variable
• Filtro controlado por voltaje (VCF)

• "Diseño de osciladores osciladores". Páginas de tutoriales de radioaficionados de Ian Purdie . Archivado desde el original el 4 de enero de 2019. Consultado el 28 de enero de 2018 .
• Diseño de VCO y buffers utilizando la familia UPA de transistores duales