전압 제어 발진기

마이크로파(12~18GHz) 전압 제어 발진기

전압제어발진기(VCO)는 전압입력에 의해 발진주파수가 제어되는 전자발진기입니다.적용된 입력 전압에 따라 순간 발진 주파수가 결정됩니다.이것에 의해, 제어 입력에 변조 신호를 인가하는 것으로, 주파수 변조(FM)나 위상 변조(PM)에 VCO를 이용할 수 있다.VCO는 위상 잠금 루프의 일부이기도 합니다.신시사이저에서 VCO는 음악 키보드 또는 다른 입력에 의해 결정되는 전압에 의해 피치가 조정될 수 있는 파형을 생성하기 위해 사용됩니다.

VFC(Voltage-to-Frequency Converter)는 광범위한 입력 제어 ^[1]^[2]^[3]전압에 대해 매우 선형적으로 제어되도록 설계된 특수한 유형의 VCO입니다.

종류들

VCO는 일반적으로 생성되는 ^[4]파형의 유형에 따라 두 그룹으로 분류할 수 있습니다.

선형 또는 고조파 발진기는 사인파 파형을 생성합니다.전자제품의 고조파 발진기는 일반적으로 공진기 손실을 대체하고(진폭의 붕괴를 방지하기 위해) 공진기를 출력으로부터 격리하는(그래서 부하가 공진기에 영향을 미치지 않음) 증폭기를 가진 공진기로 구성됩니다.고조파 발진기의 예로는 LC 발진기와 수정 발진기가 있습니다.
완화 오실레이터는 톱니 또는 삼각 파형을 생성할 수 있습니다.일반적으로 집적회로(IC)에서 사용됩니다.최소한의 외부 컴포넌트로 폭넓은 동작 주파수를 제공할 수 있습니다.

주파수 제어

오디오 주파수 전압 제어 발진기의 개략도

전압제어 콘덴서는 제어전압에 따라 LC발진기가 주파수를 변화시키는 방법 중 하나이다.역바이어스 반도체 다이오드는 전압의존 캐패시턴스 측정치를 표시하며 다이오드에 인가되는 제어전압을 변화시킴으로써 발진기의 주파수를 변경하는 데 사용할 수 있다.특수 용도의 가변 캐패시턴스 가변 캐패시턴스 다이오드는 잘 특징지어진 광범위한 캐패시턴스 값과 함께 사용할 수 있습니다.바랙터는 LC 탱크의 캐패시턴스(및 주파수)를 변경하기 위해 사용됩니다.바랙터는 결정공진기의 부하를 변화시켜 그 공진 주파수를 끌어당길 수도 있다.

저주파 VCO의 경우 주파수를 변경하는 다른 방법(전압 제어 전류원에 의한 콘덴서의 충전 속도 변경 등)이 사용된다(함수 발생기 참조).

링 발진기의 주파수는 공급 전압, 각 인버터 스테이지에서 사용 가능한 전류 또는 각 스테이지의 용량 부하 중 하나를 변경하여 제어됩니다.

위상역 방정식

VCO는 주파수 변조 및 주파수 시프트 키잉과 같은 아날로그 애플리케이션에서 사용됩니다.VCO의 제어전압과 출력주파수(특히 무선주파수에 사용되는 것)의 함수관계는 선형적이지 않을 수 있지만, 좁은 범위에 걸쳐서는 관계가 대략 선형이며 선형제어이론을 사용할 수 있습니다.VFC(Voltage-to-Frequency Converter)는 광범위한 입력 전압에 걸쳐 매우 선형적으로 설계된 특수한 유형의 VCO입니다.

VCO 모델링은 종종 진폭이나 형태(시네파, 삼각파, 톱니)가 아니라 순간 위상과는 관련이 있습니다.실제로 초점은 시간 영역 $신호$ A sin $(θt + θ 0)$ 이 아니라 사인 함수(위상)의 인수에 있습니다.따라서 대부분의 경우 위상 영역에서 모델링이 수행됩니다.

VCO의 순간 주파수는 종종 순간 제어 전압과의 선형 관계로 모델링됩니다.발진기의 출력 위상은 순간 주파수의 정수입니다.

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

$f(t)$ ( $f(t)$ ) $f(t)$ { $displaystyle$ f $(t)}$ 는 $f(t)$ $시간$ t에서 발진기의 순간 주파수입니다(파형 진폭이 아님).
$f_{0}$ 0 $({$ 은 $f_{0}$ 오실레이터의 대기 주파수입니다(파형 진폭이 아님).
$K_{0}$ 0 $(\$ 은 $K_{0}$ 오실레이터 감도 또는 게인이라고 합니다.단위는 볼트당 헤르츠입니다.
$f(\tau )$ ( $f(\tau )$ ) { $displaystyle$ f ( \ $tau$ )는 $f(\tau )$ VCO의 주파수입니다.
$\theta (t)$ ( $t$ ) { $displaystyle$ \ $theta ($ t )는 $\theta (t)$ VCO의 출력 $\theta (t)$ 입니다.
$v_{\text{in}}(t)$ in ( $v_{\text{in}}(t)$ ) { $displaystyle$ v _ { \ $text$ { $in$ } （ $t$ ）는 $v_{\text{in}}(t)$ VCO의 시간 영역 제어 입력 또는 조정 전압입니다.

제어시스템을 해석할 때는 상기 신호의 라플라스 변환이 유용하다.

{begin { aligned}F&=K_{0}\cdot\V_{\text{in}}\\\\\\Theta(s)&={F(s)\over s}\\end{aligned}

설계 및 회로

튜닝 범위, 튜닝 게인 및 위상 노이즈는 VCO의 중요한 특성입니다.일반적으로 VCO에서는 저상 노이즈가 바람직합니다.제어 신호에 존재하는 튜닝 게인과 노이즈는 위상 노이즈에 영향을 줍니다. 높은 노이즈 또는 높은 튜닝 게인은 더 많은 위상 노이즈를 의미합니다.위상 노이즈를 결정하는 다른 중요한 요소로는 회로 ^[5]내 플리커 노이즈(1/f 노이즈), 출력 전력 레벨 및 공진기의 부하 ^[6]Q 계수가 있습니다.(리슨 방정식 참조).저주파수 플리커 노이즈는 위상 노이즈에 영향을 미칩니다. 왜냐하면 플리커 노이즈는 활성 장치의 비선형 전송 기능으로 인해 오실레이터 출력 주파수와 헤테로디되기 때문입니다.플리커 노이즈의 영향은 전송 기능을 선형화하는 음의 피드백(예: 이미터 퇴화)으로 줄일 수 있습니다.

VCO는 일반적으로 유사한 고정 주파수 발진기에 비해 Q계수가 낮기 때문에 지터가 더 많이 발생합니다.지터는 많은 애플리케이션(ASIC의 구동 등)에 대해 충분히 낮출 수 있습니다.이 경우 VCO는 오프칩컴포넌트(비싸움)나 온칩인덕터(일반 CMOS 프로세스에서는 낮은 수율)가 없는 이점을 누릴 수 있습니다.

LC 발진기

일반적으로 사용되는 VCO 회로는 Clapp 및 Colpitts 발진기입니다.두 발진기 중 가장 널리 사용되는 발진기는 Colpitts이며 이러한 발진기는 구성이 매우 유사합니다.

수정 발진기

DVB-T 셋톱박스에서 사용되는 27MHz VCXO 클럭제너레이터 IC(TLSI T73227)

동작 주파수의 미세 조정에는 전압 제어 크리스털 발진기(VCXO)가 사용된다.전압 제어 크리스털 오실레이터의 주파수는 일반적으로 0~3V의 제어전압 범위에서 수십ppm(ppm)으로 변화할 수 있습니다.이는 크리스털의 높은 Q계수를 통해 소수의 주파수 범위에서만 주파수를 제어할 수 있기 때문입니다.

A 26MHz TCVCXO

온도보상 VCXO(TCVCXO)는 결정의 공진 주파수의 온도에 대한 의존성을 부분적으로 보정하는 성분을 포함한다.그러면 송신기 내부의 열 축적과 같이 온도가 변화하는 애플리케이션에서 발진기 주파수를 안정시키기 위해 더 적은 범위의 전압 제어로도 충분합니다.

일정하지만 주변 온도보다 높은 온도에서 발진기를 크리스털 오븐에 두는 것도 발진기 주파수를 안정화하는 방법입니다.안정성이 높은 수정 발진기는 종종 결정을 오븐에 넣고 미세한 제어를 위해 ^[7]전압 입력을 사용합니다.온도는 회전 온도(작은 변화가 공명에 영향을 미치지 않는 온도)로 선택됩니다.제어 전압을 사용하여 기준 주파수를 NIST 소스로 가끔 조정할 수 있습니다.또한 정교한 설계에서는 시간이 ^{[citation needed]}지남에 따라 제어 전압을 조정하여 결정의 노화를 보정할 수 있습니다.

클럭 제너레이터

클럭 제너레이터는 디지털 회로의 동작을 동기화하는 타이밍 신호를 제공하는 발진기입니다.VCXO 클럭 제너레이터는 디지털 TV, 모뎀, 송신기, 컴퓨터 등 많은 분야에서 사용되고 있습니다.VCXO 클럭 제너레이터의 설계 파라미터는 출력 신호의 튜닝 전압 범위, 중심 주파수, 주파수 튜닝 범위 및 타이밍 지터입니다.지터는 위상 노이즈의 일종으로 무선 수신기, 송신기, 측정 기기 등의 애플리케이션에서 최소화해야 합니다.

클럭 주파수의 폭넓은 선택이 필요한 경우 VCXO 출력은 디지털 디바이다 회로를 통과하여 낮은 주파수를 얻거나 Phase-Locked Loop(PLL; 위상잠금루프)에 공급될 수 있습니다.VCXO(외부 결정용)와 PLL을 모두 포함하는 IC를 사용할 수 있습니다.일반적인 어플리케이션은 12kHz~96kHz 범위의 클럭 주파수를 오디오 디지털/아날로그 컨버터에 제공하는 것입니다.

주파수 신시사이저

주파수 신시사이저는 안정된 단일 주파수 클락에 기초하여 정밀하고 조정 가능한 주파수를 생성한다.주파수 신시사이저에 기초한 디지털 제어 발진기는 아날로그 전압 제어 발진기 회로의 디지털 대체물로 기능할 수 있다.

적용들

Korg Monologue는 2개의 VCO를 가진 단음 신시사이저입니다.

VCO는 함수 발생기, 즉 통신기기에 사용되는 주파수 신시사이저를 포함한 위상 잠금 루프에 사용되며 신시사이저에서 가변음을 발생시킨다.

함수 발생기는 여러 파형(일반적으로 사인파, 사각파 및 삼각파)을 특징으로 하는 저주파 발진기입니다.모노리식 함수 발생기는 전압으로 제어됩니다.

아날로그 위상 잠금 루프에는 일반적으로 VCO가 포함됩니다.고주파 VCO는 보통 무선 수신기의 위상 잠금 루프에서 사용됩니다.이 어플리케이션에서는 ^{[citation needed]}위상 노이즈가 가장 중요한 사양입니다.

오디오 주파수 VCO는 아날로그 음악 신시사이저에 사용됩니다.이 경우 스위프 범위, 선형성 및 왜곡이 가장 중요한 사양인 경우가 많습니다.음악적인 맥락에서 사용되는 오디오 주파수 VCO는 작동 중 온도 변화에 따른 출력 안정성 때문에 1980년대에 디지털 대응 장치인 디지털 제어 발진기(DCO)로 대체되었습니다.1990년대 이후 음악 소프트웨어는 지배적인 소리 생성 방법이 되었다.

전압-주파수 변환기는 인가 전압과 주파수 사이의 선형 관계가 높은 전압 제어 발진기입니다.주파수가 드리프트되거나 노이즈의 영향을 받지 않기 때문에 느린 아날로그 신호(온도 변환기 등)를 장거리 전송에 적합한 신호로 변환하는 데 사용됩니다.이 응용 프로그램의 오실레이터는 사인파 또는 사각파 출력을 가질 수 있습니다.

발진기가 무선 주파수 간섭을 발생시킬 수 있는 기기를 구동하는 경우, 디더링이라고 ^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]^[13]불리는 제어 입력에 다양한 전압을 추가하면 간섭 스펙트럼을 분산시켜 덜 불쾌하게 만들 수 있습니다(스펙트럼 클럭 확산 참조).

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

"Design of V.C.O.'s". Ian Purdie's Amateur Radio Tutorial Pages. Archived from the original on 2019-01-04. Retrieved 2018-01-28.
듀얼 트랜지스터의 UPA 패밀리를 사용한 VCO 및 버퍼 설계

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[Drosg-2] Drosg, Manfred; Steurer, Michael Morten (2014). Dealing with Electronics. Walter de Gruyter GmbH. pp. 4.5.3. ISBN 978-3110385625.

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[4] Electrical4U. "Voltage Controlled Oscillator VCO Electrical4U". www.electrical4u.com/. Retrieved 2021-04-22.

[5] Herley의 광대역 VCO - 일반 마이크로파 - "최적의 성능을 위해 사용되는 활성 소자는 실리콘 양극 트랜지스터입니다.(일반적으로 10~20dB의 저위상 노이즈 성능을 보이는 GaAs FET 대신)2012년 3월 8일 Wayback Machine에서 아카이브 완료

[6] Rhea, Randall W. (1997), Oscillator Design & Computer Simulation (Second ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052415-7

[7] 예를 들어 HP/Agilent 10811 기준 오실레이터

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v t 전자 발진기
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