اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ (VCO) — از صفر تا صد

اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ (Voltage Controlled Oscillator) یا VCO یک نوع بسیار مهم از انواع اسیلاتورها محسوب می‌شود. اسیلاتورهای کنترل شده با ولتاژ قادر هستند یک سیگنال نوسانی با فرکانس متغیر را تولید کنند. فرکانس شکل موج تولیدی متناسب با تغییرات دامنه ولتاژ ورودی تغییر می‌کند. در این مطلب قصد داریم به بررسی مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ و کاربرد مهم آن در حلقه قفل فاز یا PLL بپردازیم.

اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ یا VCO

امروزه بسیاری از تجهیزات الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه، رادیو، تلویزیون و پخش‌‌کننده‌های صوتی، ترکیبی از مدارات آنالوگ و دیجیتال هستند. در هر جایی که نیاز به ارسال و دریافت یک سیگنال وایرلس باشد و یا در بخشی از مدار یک سیگنال صوتی وجود داشته باشد، به یک سیگنال الکترونیکی متناوب نوسانی نیاز خواهد بود. این سیگنال‌ها را سیگنال‌های نوسانی (Oscillating Signals) می‌نامند.

فیلم آموزش الکترونیک 3 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

اسیلاتور در الکترونیک معمولا به یک مدار اشاره دارد که قادر به تولید این شکل موج باشد. شکل موج نوسانی می‌تواند از نوع سینوسی، مثلثی یا دندان اره‌ای باشد. به عنوان نمونه‌ای از مهم‌ترین مدارات اسیلاتور می‌توان به اسیلاتور LC، اسیلاتور RC و اسیلاتور هارتلی اشاره کرد. نوع مهم دیگری از اسیلاتورها، اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ است.

می‌توان اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ را مطابق شکل زیر، به صورت یک جعبه سیاه (Black Box) در نظر گرفت که یک سیگنال ولتاژ با دامنه متغیر به آن وارد می‌شود و در خروجی، یک سیگنال با فرکانس متغیر تولید می‌شود که فرکانس سیگنال خروجی مستقیما با دامنه ولتاژ ورودی متناسب است. در ادامه به سازوکار دقیق‌تر این جعبه سیاه می‌پردازیم.

انواع مختلفی از مدارات اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ وجود دارند. یک نوع بسیار ساده از این مدار را می‌توان با استفاده از یک خازن، سلف و یک مقاومت ایجاد کرد. همچنین از اپ امپ (Op-Amp)، مولتی ویبراتور، ترانزیستور و تایمر ۵۵۵ می‌توان برای ساخت مدار اسیلاتور استفاده کرد. علاوه بر این موارد، پکیج آی‌سی LM566 و LM567 نیز به عنوان اسیلاتورهای کنترل شده با ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای درک مفهوم اساسی یک مدار VCO، ابتدا یک اسیلاتور RC ساده را در نظر بگیرید.

در یک اسیلاتور RC، فرکانس شکل موج خروجی، به مقدار خازن مورد استفاده در مدار بستگی دارد؛ زیرا فرکانس نوسان با رابطه زیر تعیین می‌شود:

$$f = \frac {1} { 2 \pi R C}$$

بنابراین در چنین مداری، فرکانس نوسان به صورت معکوس با مقدار ظرفیت خازن مورد استفاده در مدار متناسب است. پس برای کنترل فرکانس خروجی مدار و کار کردن آن به عنوان اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، باید مقدار خازن را متناسب با مقدار ولتاژ ورودی تغییر دهیم. با استفاده از یک دیود خازنی یا واراکتور (Varactor Diode) در مدار می‌توان به یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ رسید. در واقع در دیود واراکتور، مقدار ظرفیت خازنی متناسب با مقدار ولتاژ اعمال شده به آن تغییر می‌کند. یک دیاگرام ساده از اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ در تصویر زیر نشان داده شده است.

مقدار ولتاژ کنترلی در این مدار را برابر با $$V_C$$ و فرکانس خروجی را برابر با $$f_o$$ در نظر می‌گیریم. آن‌گاه در شرایط عملکرد نرمال، با اعمال ولتاژ نامی (Nominal Voltage) به یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، در خروجی فرکانس نامی ایجاد می‌شود. با افزایش ولتاژ ورودی، فرکانس خروجی افزایش و با کاهش ولتاژ، فرکانس خروجی کاهش می‌یابد.

انواع اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

انواع مختلفی از مدارات اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، بسته به کاربرد آن وجود دارد، اما بر اساس ولتاژ خروجی، می‌توان آن‌ها را در دو گروه عمده طبقه‌بندی کرد.

فیلم آموزش الکترونیک 3 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

اسیلاتورهای هارمونیک (Harmonic Oscillators)

اگر شکل موج خروجی اسیلاتور سینوسی باشد، آن‌گاه به آن اسیلاتور هارمونیک گفته می‌شود. مدارات RC و LC در این طبقه جای می‌گیرند. پیاده‌سازی این نوع از اسیلاتورها دشوارتر است، اما دارای پایداری بهتری نسبت به اسیلاتورهای آرام هستند. اسیلاتورهای هارمونیک را اسیلاتورهای کنترل شده با ولتاژ خطی نیز می‌گویند.

اسیلاتورهای آرام (Relaxation Oscillator)

اگر شکل موج خروجی یک اسیلاتور دارای شکل موج مثلثی یا دندان اره‌ای باشد، آن‌گاه به آن اسیلاتور آرام می‌گویند. پیاده‌سازی این نوع از اسیلاتورها آسان‌تر است و به همین دلیل به صورت گسترده‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرند. اسیلاتورهای آرام را می‌توان در گروه‌های زیر نیز طبقه‌بندی کرد:

• اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ امیتر کوپل شده (Emitter Coupled Voltage Controlled Oscillator)
• اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ خازن زمین شده (Grounded capacitor Voltage Controlled Oscillator)
• اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ حلقه مبتنی بر تاخیر (Delay based ring Voltage Controlled Oscillator)

بیان ریاضی اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ یک مدولاتور فرکانسی (Frequency Modulator) است. ولتاژ خروجی $$V_{vco}$$ در این اسیلاتور را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

$$V_{\mathrm{vco}} ( t ) = V_{ \mathrm { o } } \sin \left [ \omega _ { \mathrm { c }} t + \theta ( t ) \right ]$$

انحراف فرکانس سیگنال خروجی از اسیلاتور را که با $$\mathrm { d } \theta / \mathrm { d } t$$ نشان می‌دهیم، با ولتاژ کنترل $$v_c$$ متناسب است.

فیلم آموزش الکترونیک 3 – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

این رابطه به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\frac{\mathrm{d} \theta(t)}{\mathrm{d} t}=K_{\mathrm{v}} v_{\mathrm{c}}(t)$$

انتگرال این مقدار برابر با فاز اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ است. بنابراین داریم:

$$\theta(t)=K_{\mathrm{v}} \int_{0}^{t} v_{\mathrm{c}}(x) \mathrm{d} x$$

در رابطه فوق مقادیر به صورت زیر هستند:

• $$V_{ vco}$$: ولتاژ خروجی از VCO
• $$V_0$$: دامنه ولتاژ خروجی از VCO
• $$\omega _c$$: فرکانس زاویه‌ای VCO
• $$\theta$$: فاز سیگنال VCO
• $$K _ V$$: ثابت VCO که بر حسب رادیان بر ثانیه بر واحد ورودی اندازه‌گیری می‌شود.
• $$v_c$$: ولتاژ کنترل VCO

کاربرد VCO در حلقه قفل فاز

همان طور که قبلا اشاره شد، اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از مهم‌ترین کاربردهای این اسیلاتورها در حلقه قفل فاز (Phase Locked Loop) است. در یک حلقه قفل فاز یا ترکیب‌کننده فرکانسی، عملکرد اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ تعیین‌کننده بسیاری از ویژگی‌های کلیدی مدار است و به همین دلیل در طراحی این بخش باید با دقت کافی عمل کرد.

طراحی یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ با عملکرد مطلوب، امری ساده نیست و مدار و تمام المان‌های مورد استفاده در تعیین عملکرد آن نقش کلیدی ایفا می‌کنند. ابتدا باید مدار از نظر تئوری به خوبی طراحی شود، سپس تمام المان‌ها با دقت بالا انتخاب شوند و در نهایت باید روی PCB پیاده‌سازی شود. حتی با وجود شبیه‌سازی نرم‌افزاری، امکان دارد مجبور به تکرار مراحل شویم. در تصویر زیر نمایی از یک مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ را مشاهده می‌کنید.

حلقه قفل فاز

حلقه قفل فاز یک سیستم کنترلی است که اساسا از سه بلوک تشکیل شده است. این بلوک‌ها آشکارساز فاز، فیلتر حلقه پایین گذر و اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ هستند. این سه بلوک با یکدیگر در یک حلقه فیدبک قرار می‌گیرند و تشکیل حلقه قفل فاز را می‌دهند که به صورت دائمی می‌تواند فاز سیگنال خروجی را منطبق بر فاز سیگنال ورودی حفظ کند. بلوک دیاگرام یک حلقه قفل فاز در سیستم زیر نشان داده شده است.

حلقه قفل فاز در کاربردهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که باید از یک فرکانس ورودی ناپایدار، یک فرکانس بزرگ پایدار به دست آوریم. بنابراین مهم‌ترین کاربرد مدار حلقه قفل فاز ایجاد یک سیگنال خروجی با فاز یکسان با فاز سیگنال ورودی است. این عمل در کاربردهای بی‌سیم مانند روتر (Router)، سیستم‌های مخابره فرکانس رادیویی یا RF و شبکه‌های موبایل بسیار مهم هستند.

حلقه قفل فاز با استفاده از حلقه فیدبک، می‌تواند فاز سیگنال ورودی را با فاز سیگنال خروجی مقایسه کند. تفاوت فاز بین این دو سیگنال محاسبه می‌شود و یک عبارت بر حسب ولتاژ به دست می‌آید که به آن ولتاژ خطا می‌گوییم. این سیگنال ولتاژ خطا دارای برخی مولفه‌های فرکانس بالا است که توسط عبور از فیلتر پایین گذر می‌توان آن‌ها را فیلتر کرد. آن‌گاه سیگنال ولتاژ فیلتر شده به یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ وارد می‌شود. VCO نیز به نوبه خود فرکانس سیگنال خروجی را متناسب با دامنه ولتاژ ورودی کنترلی به آن تغییر می‌دهد.

الزامات مدار VCO

هنگام طراحی یک مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ یا VCO، چندین پارامتر مختلف وجود دارند که باید قبل از شروع طراحی حتما به آن‌ها توجه شود. در این قسمت به بررسی چند مورد از مهم‌ترین پارامترهای عملکرد اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ را می‌پردازیم.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

بازه تنظیم VCO: واضح است که یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ باید در طول بازه‌ای تنظیم شود که عملکرد حلقه نیز در آن بازه انجام می‌گیرد. رسیدن به این هدف همواره آسان نیست و ممکن است لازم باشد مدار اسیلاتور VCO در برخی شرایط سوئیچ کند.

بهره تنظیم VCO: بهره یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ بسیار مهم است. این مقدار را بر حسب هرتز بر ولت اندازه‌گیری می‌کنند. همان طور که از واحد آن مشخص است، بهره تنظیم نشان‌دهنده شیفت تنظیم (Tuning Shift) به ازای یک تغییر خاص در ولتاژ است. بهره اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، روی برخی از محاسبات و ملاحظات طراحی حلقه کلی در حلقه قفل فاز تاثیر می‌گذارد. در تصویر زیر نمایی از منحنی فرکانس - ولتاژ مربوط به یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ را مشاهده می‌کنید.

منحنی پاسخ VCO در فرکانس‌های پایین نسبتا خط راست به نظر می‌رسد، اما در ولتاژهای بالاتر که تغییر در ظرفیت خازنی دیود واراکتور کاهش می‌یابد، منحنی شکل مسطح‌تری به خود می‌گیرد.

شیب نمودار ولتاژ - فرکانس در VCO: یکی از مهم‌ترین ملزومات هر اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ در حلقه قفل فاز این است که منحنی ولتاژ - فرکانس یکنواخت (Monotonic) باشد. به عبارت دیگر، این منحنی باید به یک صورت تغییر کند، معمولا با افزایش ولتاژ، فرکانس افزایش یابد. گاهی ممکن است در برخی نمونه‌ها و در نتیجه رزونانس جعلی (Spurious Resonances)، این یکنواختی وجود نداشته باشد که باعث می‌شود حلقه ناپایدار شود. به همین دلیل، برای عملکرد مناسب حلقه قفل فاز باید از وقوع این حالت جلوگیری شود. در تصویر زیر نمایی از منحنی ولتاژ - فرکانس یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ شامل یک گسستگی (Discontinuity) در نمودار دیده می‌شود.

همان طور که در تصویر دیده می‌شود، نمودار شامل یک فرورفتگی است که منجر به ناپایداری حلقه قفل فاز می‌شود.

عملکرد نویز فاز (Phase Noise Performance): عملکرد نویز فاز مربوط به یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ در برخی کاربردهای حلقه قفل فاز، مخصوصا در ترکیب‌کننده‌های فرکانسی از اهمیت بالایی برخوردار است. عملکرد نویز فاز در VCO یک فاکتور غالب از نویز فاز در بیرون از پهنای باند حلقه قفل فاز محسوب می‌شود. اگرچه مقادیر نزدیک به نویز توسط عملکرد حلقه قفل فاز کاهش داده می‌شود، اما بیرون از پهنای باند حلقه، نویز فاز اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ دیگر کاهش داده نمی‌شود.

این موارد تعدادی از ملزومات اصلی هستند که برای طراحی یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ باید به آن‌ها توجه کرد. بهینه‌سازی دقیق Q در مدار تنظیم‌شده مخصوصا با استفاده از دیود واراکتور با Q تا حد ممکن بزرگ، انتخاب ادوات اکتیو و بهینه‌سازی فیدبک در اسیلاتور نیز از اهمیت بالایی برخوردار هستند.

فیدبک VCO

مانند هر اسیلاتور دیگر، یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ نیز ممکن است به صورت یک تقویت‌کننده و یک حلقه فیدبک در نظر گرفته شود. بهره تقویت‌کننده را با A و بهره فیدبک را با B نشان می‌دهیم. برای اینکه یک مدار نوسان کند، باید تمام شیفت فاز اطراف حلقه برابر با ۳۶۰ درجه و بهره نیز برابر با یک باشد. در این مدار سیگنال‌ها حول حلقه فیدبک می‌شوند تا با یکدیگر جمع شوند، در نتیجه هر اغتشاش کوچک در حلقه فیدبک و ساخته می‌شود. به دلیل این واقعیت که شبکه فیدبک به فرکانس وابسته است، سیگنال در یک فرکانس، یعنی فرکانس رزونانس شبکه فیدبک ساخته می‌شود و یک سیگنال تک فرکانسی به دست می‌آید.

بسیاری از اسیلاتورها و VCOها از مدار امیتر مشترک استفاده می‌کنند. این مدار می‌تواند شیفت فاز ۱۸۰ درجه را به وجود بیاورد و شبکه فیدبک نیز می‌تواند ۱۸۰ درجه دیگر شیفت فاز ایجاد کند. سایر مدارت اسیلاتور و VCO ممکن است از یک مدار بیس مشترک استفاده کنند که در آن (با فرض استفاده از ترانزیستور دوقطبی) هیچ شیفت فازی بین سیگنال‌های امیتر و کلکتور وجود ندارد و شبکه شیفت فاز باید ۰ یا ۳۶۰ درجه شیفت را فراهم کند.

برای اینکه اسیلاتور در یک فرکانس ثابت نوسان کند، سیستم باید شامل یک مدار رزونانس باشد تا اطمینان حاصل شود که نوسان در فرکانس داده شده به وجود می‌آید. مدار رزونانس می‌تواند یکی از چند پیکربندی سری یا موازی مدار رزونانس LC باشد که رزونانس به مدار یا کریستال کوارتز بستگی دارد.

مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ کلپ (Clapp) و کولپیتس (Colpitts)

دو فرمت بسیار متداول برای اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، مدارات اسیلاتور کولپیتس و کلپ هستند. از بین این دو مدار، مدار کولپیتس بسیار معروف‌تر و دارای کاربر گسترده‌تر است، اما هر دو مدار دارای پیکربندی بسیار مشابه به یکدیگر هستند. این مدارات به عنوان اسیلاتور عمل می‌کنند؛ زیرا یک وسیله اکتیو مانند ترانزیستور دو قطبی و یک خازن متصل بین بیس و امیتر ($$C_1$$) و یک خازن دیگر متصل بین امیتر و زمین ($$C_2$$) برای مهیا کردن شرایط لازم جهت فیدبک مناسب در فاز صحیح و در نتیجه ایجاد نوسان امری ضروری است که در این دو آرایش این شرایط برقرار هستند. برای اینکه نوسان اتفاق بیفتد، نسبت بین دو خازن ($$C_1 : C_2$$) باید بزرگ‌تر از یک باشد.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۲ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

مدار نوسان را می‌توان از طریق گذاشتن یک المان القایی بین بیس و زمین ایجاد کرد. در مدار کولپیتس می‌توان از یک سلف به این منظور استفاده کرد، اما در مدار کلپ باید از یک سلف و خازن بهره برد که به صورت سری به یکدیگر متصل هستند. شرط لازم برای نوسان به صورت زیر است:

$$f^ 2 = \frac {1} {4 \pi L C}$$

ظرفیت خازنی یا کاپاسیتانس (Capacitance) برای مدار رزونانس کلی از طریق ترکیب سری دو خازن $$C_1$$ و $$C_2$$ به دست می‌آید. در مورد مدار اسیلاتور کلپ، خازن سری با سلف را نیز در ترکیب سری خازن $$C_1$$ و $$C_2$$ مورد محاسبه قرار می‌دهیم.

$$\frac {1} {C_t} = \frac {1} {C_1} + \frac {1} {C_2}$$

$$C_t = \frac {C_1 C_2} {C_1 + C_2}$$

به منظور تنظیم کردن اسیلاتور، تغییر نقطه رزونانس در مدار امری بسیار ضروری محسوب می‌شود. در مدار اسیلاتور کولپیتس، اضافه کردن یک خازن در دو سر سلف بهترین روش رسیدن به این هدف است. به صورت مشابه، در مدار اسیلاتور کلپ نیز باید یک خازن به صورت سری با سلف قرار گیرد.

در کاربردهای فرکانس بالا، یک مدار که در آن راکتانس القایی بین بیس و زمین قرار گرفته باشد، نسبت به سایر پیکربندی‌های مداری بیشتر ترجیح داده می‌شود. دلیل این امر این است که چنین مداراتی کمتر در خطر مشکلاتی مانند نوسان جعلی و سایر ناهنجاری‌ها قرار می‌گیرند.

انتخاب اداوات اکتیو در اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

در یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ می‌توان یا از ترانزیستور دو  قطبی و یا از ترانزیستور FET در یک توپولوژی مدار یکسان استفاده کرد. ترانزیستور دو قطبی دارای امپدانس ورودی پایین و مبتنی بر جریان است، در حالی که ترانزیستور FET دارای امپدانس ورودی بالا و مبتنی بر ولتاژ است. امپدانس ورودی بالا در ترانزیستور نوع FET قادر است که Q را در مدار تنظیم‌شده بهتر حفظ کند و همین امر باعث بهبود سطح کاری مدار بر حسب عملکرد نویز فاز می‌شود؛ زیرا حفظ نقطه Q در مدار تنظیم‌شده یک فاکتور کلیدی در کاهش نویز فاز محسوب می‌شود.

یک فاکتور مهم دیگر نویز لرزان (Flicker Noise) تولید شده به وسیله مدار است. اسیلاتورها مدارات به شدت غیرخطی هستند و در نتیجه نویز لرزان به صورت باندهای جانبی در VCO مدوله می‌شود و خود را به صورت نویز فاز در خروجی آشکار می‌کند. در حالت کلی می‌توان گفت که ترانزیستورهای نوع دو قطبی سطح نویز لرزان بسیار پایین‌تری را ایجاد می‌کنند و در نتیجه مدارات اسیلاتور کنترل شده با ولتاژی که مبتنی بر ترانزیستور دو قطبی ساخته شوند، دارای عملکرد نویز فاز بسیار بهتری هستند.

تنظیم اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

برای ساخت یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، نوسان باید متناسب با ولتاژ تنظیم شود. برای رسیدن به این هدف می‌توان از یک دیود واراکتور به عنوان خازن متغیر استفاده کرد. ولتاژ تنظیم برای اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ را می‌توان به دیود واراکتور اعمال کرد. در شکل زیر بار دیگر نمایی از مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ را می‌توان مشاهده کرد.

با توجه به شکل بالا می‌توان به این نکته پی برد که خط کنترل در آشکارساز فاز (Phase Detector) توسط یک مقاومت از دیود واراکتور ایزوله شده است. چوک‌های RF زمانی که بخشی از مدار رزونانس باشند، به خوبی عمل نخواهند کرد و این توانایی را دارند که احتمال وقوع نوسان جعلی و منحنی ولتاژ - فرکانس غیریکواخت (Non-monotonic) را افزایش دهند.

فیلم آموزش الکترونیک 3 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

مقادیر مقاومت اطراف ۱۰ کیلو اهم همیشه به خوبی کار می‌کنند، در حالیکه مقادیر کمتر از این حد منجر به ایزولاسیون RF نامناسب می‌شود که به نوبه خود منجر به کاهش Q در مدار تنظیم‌شده می‌شود. از طرف دیگر، مقادیر بزرگ‌تر از این حد نیز باعث می‌شود امپدانس منبع بسیار بزرگ شود. بنابراین برای یافتن مقدار بهینه، ممکن است داشتن اندکی تجربه به طراح کمک کند.

خازن سری $$C_3$$ برای مسدود کردن مقادیر DC از سلف مورد استفاده قرار می‌گیرد، در غیر این صورت، مقدار DC باعث به وجود آمدن اتصال کوتاه به زمین و نابودی پیکربندی بایاس مدار شود. مقدار خازن $$C_3$$ در مقایسه با خازن‌های $$C_1$$ و $$C_2$$ نسبتا بزرگ است و می‌تواند از دید رزونانس نادیده گرفته شود.

مشکلات دیود واراکتور در اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

هنگام استفاده از دیود واراکتور در مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، باید در طراحی مدار بسیار دقت کرد تا سطح درایو در مدار تنظیم‌شده بسیار بالا نباشد. زیرا اگر این اتفاق بیفتد، آن‌گاه دیود واراکتور ممکن است در حالت هدایت مستقیم قرار بگیرد، در نتیجه مقدار Q کاهش یابد و سطح سیگنال‌های جعلی افزایش یابد.

دو نوع اصلی از دیودهای واراکتور وجود دارند که ممکن است در یک مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ از آن‌ها استفاده شود. نام این دیودها به پیوند درون دیود اشاره دارد که به نوبه خود بر عملکرد آن‌ها تاثیر می‌گذارد.

دیود واراکتور سریع (Abrupt)

همان طور که از نام این دیودها مشخص است، دیودهای واراکتور ناگهانی دارای انتقال بسیار سریع بین نواحی مختلف دیود هستند. در حالیکه این نوع از دیودها بازه تنظیم بزرگ یا مشخصه انتقال خطی ندارند، اما در عوض قادر هستند مقدار Q بسیار بزرگتری را نسبت به نوع دیگر دیودهای واراکتور ایجاد کنند. این مشخصه منجر به بهبود عملکرد نویز فاز در اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ می‌شود.

نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که دیودهای واراکتور سریع، ممکن است به یک ولتاژ تنظیم بسیار بزرگ نیاز داشته باشند تا بازه تنظیم مورد نیاز را فراهم کنند. حتی برخی از این دیودها برای عملکرد در اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، به تغییرات ولتاژ تنظیم بالاتر از ۵۰ ولت نیاز دارند. این مورد باعث می‌شود که فراهم کردن منبع ولتاژ با ولتاژ به اندازه کافی بزرگ برای مدارات درایو با مشکل رو‌به‌رو شود.

دیود واراکتور فوق سریع (Hyper-abrupt)

این نوع از دیودهای واراکتور دارای منحنی ولتاژ - ظرفیت خازنی نسبتا خطی هستند، در نتیجه مشخصه تنظیم بسیار خطی دارند که ممکن است در برخی کاربردها مورد نیاز باشند. همچنین می‌توان این نوع از دیودها را در طول یک بازه وسیع تنظیم کرد. ممکن است تنظیم را در طول یک بازه هشت تایی (Octave) با تغییرات کمتر از ۲۰ ولت در ولتاژ تنظیم انجام داد. البته توجه کنید که این نوع از دیودهای واراکتور سطح بالای Q را ایجاد نمی‌کنند؛ زیرا از Q کلی مدار تنظیم‌شده کاسته می‌شود، به این معنی که عملکرد نویز فاز این دیود در مقایسه با عملکرد نویز فاز هنگام استفاده از دیود واراکتور سریع تقریبا در یک حد قرار دارند.

بنابراین طراحی یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ در بسیاری از مدارات، علی رغم ساختار ساده این مدار، امری مهم و نسبتا دشوار محسوب می‌شود. همیشه در طراحی اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ نیاز به بهینه‌سازی دقیق سطح فیدبک در ترکیب با ادوات و لایه‌ها داریم. همچنین در طراحی VCO باید برخی مولفه‌های متناقض مانند بازه تنظیم گسترده و نویز فاز پایین را به صورت دقیق متعادل کنیم. پس از بهینه‌سازی کامل و اتمام طراحی، سطح عملکرد مدار به سطح خوبی خواهد رسید.

آی‌سی اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

همان طور که در ابتدا گفتیم، اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ را می‌توان به سادگی با استفاده از جفت RC یا LC ایجاد کرد. اما در کاربردهای عملی، معمولا اسیلاتور VCO را به این صورت نمی‌سازند، بلکه از آی‌سی‌های مخصوص به این کار استفاده می‌کنند. یکی از معروف‌ترین آی‌سی‌ها برای تولید نوسان کنترل شده با ولتاژ، آی‌سی LM566 است.

فیلم آموزش الکترونیک 3 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

این آی‌سی قادر است هم شکل موج‌های مربعی و هم شکل موج‌های مثلثی را ایجاد کند. فرکانس نامی این سیگنال‌ها را می‌توان با استفاده از یک خازن و مقاومت خارجی تنظیم کرد. البته بعدا می‌توان این فرکانس را به صورت بلادرنگ بسته به ولتاژ تغذیه ورودی به آن تغییر داد. دیاگرام پین‌های آی‌سی LM566 در تصویر زیر نشان داده شده است.

این آی‌سی می‌تواند هم با استفاده از یک منبع تغذیه و هم با استفاده از دو منبع تغذیه با ولتاژ عملکردی تا ۲۴ ولت کار کند. پین ۳ و پین شماره ۴ از آی‌سی متعلق به خروجی هستند که می‌توان از آن‌ها به ترتیب خروجی‌های موج مربعی و مثلثی دریافت کرد. فرکانس نامی را می‌توان با اتصال مقادیر صحیح از مقاومت و خازن خارجی به پین‌های شماره ۶ و ۷ تنظیم کرد. فرمول محاسبه مقادیر خازن و مقاومت خارجی مبتنی بر مقدار فرکانس خروجی $$F_O$$ به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$F_O = 2.4 \frac { (V_{SS} - V _{C}) } { (R_O C_O V_{SS}) }$$

در رابطه فوق، مقدار $$V_{SS}$$ برابر با ولتاژ ولتاژ تغذیه (در اینجا ۱۲ ولت) و $$V_C$$ برابر با ولتاژ کنترل اعمال شده به پین شماره ۵ است که بر حسب دامنه آن مقدار فرکانس خروجی کنترل می‌شود. در این مدار با استفاده از دو مقاومت ۱٫۵ کیلو اهم و ۱۰ کیلو اهم یک مقسم ولتاژ تشکیل داده‌ایم تا یک ولتاژ ثابت را به پین شماره ۵ برسانیم. یک مدار ساده از آی‌سی LM566 در تصویر زیر نشان داده شده است.

در کاربردهای عملی، می‌توان از مقاومت‌های ۱٫۵ کیلو اهم و ۱۰ کیلو اهم صرف نظر کرد و ولتاژ کنترل را می‌توان به صورت مستقیم به پین شماره ۵ اعمال کرد. همچنین می‌توان مقدار خازن و مقاومت خارجی را مبتنی بر بازه فرکانس مورد نیاز تغییر داد. برای اطلاع از اینکه تغییرات مقدار فرکانس خروجی با ولتاژ کنترل ورودی تا چه حد خطی است، می‌توان به دیتاشیت این آی‌سی رجوع کرد. مقدار فرکانس خروجی با استفاده از ولتاژ کنترل اعمالی به پایه ۵ با نسبت ۱۰ به یک کنترل می‌شود که به ما کمک می‌کند تا گستره کنترلی وسیع‌تری را فراهم کنیم.

کاربردهای اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ

اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ در مدارات متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد که به عنوان مثال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کلیدزنی انتقال فرکانسی (Frequency Shift Keying) یا FSK
• شناساگرهای فرکانسی (Frequency Identifiers)
• تشخیص تن (Keypad Tone Recognizers)
• مولد سیگنال (Clock/Signal/Function Generators)
• حلقه قفل فاز (Phase Locked Loops)

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، مطالب و آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش الکترونیک ۳
• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی مخابرات
• آموزش مخابرات آنالوگ و دیجیتال
• فیلتر میان گذر پسیو — از صفر تا صد
• اشمیت تریگر با اپ امپ — از صفر تا صد
• نسبت سیگنال به نویز چیست؟ — از صفر تا صد

^^