壓控振蕩器(VCO)工作原理和控制特性

在通信、雷達(dá)、無(wú)線電控制系統(tǒng)等現(xiàn)代電子設(shè)備中，壓控振蕩器(Voltage-Controlled Oscillator，簡(jiǎn)稱(chēng)VCO)扮演著至關(guān)重要的角色。作為一種能夠輸出與輸入電壓相對(duì)應(yīng)的頻率變化的電子振蕩器，壓控振蕩器以其獨(dú)特的性能和應(yīng)用價(jià)值，在現(xiàn)代電子技術(shù)中占據(jù)了舉足輕重的地位。

壓控振蕩器是一種輸出頻率與輸入控制電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路。其工作原理基于某些電子器件(如晶體管、FET等)的非線性特性。當(dāng)輸入電壓改變時(shí)，這些器件的非線性特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致VCO的輸出頻率或振蕩幅度發(fā)生變化。因此，通過(guò)調(diào)整輸入控制電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)VCO輸出頻率的精確控制。

一、壓控振蕩器(VCO)工作原理

VCO電路可以通過(guò)許多電壓控制電子元件來(lái)設(shè)計(jì)，例如變?nèi)?a target="_blank">二極管、晶體管、運(yùn)算放大器等。在這里，我們將討論使用運(yùn)算放大器的VCO的工作原理。電路圖如下所示。

該 VCO 的輸出波形將為方波。眾所周知，輸出頻率與控制電壓有關(guān)。在該電路中，第一個(gè)運(yùn)算放大器將充當(dāng)積分器。這里實(shí)現(xiàn)了分壓器布置。因此，作為輸入給出的控制電壓的一半被提供給運(yùn)算放大器 1 的正極端子。相同的電壓電平保持在負(fù)極端子。這是為了將電阻器R 1兩端的壓降維持為控制電壓的一半。當(dāng)MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，從R 1電阻流出的電流流過(guò)MOSFET。 R 2 的電阻只有R 1 的一半，壓降相同，電流是R 1的兩倍。因此，額外的電流為連接的電容器充電。 Op-amp 1 應(yīng)提供逐漸增加的輸出電壓來(lái)提供該電流。當(dāng) MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，從 R 1流出的電流

電阻通過(guò)電容，放電。此時(shí)從運(yùn)算放大器1獲得的輸出電壓將會(huì)下降。結(jié)果，生成三角波形作為運(yùn)放 1 的輸出。

運(yùn)放 2 將作為施密特觸發(fā)器運(yùn)行。該運(yùn)算放大器的輸入是三角波，它是運(yùn)算放大器1的輸出。如果輸入電壓高于閾值電平，運(yùn)算放大器2的輸出將為V CC。如果輸入電壓低于閾值電平，運(yùn)算放大器2的輸出將為零。因此，運(yùn)算放大器2的輸出將為方波。

VCO 的示例是 LM566 IC 或IC566。它實(shí)際上是一個(gè)8腳集成電路，可以產(chǎn)生方波和三角波雙輸出。內(nèi)部電路如下圖所示。

二、壓控振蕩器(VCO)中的頻率控制

VCO 有多種形式，可以是某種類(lèi)型的 LC 或晶體振蕩器，也可以是某種類(lèi)型的 RC 振蕩器或多諧振蕩器。下圖說(shuō)明了 VCO 的基本操作。

對(duì)于 RC 型振蕩器，振蕩頻率與電容成反比 (f = 1 / (2πRC))，對(duì)于 LC 振蕩器，振蕩頻率為 1 / (2π√LC)。因此，隨著反向或控制電壓增加，電容減小。因此，控制電壓的增加會(huì)增加振蕩頻率，反之亦然。

在上圖中，振蕩器在標(biāo)稱(chēng)控制電壓 Vc 下以其正?；蜃杂蛇\(yùn)行頻率運(yùn)行。當(dāng)控制電壓增加到標(biāo)稱(chēng)值以上時(shí)，頻率會(huì)增加;當(dāng) Vc 降低到標(biāo)稱(chēng)電壓以下時(shí)，頻率會(huì)減少。

為了實(shí)現(xiàn)這種可變電壓，使用了可在不同電容范圍內(nèi)使用的可變電容二極管、變?nèi)荻O管。對(duì)于低頻振蕩器，可以采用替代方法，例如借助壓控電流源改變電容器的充電速率。

三、壓控振蕩器(VCO)的控制特性

其特性用輸出角頻率ω0與輸入控制電壓uc之間的關(guān)系曲線來(lái)表示。圖中,uc為零時(shí)的角頻率ω0,0稱(chēng)為自由振蕩角頻率;曲線在ω0,0處的斜率K0稱(chēng)為控制靈敏度。在通信或測(cè)量?jī)x器中，輸入控制電壓是欲傳輸或欲測(cè)量的信號(hào)(調(diào)制信號(hào))。人們通常把壓控振蕩器稱(chēng)為調(diào)頻器，用以產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)。在自動(dòng)頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號(hào)電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個(gè)受控部件。

壓控振蕩器的類(lèi)型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對(duì)壓控振蕩器的技術(shù)要求主要有：頻率穩(wěn)定度好、控制靈敏度高、調(diào)頻范圍寬、頻偏與控制電壓成線性關(guān)系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)頻范圍窄;RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。

四、壓控振蕩器(VCO)的類(lèi)型和性能指標(biāo)

壓控振蕩器的類(lèi)型多樣，主要包括LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器等。這些不同類(lèi)型的VCO在結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用方面各有特點(diǎn)。

1、LC壓控振蕩器

LC壓控振蕩器是最常見(jiàn)的VCO電路結(jié)構(gòu)之一。在LC振蕩器中，電感和電容組成一個(gè)諧振回路，當(dāng)諧振回路的阻抗為零時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振蕩。通過(guò)插入壓控可變電抗元件(如變?nèi)荻O管)到振蕩回路中，可以實(shí)現(xiàn)LC壓控振蕩器。當(dāng)輸入控制電壓改變時(shí)，壓控可變電抗元件的阻抗會(huì)發(fā)生變化，從而改變振蕩頻率。

2、RC壓控振蕩器

RC壓控振蕩器在單片集成電路中常用。其工作原理基于RC電路的時(shí)間常數(shù)與電阻和電容的關(guān)系。通過(guò)改變電阻或電容的值，可以調(diào)整RC電路的時(shí)間常數(shù)，進(jìn)而改變振蕩頻率。在RC壓控振蕩器中，通常使用壓控多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能。

3、晶體壓控振蕩器

晶體壓控振蕩器采用石英晶體作為穩(wěn)頻元件。通過(guò)將變?nèi)荻O管和石英晶體相串接，可以形成晶體壓控振蕩器。為了擴(kuò)大調(diào)頻范圍，可以采用AT切割的石英晶體和展寬調(diào)頻范圍的變換網(wǎng)絡(luò)。晶體壓控振蕩器具有頻率穩(wěn)定度高、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)頻范圍相對(duì)較窄。

五、壓控振蕩器(VCO)的性能指標(biāo)

壓控振蕩器的性能指標(biāo)是衡量其性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。以下是壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)：

1、頻率范圍

頻率范圍是指VCO在正常工作條件下能夠產(chǎn)生的最低頻率和最高頻率之間的范圍。這一指標(biāo)反映了VCO的適用性和可調(diào)范圍。一般來(lái)說(shuō)，頻率范圍越寬，VCO的適用范圍就越廣。

2、調(diào)諧范圍

調(diào)諧范圍是指VCO在輸入電壓的作用下能夠產(chǎn)生的頻率變化范圍。這一指標(biāo)反映了VCO的靈敏度和控制能力。調(diào)諧范圍越寬，VCO對(duì)輸入電壓的響應(yīng)就越敏感，控制能力也越強(qiáng)。

3、調(diào)諧增益

調(diào)諧增益是指單位的輸入電壓與輸出頻率的變化之比，一般用Kv表示，單位是Hz/V。調(diào)諧增益反映了VCO的靈敏度，即輸入電壓變化對(duì)輸出頻率的影響程度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的調(diào)諧增益。

4、頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是指VCO在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或環(huán)境條件變化時(shí)輸出頻率的穩(wěn)定性。這一指標(biāo)反映了VCO的抗干擾能力和可靠性。頻率穩(wěn)定度越高，VCO的輸出頻率就越穩(wěn)定，抗干擾能力也越強(qiáng)。

5、相位噪聲

相位噪聲是指在輸出信號(hào)中由于各種噪聲和干擾引起的相位變化。相位噪聲是衡量VCO噪聲性能的重要指標(biāo)之一。相位噪聲越小，VCO的噪聲性能就越好，輸出信號(hào)的質(zhì)量也越高。

6、功耗和體積

功耗和體積是衡量VCO實(shí)用性的重要指標(biāo)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備功耗和體積的要求越來(lái)越高。因此，在設(shè)計(jì)和選擇VCO時(shí)，需要充分考慮其功耗和體積因素。

綜上所述，壓控振蕩器作為一種重要的電子振蕩器，在現(xiàn)代電子技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)壓控振蕩器的基本原理、類(lèi)型和性能指標(biāo)進(jìn)行深入分析，可以更好地理解和應(yīng)用壓控振蕩器，為現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。