Algunas aplicaciones inalámbricas donde la frecuencia de salida es función de la entrada requieren un tipo de oscilador sintonizable. Lo más común es que se utilice una señal de voltaje como entrada de control para variar la frecuencia de salida. Este tipo de oscilador se llama oscilador controlado por voltaje o simplemente VCO.
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Más comúnmente, se utilizan en moduladores de pulso (AM), moduladores de frecuencia (FM) y bucles de bloqueo de fase. La frecuencia se varía controlando electrónicamente la capacitancia dependiente del voltaje del circuito resonante RLC. Expliquemos brevemente este concepto.
Tabla de contenido
control de frecuencia VCO
Los VCO vienen en muchas formas, algunos son algún tipo de LC u oscilador de cristal, otros algún tipo de oscilador RC o multivibrador. El siguiente diagrama muestra el funcionamiento básico del VCO.
Para los osciladores de tipo RC, la frecuencia de oscilación es inversamente proporcional a la capacitancia (f = 1 / (2πRC)), y para los osciladores LC, la frecuencia de oscilación es 1 / (2π√LC). Por lo tanto, a medida que aumenta el voltaje inverso o el voltaje de control, la capacitancia disminuye. Por lo tanto, a medida que aumenta el voltaje de control, aumenta la frecuencia de oscilación y viceversa.
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En el diagrama anterior, el oscilador funciona a su frecuencia normal o libre con el voltaje de control nominal Vc. Cuando el voltaje de control excede el valor nominal, la frecuencia aumenta y cuando Vc cae por debajo del voltaje nominal, la frecuencia disminuye.
Para conseguir esta tensión variable se utilizan varactores, diodos de capacitancia variable, que están disponibles en diferentes rangos de capacitancia. Se han implementado métodos alternativos para osciladores de baja frecuencia, como la utilización de fuentes de corriente controladas por voltaje para variar la velocidad de carga del capacitor.
Tipos de osciladores controlados por voltaje
Dependiendo del tipo de forma de onda producida, los osciladores controlados por voltaje se dividen en dos grupos: osciladores armónicos y osciladores de relajación.
oscilador armónico
Un oscilador armónico o lineal controlado por voltaje produce una forma de onda de salida sinusoidal. Los osciladores de cristal y los osciladores LC son ejemplos de este tipo de VCO. En este VCO, la capacitancia del diodo varactor cambia según el voltaje a través del diodo. Por lo tanto, el varactor cambia la capacitancia del circuito LC, cambiando así la frecuencia.
En cuanto a la fuente de alimentación, la estabilidad de la temperatura y la frecuencia del ruido de estos osciladores es mucho mejor en comparación con los osciladores de relajación. Sin embargo, el inconveniente de este oscilador es que no se puede implementar fácilmente en un circuito integrado monolítico.
oscilador de relajación
Estos VCO se utilizan para generar ondas triangulares o en dientes de sierra. Estos se pueden implementar fácilmente en circuitos integrados monolíticos que se pueden sintonizar en una amplia gama de frecuencias. Estos osciladores también se clasifican como VCO de emisor acoplado, VCO de condensador conectado a tierra y VCO de anillo basados en retardo.
Los dos usos más comunes de los VCO son el VCO como multivibrador astable y el VCO como disparador Schmitt.
Para un VCO multivibrador astable, la corriente de carga capacitiva en cada lado del multivibrador es proporcional al voltaje de entrada externo. Dependiendo del valor del condensador, se selecciona el rango de frecuencia del multivibrador.
Una onda cuadrada es la salida de este tipo de oscilador. Este método es simple de operar, tiene bajo costo y opera con baja corriente de suministro.
Otra forma común de VCO se construye básicamente con comparadores, integradores, interruptores y disparadores Schmitt. El condensador de sincronización se carga en un rango de voltaje mediante un buffer dentro del VCO IC. Esta corriente de carga es proporcional al voltaje de modulación.
Una vez que se alcanza el nivel umbral, el condensador deja de cargarse y comienza a descargarse. Por lo tanto, los ciclos de carga y descarga producen una salida periódica que no es rectangular.
Principio de funcionamiento de VCO
Se pueden realizar diferentes diseños de circuitos para implementar osciladores controlados por voltaje utilizando varios componentes electrónicos controlados por voltaje, como transistores, diodos varactor y amplificadores operacionales. La siguiente figura muestra un oscilador simple controlado por voltaje utilizando un multivibrador astable.
En este caso, las resistencias constantes de tiempo R1 y R2 están conectadas a la línea de control externa V.Control. El voltaje que C1 y C2 descargan a través de R1 y R2 cambia a medida que cambia VControl Voltaje. Por lo tanto, la tasa de descarga aumenta al aumentar V.Control.
Esta configuración cambia el voltaje de base que la base del transistor debe subir o bajar. Por lo tanto, encender o apagar estos elementos RC y transistores cambia la frecuencia de operación de la oscilación de salida.
A continuación se muestran otros formatos de circuito de osciladores controlados por voltaje. Esto se implementa utilizando dos amplificadores operacionales. Produce una onda cuadrada en la salida, cuya frecuencia está determinada por la tensión de control. El primer amplificador operacional actúa como integrador.
El voltaje de control se aplica al terminal de entrada y la configuración del divisor de voltaje aplica la mitad del voltaje de control al terminal positivo del primer amplificador operacional. Además, en el terminal negativo, el voltaje se mantiene al mismo nivel para mantener la caída de voltaje en R1 a la mitad del voltaje de control.
Cuando el MOSFET está encendido, la corriente de la resistencia R1 fluye a través del MOSFET. El voltaje convertido en una señal de corriente carga el capacitor. Por lo tanto, para suministrar esta corriente, el primer amplificador operacional debe proporcionar un voltaje de salida en constante aumento.
Cuando el MOSFET se apaga, la corriente fluye a través de R1 y descarga el capacitor. Por lo tanto, necesitamos reducir el voltaje de salida del primer opamp. Por lo tanto, la salida del primer amplificador operacional será una forma de onda triangular.
El segundo opamp actúa como un disparador Schmitt y acepta una onda triangular como entrada del primer opamp. Cuando el voltaje de entrada esté por encima del nivel umbral, la salida será Vcc, y cuando la entrada esté por debajo del nivel umbral, la salida será cero. Por lo tanto, se produce una salida de onda cuadrada en la salida.
Oscilador controlado por voltaje usando LM566
El LM566 es una unidad IC de oscilador controlado por voltaje con circuito interno que genera señales de onda triangular y cuadrada cuya frecuencia se establece o ajusta mediante condensadores y resistencias externos con la aplicación de un voltaje de CC.
La siguiente figura muestra un diagrama de bloques del IC LM566 donde la fuente de corriente carga y descarga un capacitor externo a una velocidad establecida por la resistencia R1 y también controla el voltaje de entrada de CC. Para alternar entre cargar y descargar el condensador, se utiliza un circuito disparador Schmitt como se muestra en la figura.
El voltaje de onda cuadrada generado por el disparador Schmitt y el voltaje de onda triangular a través del capacitor se proporcionan como salidas a través de un amplificador buffer.
bucle de bloqueo de fase
Un oscilador controlado por voltaje es un componente clave de un bucle de fase bloqueada. Un bucle de reloj de fase es un componente analógico utilizado en muchas aplicaciones digitales y analógicas. Se utilizan para la recuperación del reloj en muchos sistemas digitales y de comunicación, y también se utilizan como sintetizadores de frecuencia en sistemas de comunicación por radio y televisión para seleccionar diferentes canales.
El PLL funciona de modo que la frecuencia y la fase del oscilador controlado por voltaje estén sincronizadas con una segunda señal de referencia. Como se muestra en la figura, es un circuito electrónico que consta de un oscilador controlado por voltaje, un filtro de paso bajo y un detector de fase. Puede sincronizarse o bloquearse con la señal recibida.
Siempre que cambia la frecuencia de la señal de entrada, el comparador de fase compara la frecuencia de la entrada con la frecuencia de la señal de salida del oscilador y genera una señal de diferencia de fase.
Esta salida se filtra con un filtro de paso bajo para producir la salida del filtro como V.Control Controle la frecuencia del VCO hasta que la frecuencia y la diferencia de fase sean cero. En este punto, el PLL está bloqueado o sincronizado con la frecuencia de entrada. Los PLL se utilizan principalmente en aplicaciones de síntesis y modulación de frecuencia.
Ejemplos de aplicación de VCO
- generador de tonos
- generador de funciones
- bucle de bloqueo de fase
- Un sintetizador que genera varios tonos para producir música electrónica.
- Utilizado como sintetizador de frecuencia en equipos de comunicación.
- generador de reloj
- frecuencia de modulación por desplazamiento