Los fundamentos de los osciladores controlados por tensión (VCO) y cómo seleccionarlos y utilizarlos

Muchas aplicaciones electrónicas requieren que la frecuencia de una señal varíe en función de la amplitud de otra señal. Un buen ejemplo es una señal de frecuencia modulada en la que la frecuencia de una portadora varía con la amplitud de la fuente de modulación. Considere también un bucle de bloqueo de fase (PLL): Utiliza un sistema de control para variar la frecuencia o la fase de un oscilador para que coincida con la frecuencia/fase de una señal de referencia de entrada.

El objetivo de los diseñadores es determinar cómo llevar a cabo esta función de la manera más eficiente y rentable posible, garantizando al mismo tiempo la precisión, la fiabilidad y la estabilidad a lo largo del tiempo y la temperatura.

Esta es la función de los osciladores controlados por tensión (VCO). Estos dispositivos están diseñados para producir una señal de salida cuya frecuencia varía con la amplitud de la tensión de una señal de entrada en un rango razonable de frecuencias. Se utilizan en PLL, moduladores de frecuencia y fase, radares y muchos otros sistemas electrónicos.

Este artículo explica por qué los VCO son a menudo la mejor opción del diseñador para esta función y luego describe brevemente cómo funcionan los VCO, y el diseño de los VCO desde los diseños de componentes discretos hasta los CI de VCO monolíticos. A continuación, examina cómo se pueden especificar los VCO para que se adapten a aplicaciones específicas utilizando ejemplos reales de varios proveedores, como Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions y Crystek Corporation.

¿Cuál es la función de un VCO?

Como se ha mencionado, muchas aplicaciones electrónicas requieren que la frecuencia o la fase de una señal se varíe o se controle en función de la amplitud de otra señal. Las aplicaciones típicas son los sistemas de comunicaciones, los chirridos de frecuencia en los radares, el seguimiento de fase en los PLL y las aplicaciones de salto de frecuencia, como la entrada remota sin llave (Figura 1).

Figura 1: Ejemplos de aplicaciones que requieren variaciones de frecuencia o fase controladas por una tensión de señal aplicada incluyen la modulación de frecuencia en los sistemas de comunicaciones (arriba), los chirridos de frecuencia en el radar (segundo hacia abajo), el seguimiento de la fase en los bucles de bloqueo de fase (tercero hacia abajo) y las aplicaciones de salto de frecuencia como los sistemas de entrada remota sin llave (abajo). (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los VCO están diseñados específicamente para producir una señal de salida cuya frecuencia varía en función de la amplitud de una señal de entrada en un rango razonable de frecuencias.

Cómo funcionan los VCO

Los VCO vienen en formas discretas, modulares y monolíticas, pero una discusión de los VCO discretos proporcionará una comprensión básica de cómo funcionan y por qué ciertas especificaciones son importantes. A continuación, se ofrecerá una visión general de las soluciones modulares y monolíticas.

Al utilizar un enfoque discreto para los VCO, los diseñadores tienen una gran flexibilidad con respecto a la satisfacción de las especificaciones personalizadas. Este enfoque es especialmente común en los proyectos de bricolaje, sobre todo en la radioafición. Estos diseños, destinados a funcionar en proyectos de radio de alta frecuencia, se basan en topologías de osciladores clásicos, como los osciladores de inductor-condensador (LC) de Hartley y Colpitts (Figura 2).

Figura 2: Los osciladores clásicos, incluidos los osciladores LC de Hartley y Colpitts, pueden utilizarse como base para el diseño de un VCO. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Todos los osciladores se basan en el uso de la retroalimentación positiva para lograr una oscilación sostenida. Los osciladores Hartley y Colpitts son diseños básicos que generan retroalimentación positiva de diferentes maneras. La retroalimentación positiva requiere que la señal a la salida del oscilador sea devuelta a la entrada con un desplazamiento de fase total de 360°. El amplificador proporciona una inversión monofásica de 180°, y la otra mitad de los 360° proviene del LC del circuito del tanque resonante. El circuito del depósito determina la frecuencia nominal de oscilación. Se compone de L1, L2 y Ct en el circuito del oscilador Hartley, y de L1, Ct1 y Ct2 en el oscilador Colpitts.

El oscilador Hartley utiliza el acoplamiento inductivo para obtener la inversión de fase por medio de un inductor doble o con toma (L1 y L2) que se muestra en el circuito. El oscilador Colpitts emplea un divisor de tensión capacitivo formado por Ct1 y Ct2 en el circuito respectivo. Hay muchos diseños derivados de estos diseños básicos, cada uno con su propio nombre. Los diseños derivados intentan aislar el circuito del tanque del amplificador para evitar los desplazamientos de frecuencia debidos a la carga. Hay muchos derivados de este tipo entre los que los diseñadores pueden elegir su favorito.

El control de la frecuencia se añade a estos diseños empleando diodos varactores para variar la frecuencia de resonancia del circuito del tanque. El diodo varactor, a veces llamado diodo varicap, es un diodo de unión diseñado para proporcionar capacitancia variable. La unión P-N está en polarización inversa y la capacitancia del diodo se puede variar cambiando la polarización de CC aplicada. La capacitancia del varactor varía de forma inversa a la polarización de CC aplicada: cuanto mayor sea la polarización inversa, más amplia será la región de agotamiento del diodo y, por tanto, menor será la capacitancia. Esta variación puede verse en el gráfico de capacitancia frente a la tensión inversa del diodo varactor de unión hiperabrupta SMV1232_079LF de Skyworks Solutions (Figura 3). Este diodo tiene una capacitancia de 4.15 picofaradios (pF) a cero voltios y 0.96 pF a 8 voltios.

Figura 3: El gráfico de voltaje-capacitancia del diodo varactor SMV1232 de Skyworks Solution muestra claramente cómo la capacitancia varía inversamente con la polarización de CC aplicada. (Fuente de la imagen: Skyworks Solutions)

El rango de capacitancia del diodo varactor determina el rango de sintonización del VCO. El control de la tensión del oscilador se realiza añadiendo el varactor en paralelo con el circuito tanque, como se muestra en la figura 4. La figura muestra un diseño de referencia de la placa de evaluación de un oscilador Colpitts VCO con una frecuencia central de 1 gigahercio (GHz) y un rango de sintonía de unos 100 megahercios (MHz). Incorpora un buffer seguidor de emisor para aislar el VCO de las variaciones de carga. El circuito de tanque resonante en este diseño incluye el inductor L3 y los condensadores C4, C7 y C8. El diodo varactor, VC1, está en paralelo con el tanque. El condensador C4 controla el rango de variación de la frecuencia para una determinada selección de varactores, mientras que C7 y C8 proporcionan la retroalimentación necesaria para mantener la oscilación.

Figura 4: Diseño de referencia de la placa de evaluación de un oscilador VCO de Colpitts con una frecuencia central de 1 GHz y un rango de sintonía de unos 100 MHz. El diodo varactor, VC1 (abajo a la izquierda), está en paralelo con el tanque, que comprende el inductor L3 y los condensadores C4, C7 y C8. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

La elección de los varactores y los transistores de unión bipolar depende de la frecuencia del oscilador. Para frecuencias nominales de 1 GHz, pueden utilizarse transistores de RF como el BFU520WX de NXP Semiconductor o el BFP420FH6327XTSA1 de Infineon Technologies. El BFU520WX tiene una frecuencia de transición de 10 GHz y una ganancia de 18.8 decibelios (dB), y el BFP420FH6327XTSA1 tiene una frecuencia de transición de 25 GHz con una ganancia de 19.5 dB. Ambos tienen un producto de ganancia-ancho de banda suficiente para este circuito a 1 GHz.

En resumen, los VCO discretos ofrecen la máxima flexibilidad de diseño, pero son más grandes y ocupan más espacio en la placa de circuito impreso que los dispositivos modulares o monolíticos.

Especificación de VCO

Las principales especificaciones del VCO suelen empezar por el rango de frecuencias nominales, es decir, las frecuencias mínimas y máximas que se pueden obtener. Alternativamente, pueden especificarse como una frecuencia nominal o central y un rango de sintonía.

El rango de tensión de sintonía de entrada se corresponde con la oscilación de la tensión de entrada, que sintoniza el VCO en el rango de sintonía (Figura 5).

Figura 5: El gráfico de la curva de sintonía de la frecuencia de salida en función de la tensión de sintonía de entrada proporciona una visión básica de la linealidad del VCO en comparación con un ajuste lineal. La pendiente de la frecuencia de salida frente a la tensión de sintonía es la sensibilidad de sintonía. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La ganancia de sintonía o sensibilidad, medida en unidades de MHz/voltio (V), es la pendiente del gráfico de frecuencia vs. voltaje. Es una medida de la linealidad de la sintonía. En las aplicaciones en las que el VCO está en un bucle de control, como en el caso de un PLL, la sensibilidad de sintonización es la ganancia del elemento VCO y puede afectar a la dinámica y la estabilidad del bucle de control.

La potencia de salida del VCO especifica la potencia entregada a una carga de impedancia especificada, normalmente 50 ohmios (Ω) para los VCO de RF. La potencia de salida se especifica en dB referidos a 1 milivatio (mW) (dBm). La planicidad de la potencia de salida en el rango de frecuencias del VCO también puede ser de interés.

El arrastre de carga es el cambio en la frecuencia de salida del VCO debido a los cambios en la impedancia de la carga, medido en MHz pico a pico (pk-pk). El aislamiento de la carga suele mejorarse mediante el uso de un amplificador tampón como el seguidor de emisor que se muestra en la figura 4.

El empuje de la fuente de alimentación es la variación de la frecuencia de salida del VCO debido a las variaciones de la tensión de alimentación. Se mide en MHz/V.

La especificación del ruido de fase es un indicador de la pureza de la señal del VCO. Un oscilador ideal tiene un espectro de frecuencia que es una línea espectral estrecha en la frecuencia del oscilador. El ruido de fase representa una modulación no deseada del oscilador y amplía la respuesta espectral. El ruido de fase es el resultado de las fuentes de ruido térmicas y de otro tipo dentro del circuito del oscilador y se da como decibelios por debajo de la portadora por hertz (dBc/Hz). El ruido de fase en el dominio de la frecuencia da lugar a una fluctuación de tiempo en el dominio del tiempo que se manifiesta como error de intervalo de tiempo (TIE).

VCO modulares

Los VCO modulares representan el siguiente nivel de integración de circuitos. Estos VCO están empaquetados en una pequeña caja modular y se utilizan como un componente. Los VCO modulares suelen ofrecer una mayor densidad de empaquetamiento que una implementación discreta de un VCO. Están disponibles en una gama de frecuencias de salida, rangos de sintonía y niveles de potencia de salida. Un ejemplo es el VCO CRBV55BE-0325-0775 de Crystek Corporation (Figura 6). Este dispositivo mide 1.25 x 0.59 pulgadas (pulgadas) (31.75 x 14.99 milímetros (mm)) con una altura de 1.25 pulgadas y tiene un rango de sintonía de 325 a 775 MHz para un rango de tensión de entrada de 0 a 12 voltios. Tiene un nivel de potencia de salida de +7 dBm (típico) con un ruido de fase de -98 dBc/Hz a 10 kilohercios (kHz) de desplazamiento de la portadora, y de -118 dBc/Hz a 100 kHz.

Figura 6: Esquemas del VCO CRBV55BE de Crystek que muestran su formato compacto con dimensiones de 1.25 x 1.25 x 0.59 pulgadas. (Fuente de la imagen: Crystek Corporation)

En cuanto a la dinámica de control, el VCO de Crystek tiene una sensibilidad de sintonía típica de 45 MHz/V. El empuje de la fuente de alimentación se especifica como 0.5 MHz/V típico y 1.5 MHz/V máximo. El tiro de carga es de 5.0 MHz pk-pk, como máximo.

VCO monolíticos

Los VCO pueden implementarse como CI monolíticos. El CI monolítico proporciona la mayor densidad de volumen. Al igual que los VCO modulares, los VCO monolíticos están diseñados para bandas operativas específicas. Como ejemplo, considere el MAX2623EUA+T de Maxim Integrated. Se trata de un VCO autónomo con un oscilador integrado y un buffer de salida en un único encapsulado mMax de 8 pines (Figura 7).

Figura 7: Diagrama de bloques y configuración de pines del VCO MAX2623 de Maxim Integrated. Se trata de un VCO convencional basado en LC que utiliza diodos varactores dobles para el control de la tensión. Incluye un búfer de salida integrado en un paquete de 8 pines. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

El diseño incluye un inductor de tanque en el chip y diodos varactores. Funciona con una fuente de alimentación de +2.7 a +5.5 voltios y solo consume 8 miliamperios (mA). El MAX2623 es uno de los tres VCO de la familia de productos, cada uno de los cuales se diferencia por sus frecuencias de funcionamiento previstas. El MAX2623 está sintonizado en el rango de 885 a 950 MHz, que cubre la banda Industrial, Científica y Médica (ISM) de 902 a 928 MHz, donde puede utilizarse como oscilador local. El VCO tiene un nivel de potencia de salida de -3 dBm a 50 Ω con un ruido de fase de -101 dBc/Hz típico a 100 kHz de offset. El rango de tensión de control es de 0.4 a 2.4 voltios, y el arrastre de carga suele ser de 0.75 MHz, pk-pk. El empuje de la fuente de alimentación es de 280 kHz/voltios (típico). Su envase mide 0.12 x 0.12 x 0.043 pulgadas. (3.03 x 3.05 x 1.1 mm).

Otro ejemplo de VCO monolítico es el HMC512LP5ETR de Analog Devices. Este VCO cubre el rango de frecuencias de 9.6 a 10.8 GHz utilizando una tensión de sintonía de 2 a 13 voltios. Está destinado a las comunicaciones por satélite, la radio multipunto y las aplicaciones militares (Figura 8).

Figura 8: Diagrama de bloques del VCO HMC512LPETR de Analog Devices que muestra el diodo varactor integrado y el núcleo del oscilador con resonador integrado. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Este circuito integrado de microondas monolítico (MMIC) VCO utiliza transistores bipolares de heterojunción de GaAs e InGaP para lograr un amplio ancho de banda y un nivel de potencia de salida de +9 dBm en una carga de 50 Ω utilizando una fuente de alimentación de 5 voltios de CC. El ruido de fase es de -110 dBc/Hz con un desplazamiento de 100 kHz. El arrastre de la carga es típicamente de 5 MHz pico a pico. El empuje de la fuente de alimentación es típicamente de 30 MHz/voltio a 5 voltios. El dispositivo está empaquetado en un paquete de montaje superficial QFN de 5 x 5 mm. Observe en la figura que este VCO también incluye salidas auxiliares de media y un cuarto de frecuencia. Estas salidas de frecuencia fraccionaria se pueden utilizar para conducir un sintetizador PLL para bloquear la fase de la salida primaria del VCO si se desea, o para sincronizar otras señales de la cadena de tiempo.

Ambos dispositivos monolíticos se caracterizan por su pequeño tamaño, que es la principal ventaja de este tipo de VCO.

Conclusión:

Los VCO, ya sean discretos, modulares o monolíticos, satisfacen la necesidad de control de frecuencia basado en la tensión que se requiere en numerosas aplicaciones. Se utilizan en generadores de funciones, PLL, sintetizadores de frecuencia, generadores de reloj y sintetizadores musicales analógicos. Aunque se trata de dispositivos relativamente sencillos, su uso adecuado requiere un sólido conocimiento de su funcionamiento y de sus principales especificaciones. Una vez que las cosas están claras, hay muchos diseños y proveedores entre los que elegir.