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1.8 压控振荡器

对于某些无线应用来说，需要一种可调谐的振荡器，其输出频率是输入的函数。通常使用电压信号作为控制输入来改变输出频率。这种振荡器被称为压控振荡器（Voltage-controlled oscillators，简称VCO）。

它们最常用于脉冲调制器（AM）、频率调制器（FM）和锁相环。通过电子方式控制谐振电路RLC中的电压依赖电容来改变频率。让我们简要讨论一下这个概念。

VCO中的频率控制​

VCO有多种形式，它可以是某种LC振荡器或晶体振荡器，也可以是某种RC振荡器或多谐振荡器。下图说明了VCO的基本工作原理。

对于RC型振荡器，振荡频率与电容成反比（f=12πRCf = \frac{1}{2\pi RC}），对于LC振荡器，振荡频率为 12πLC\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}。因此，随着反向或控制电压的增加，电容减小。因此，控制电压的增加会增加振荡频率，反之亦然。

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在上图中，振荡器在其正常或自由运行频率下运行，控制电压为标称值 VcV_c。随着控制电压高于标称值，频率增加，随着 VcV_c 低于标称电压，频率降低。

为了实现这种可变电压，使用了可变电容二极管（变容二极管，varactors），它们具有不同范围的电容值。对于低频振荡器，还采用了其他方法，例如通过电压控制电流源改变电容的充电速率。

压控振荡器的类型​

根据产生的波形类型，压控振荡器分为两类：谐波振荡器和弛豫振荡器。

谐波振荡器​

谐波或线性压控振荡器产生正弦波输出。晶体振荡器和LC振荡器是这种VCO的示例。在这种VCO中，二极管上的电压会改变变容二极管的电容。因此，变容二极管改变了LC电路的电容，从而改变了频率。

与弛豫振荡器相比，这些振荡器在电源、温度和噪声频率稳定性方面表现更好。但这种振荡器的缺点是它不容易在单片集成电路（IC）上实现。

弛豫振荡器​

这些VCO用于产生三角波或锯齿波。这些振荡器可以很容易地在单片集成电路（IC）上实现，并且可以在很宽的频率范围内调谐。这些振荡器又分为发射极耦合VCO、接地电容VCO和基于延迟的环形VCO。

VCO最常见的两种形式是：VCO作为多谐振荡器和VCO作为施密特触发器。

在多谐振荡器VCO的情况下，多谐振荡器两侧的电容充电电流与外部输入电压成正比。根据多谐振荡器中的电容值选择频率范围。

这种振荡器的输出是方波。这种方案操作简单，成本较低，并且可以在低电源电流下工作。

另一种常见的VCO形式本质上是用比较器、积分器、开关和施密特触发器构建的。VCO IC内部的缓冲器使定时电容在一定的电压范围内充电。这种充电电流与调制电压成正比。

一旦达到阈值电平，电容停止充电并开始放电。因此，充电和放电的循环产生了一个非方波型的周期性输出。

VCO工作原理​

可以使用不同的电压控制电子元件（如晶体管、变容二极管、运算放大器等）设计多种电路，以实现压控振荡器。下图展示了一个使用多谐振荡器的简单电压控制振荡器。

在这种情况下，时间常数电阻 R1R_1 和 R2R_2 被引出到外部控制线 VcontrolV_{\text{control}}。电容 C1C_1 和 C2C_2 通过 R1R_1 和 R2R_2 放电的电压会随着 VcontrolV_{\text{control}} 电压的变化而变化。因此，随着 VcontrolV_{\text{control}} 的增加，放电速度加快。

这种布置改变了晶体管基极必须上升或下降的基极电压。因此，通过这些RC元件和晶体管的导通或截止，改变了输出的振荡频率。

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下图展示了一个使用两个运算放大器实现的压控振荡器电路。它在输出端产生方波，其频率由控制电压决定。第一个运放作为积分器工作。

控制电压被施加在输入端，由于电压分配器的设置，控制电压的一半被施加在第一个运放的正端。同时，为了保持 R1R_1 两端的电压降为控制电压的一半，负端的电压也保持在同一水平。

当MOSFET导通时，来自电阻 R1R_1 的电流通过MOSFET流动。现在转换为电流信号的电压对电容进行充电。因此，为了提供这个电流，第一个运放必须提供一个稳步上升的输出电压。

当MOSFET截止时，电流从 R1R_1 流出，从而对电容进行放电。因此，需要从第一个运放产生一个下降的输出电压。因此，第一个运放的输出是一个三角波形。

第二个运放作为施密特触发器工作，它从第一个运放接收三角波作为输入。当输入电压高于阈值电平时，它在输出端输出 VccV_{cc}，如果输入电压低于阈值电平，输出变为零。因此，在输出端产生方波输出。

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使用LM566的VCO​

LM566是一个压控振荡器集成电路单元，其内部电路可以产生三角波和方波信号，其频率由外部电容和电阻设置或调整，并通过直流电压的应用来控制。

下图展示了LM566集成电路的框图，其中电流源以电阻 R1R_1 设置的速率对电容进行充电和放电，并控制直流输入电压。如图所示，使用施密特触发器电路在充电和放电之间切换电容。

从施密特触发器产生的方波电压和电容上的三角波电压通过缓冲放大器作为输出提供。

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锁相环​

压控振荡器是锁相环的重要组成部分。锁相环是许多数字和模拟应用中使用的模拟构建块。它们用于许多数字和通信系统中的时钟恢复，还用作电视和无线通信系统中的频率合成器，以选择不同的频道。

锁相环（PLL）的工作方式是使压控振荡器的频率和相位与第二个参考信号同步。它是一个电子电路，由压控振荡器、低通滤波器和相位检测器组成，如下图所示。它能够与输入信号同步或锁定。

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每当输入信号的频率发生变化时，相位比较器就会比较输入信号的频率与振荡器输出信号的频率，并产生相位差信号。

该输出在低通滤波器中被滤波，并产生滤波输出作为 VcontrolV_{\text{control}} 来控制VCO的频率，直到频率和相位差变为零。此时，PLL锁定或同步到输入频率。PLL主要用于频率合成和频率调制应用。

VCO的应用​

  • 音调发生器
  • 函数发生器
  • 锁相环
  • 在合成器中用于产生电子音乐的可变音调
  • 在通信设备中用作频率合成器
  • 时钟发生器
  • 频移键控