压控振荡器VCO原理、电路图及应用示例

一些输出频率是输入函数的无线应用需要可调谐类型的振荡器。最常见的是电压信号用作控制输入以改变输出频率，这些类型的振荡器称为压控振荡器，简称为VCO。

压控振荡器最常用于脉冲调制器 (AM)、频率调制器 (FM) 和锁相环，主要就是通过电子控制谐振电路RLC的电压相关电容来改变频率。

压控振荡器的概念

压控振荡器是具有输出信号的振荡器，其输出可以在一定范围内变化，该范围由输入直流电压控制。

简单来说，压控振荡器是一种振荡器类型，其输出频率与其输入电压直接相关。振荡频率从几赫兹到几百GHz不等。通过改变输入直流电压，调整所产生信号的输出频率。

压控振荡器中的频率控制

VCO有多种形式，它可以是某种类型的LC或晶体振荡器，也可以是某种类型的RC振荡器或多谐振荡器。下图说明了VCO的基本操作。

对于RC型振荡器，振荡频率与电容成反比 (f = 1 / (2πRC))，对于LC振荡器，振荡频率为1 / (2π√LC)。因此，随着反向或控制电压的增加，电容减小，而控制电压的增加会增加振荡频率，反之亦然。

在上图中，振荡器在标称控制电压Vc下以正常或自由运行频率运行。频率随着控制电压高于标称值的增加而增加，频率随着Vc低于标称电压的降低而降低。

为了实现这种可变电压，使用了不同电容范围的可变电容二极管。替代方法，如改变电容器的充电速率，在压控电流源的帮助下，用于低频振荡器。

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，即谐波振荡器和张弛振荡器。

1、谐波振荡器

谐波或线性压控振荡器产生正弦输出波形。晶体和LC振荡器就是此类VCO的示例。在这个VCO中，二极管两端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。

在电源方面，谐波振荡器的温度和噪声频率稳定性比张弛振荡器要好得多。但这种振荡器的缺点是它不能在单片IC上轻松实现。

2、弛豫振荡器

弛豫振荡器用于生成三角波或锯齿波，这些可以很容易地在单片IC上实现，而这些IC可以在很宽的频率范围内进行调谐。这些振荡器又分为发射极耦合VCO、接地电容器VCO和基于延迟的环形VCO。

VCO最常见的用途有两种形式，即作为非稳态多谐振荡器的VCO和作为施密特触发器的VCO。

在多谐振荡器VCO不稳定的情况下，多谐振荡器任一侧的电容充电电流与外部输入电压成正比。根据多谐振荡器频率范围内的电容值进行选择。方波是这种振荡器的输出。该方案操作简单，成本较低，并且可以在低电源电流下工作。

另一种常见的VCO形式基本上由比较器、积分器、开关和施密特触发器构成。定时电容器通过VCO IC内部的缓冲器在确定的电压范围内充电。该充电电流与调制电压成正比。一旦达到阈值水平，电容器就会停止充电并开始放电。因此，充电和放电的循环会产生周期性的输出，而不是方波的形式。

压控振荡器工作原理

使用晶体管、变容二极管、运算放大器等不同的电压控制电子元器件，可以进行多种电路设计来实现电压控制振荡器。下图显示了一个使用非稳态多谐振荡器的简单电压控制振荡器。

在此时间常数电阻器R1和R2被引出到外部控制线V control。C1和C2通过R1和R2放电的电压随V控制电压的变化而变化。因此，放电速度随着V control的增加而增加。

这种设计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元件和晶体管的开启或关闭，改变了输出振荡的工作频率。

压控振荡器的另一种形式的电路如下图所示，它是通过使用两个运算放大器实现的。它在输出端生成方波，其频率由控制电压决定。第一个运算放大器用作积分器。

控制电压施加在输入端，由于分压器的布置，一半的控制电压施加在第一运算放大器的正端。此外，在负极端，电压保持在同一水平，以保持 R1 两端的电压降为控制电压的一半。

当MOSFET导通时，来自电阻器R1的电流流过MOSFET。现在转换为电流信号的电压为电容器充电。因此，要提供此电流，第一个运算放大器必须提供稳定上升的输出电压。

当MOSFET关闭时，电流从R1流出，从而使电容器放电。因此，需要从第一个运算放大器开始下降输出电压。因此，第一个运算放大器的输出是三角波形。

第二个运算放大器用作施密特触发器，它接受三角波作为第一个运算放大器的输入。当输入电压高于阈值电平时，它会在其输出端输出 Vcc，如果输入电压低于阈值电平，则输出变为零。因此，在输出端产生方波输出。

应用示例一：使用LM566的压控振荡器

LM566是一种压控振荡器IC单元，内置电路以生成三角波和方波信号，其频率由外部电容器和电阻器设置或调整，然后施加直流电压。

下图显示了LM566 IC的框图，其中电流源以电阻器R1设定的速率对外部电容器进行充电和放电，并控制直流输入电压。为了在充电和放电之间切换电容器，使用了施密特触发器电路，如下图所示：

由施密特触发器产生的方波电压和电容器两端的三角电压通过缓冲放大器作为输出提供。

应用示例二：锁相环

压控振荡器是锁相环的重要组成部分，相位时钟环路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，也用作电视和无线通信系统中的频率合成器以选择各种频道。

锁相环以压控振荡器的频率和相位与第二个参考信号同步的方式运行。它是一个由压控振荡器、低通滤波器和相位检测器组成的电子电路，如下图所示，它能够与输入信号同步或锁定。

每当输入信号的频率发生变化时，相位比较器将输入的频率与振荡器输出信号的频率进行比较，并产生相位差信号。该输出在低通滤波器中进行滤波，并产生作为 V控制的滤波器输出，以控制VCO的频率，直到频率和相位差变为零。此时，锁相环被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。

应用示例三：LM567 PLL音频解码器

LM567在2V至9V的电源电压和1 Hz至500 kHz的输入频率范围内工作。振荡器定时电容器Ct必须分成两部分以使振荡器频率相对于输入频率加倍，并且必须减小滤波电容器C1和C2以保持相同的滤波时间常数。

当PLL锁定时，输出引脚8切换到地并激活，激活开关不需要额外的电源电流。并且开关的导通电阻与电源成反比。输入有足够的幅度使pin1降至2/3 Vs以下。

压控振荡器的应用

除了以上几个示例之外，压控振荡器还有在其它方面的用途，其应用非常的广泛，主要包括以下几个方面：

• 音调发生器
• 函数发生器
• 锁相环
• 在合成器中生成用于制作电子音乐的可变音调
• 在通信设备中，这些用作频率合成器
• 时钟发生器
• 频移键控

总结

从以上介绍内容可以看出，压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路（VCO），频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器，其在电路应用中非常的广泛。