Principes de base, sélection et utilisation des oscillateurs commandés en tension (VCO)

De nombreuses applications électroniques exigent que la fréquence d'un signal soit modifiée en fonction de l'amplitude d'un autre signal. Un bon exemple est un signal modulé en fréquence où la fréquence d'une porteuse varie avec l'amplitude de la source de modulation. Examinez également une boucle à verrouillage de phase (PLL) : elle utilise un système de contrôle pour faire varier la fréquence et/ou la phase d'un oscillateur pour correspondre à la fréquence/phase d'un signal de référence d'entrée.

L'objectif des concepteurs est de déterminer comment remplir cette fonction de la manière la plus efficace et la plus rentable possible, tout en garantissant la précision, la fiabilité et la stabilité dans le temps et sur la température.

C'est la fonction des oscillateurs commandés en tension (VCO). Ces dispositifs sont conçus pour produire un signal de sortie dont la fréquence varie avec l'amplitude de tension d'un signal d'entrée sur une gamme raisonnable de fréquences. Ils sont utilisés dans les PLL, les modulateurs de fréquence et de phase, les radars et de nombreux autres systèmes électroniques.

Cet article explique pourquoi les VCO constituent si souvent le meilleur choix d'un concepteur pour cette fonction et décrit ensuite brièvement le fonctionnement des VCO et la façon de les concevoir, de la conception à composants discrets jusqu'aux circuits intégrés de VCO monolithiques. Il utilise ensuite des exemples concrets de divers fournisseurs, notamment Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions et Crystek Corporation pour expliquer comment les VCO peuvent être spécifiés pour des applications particulières.

Rôle d'un VCO

Comme mentionné, de nombreuses applications électroniques exigent que la fréquence ou la phase d'un signal soit modifiée ou contrôlée en fonction de l'amplitude d'un autre signal. Les applications typiques incluent les systèmes de communications, les chirps de fréquence dans les radars, le suivi de phase dans les PLL et les applications à saut de fréquence comme le télédéverrouillage (Figure 1).

Figure 1 : Exemples d'applications exigeant des variations de fréquence ou de phase contrôlées par une tension de signal appliquée : modulation de fréquence dans les systèmes de communications (en haut), chirps de fréquence dans les radars (deuxième), suivi de phase dans les boucles à verrouillage de phase (troisième) et applications à saut de fréquence comme les systèmes de télédéverrouillage (en bas). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les VCO sont spécifiquement conçus pour produire un signal de sortie dont la fréquence varie en fonction de l'amplitude d'un signal d'entrée sur une gamme raisonnable de fréquences.

Fonctionnement des VCO

Les VCO se présentent sous formes discrètes, modulaires et monolithiques, mais une discussion sur les VCO discrets permettra de comprendre comment ils fonctionnent et pourquoi certaines spécifications sont importantes. Un aperçu des solutions modulaires et monolithiques suivra.

En utilisant une approche discrète des VCO, les concepteurs disposent d'une grande flexibilité pour répondre à des spécifications personnalisées. Cette approche est particulièrement fréquente dans les projets de bricolage (DIY), notamment dans le domaine de la radio amateur. Ces conceptions, destinées à être utilisées dans des projets de radio haute fréquence, sont basées sur des topologies d'oscillateurs classiques, notamment les oscillateurs LC (inductance-capacité) Hartley et Colpitts (Figure 2).

Figure 2 : Les oscillateurs classiques, notamment les oscillateurs LC Hartley et Colpitts, peuvent être utilisés comme base d'une conception VCO. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Tous les oscillateurs sont basés sur l'utilisation d'une contre-réaction positive pour obtenir une oscillation soutenue. Les oscillateurs Hartley et Colpitts sont des conceptions de base qui génèrent une contre-réaction positive de différentes manières. La contre-réaction positive exige que le signal à la sortie de l'oscillateur soit renvoyé à l'entrée avec un déphasage total de 360°. L'amplificateur fournit une inversion monophasée de 180°, et l'autre moitié des 360° provient du circuit LC du circuit oscillant résonant. Le circuit oscillant détermine la fréquence nominale d'oscillation. Il se compose de L1, L2 et Ct dans le circuit d'oscillateur Hartley, et de L1, Ct1 et Ct2 dans l'oscillateur Colpitts.

L'oscillateur Hartley utilise le couplage inductif pour obtenir l'inversion de phase au moyen d'une inductance double ou à prises (L1 et L2) illustrée dans le circuit. L'oscillateur Colpitts utilise un diviseur de tension capacitif composé de Ct1 et Ct2 dans le circuit respectif. Il existe de nombreuses conceptions dérivées de ces conceptions de base, chacune ayant son propre nom. Les conceptions dérivées tentent d'isoler le circuit oscillant de l'amplificateur pour éviter les décalages de fréquence dus à la charge. Il existe de nombreux dérivés de ce type parmi lesquels les concepteurs peuvent choisir.

Le contrôle de fréquence est ajouté à ces conceptions en employant des diodes varactor pour faire varier la fréquence de résonance du circuit oscillant. La diode varactor, parfois appelée diode varicap, est une diode à jonction conçue pour fournir une capacité variable. La jonction P-N présente une polarisation inverse et la capacité de la diode peut être modifiée en changeant la polarisation continue appliquée. La capacité du varactor varie inversement avec la polarisation continue appliquée : plus la polarisation inverse est élevée, plus la zone de déplétion de la diode est vaste, et par conséquent plus la capacité est faible. Cette variation peut être observée dans le graphique illustrant la capacité par rapport à la tension inverse pour la diode varactor à jonction hyper-abrupte SMV1232_079LF de Skyworks Solutions (Figure 3). Cette diode a une capacité de 4,15 picofarads (pF) à 0 volt (V) et de 0,96 pF à 8 V.

Figure 3 : Le graphique tension-capacité de la diode varactor SMV1232 de Skyworks Solutions montre clairement comment la capacité varie inversement avec la polarisation continue appliquée. (Source de l'image : Skyworks Solutions)

La plage de capacité de la diode varactor détermine la plage d'accord du VCO. Le contrôle de la tension de l'oscillateur est réalisé en ajoutant le varactor en parallèle avec le circuit oscillant, comme illustré dans la Figure 4. La figure montre la conception de référence de la carte d'évaluation d'un VCO Colpitts avec une fréquence centrale de 1 gigahertz (GHz) et une plage d'accord d'environ 100 mégahertz (MHz). La conception intègre un tampon émetteur suiveur pour isoler le VCO des variations de charge. Le circuit oscillant résonant dans cette conception inclut l'inductance L3 et les condensateurs C4, C7 et C8. La diode varactor, VC1, est en parallèle avec le circuit oscillant. Le condensateur C4 contrôle la plage de la variation de fréquence pour une sélection de varactor donnée, tandis que C7 et C8 fournissent la contre-réaction requise pour maintenir l'oscillation.

Figure 4 : Conception de référence de la carte d'évaluation d'un VCO Colpitts avec une fréquence centrale de 1 GHz et une plage d'accord d'environ 100 MHz. La diode varactor, VC1 (en bas à gauche), est en parallèle avec le circuit oscillant, comprenant l'inductance L3 et les condensateurs C4, C7 et C8. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Le choix des varactors et des transistors à jonctions bipolaires dépend de la fréquence de l'oscillateur. Pour les fréquences nominales de 1 GHz, des transistors RF tels que le BFU520WX de NXP Semiconductors ou le BFP420FH6327XTSA1 d'Infineon Technologies peuvent être utilisés. Le BFU520WX a une fréquence de transition de 10 GHz et un gain de 18,8 décibels (dB), tandis que le BFP420FH6327XTSA1 a une fréquence de transition de 25 GHz avec un gain de 19,5 dB. Tous les deux ont un produit gain-bande passante suffisant pour ce circuit à 1 GHz.

En résumé, les VCO discrets offrent une flexibilité de conception maximale, mais ils sont plus volumineux et occupent plus d'espace carte que les dispositifs modulaires ou monolithiques.

Spécification des VCO

Les principales spécifications des VCO commencent généralement par la gamme de fréquences nominales, c'est-à-dire les fréquences minimum et maximum pouvant être obtenues. Alternativement, la spécification peut être comme une fréquence nominale ou centrale et une plage d'accord.

La plage de tensions d'accord d'entrée correspond à l'excursion de tension d'entrée, qui accorde le VCO sur la plage d'accord (Figure 5).

Figure 5 : Le tracé de la courbe d'accord de la fréquence de sortie en fonction de la tension d'accord d'entrée fournit une vue de base de la linéarité du VCO par rapport à un ajustement linéaire. La pente de la fréquence de sortie par rapport à la tension d'accord est la sensibilité d'accord. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La sensibilité ou le gain d'accord, mesuré en MHz/V, est la pente du tracé de la fréquence par rapport à la tension. C'est une mesure de la linéarité d'accord. Dans les applications où le VCO se trouve dans une boucle de commande comme avec une PLL, la sensibilité d'accord est le gain de l'élément VCO et peut affecter la dynamique et la stabilité de la boucle de commande.

La puissance de sortie du VCO spécifie la puissance délivrée à une charge d'impédance spécifiée, généralement 50 ohms (Ω) pour les VCO RF. La puissance de sortie est spécifiée en dB référencés à 1 milliwatt (mW) (dBm). La planéité de la puissance de sortie sur la gamme de fréquences du VCO peut également être intéressante.

Le glissement aval de charge est la variation de la fréquence de sortie du VCO due aux variations de l'impédance de charge, et il est mesuré en MHz crête-à-crête (pk-pk). L'isolation de la charge est généralement améliorée par l'utilisation d'un amplificateur tampon comme l'émetteur suiveur illustré à la Figure 4.

Le glissement amont d'alimentation est la variation de la fréquence de sortie du VCO due aux variations de la tension d'alimentation. Il est mesuré en MHz/V.

La spécification du bruit de phase est un indicateur de la pureté du signal du VCO. Un oscillateur idéal a un spectre de fréquences qui est une ligne spectrale étroite à la fréquence de l'oscillateur. Le bruit de phase représente une modulation indésirable de l'oscillateur et élargit la réponse spectrale. Le bruit de phase est le résultat du bruit thermique et d'autres sources de bruit dans le circuit de l'oscillateur et il est donné en décibels sous la porteuse par hertz (dBc/Hz). Le bruit de phase dans le domaine fréquentiel résulte en une gigue dans le domaine temporel qui se manifeste par une erreur d'intervalle de temps (TIE).

VCO modulaires

Les VCO modulaires représentent le niveau d'intégration de circuit supérieur suivant. Ces VCO sont conditionnés dans un petit boîtier modulaire et ils sont utilisés comme un composant. Les VCO modulaires offrent généralement une densité de conditionnement plus élevée qu'une implémentation discrète de VCO. Ils sont disponibles dans plusieurs fréquences de sortie, plages d'accord et niveaux de puissance de sortie. Un exemple est le VCO CRBV55BE-0325-0775 de Crystek Corporation (Figure 6). Ce dispositif mesure 31,75 millimètres (mm) x 14,99 mmm (1,25 pouce (po) x 0,59 po) avec une hauteur de 31,75 mm, et il a une plage d'accord de 325 MHz à 775 MHz pour une tension d'entrée de 0 V à 12 V. Il a un niveau de puissance de sortie de +7 dBm (typique) avec un bruit de phase de -98 dBc/Hz à 10 kilohertz (kHz) décalé par rapport à la porteuse, et de -118 dBc/Hz à 100 kHz.

Figure 6 : Dessins pour le VCO CRBV55BE de Crystek illustrant son facteur de forme compact avec des dimensions de 31,75 mm x 31,75 mm x 14,99 mm. (Source de l'image : Crystek Corporation)

En termes de dynamique de contrôle, le VCO de Crystek a une sensibilité d'accord typique de 45 MHz/V. Le glissement amont de l'alimentation est spécifié à 0,5 MHz/V typique et 1,5 MHz/V maximum. Le glissement aval de la charge est de 5,0 MHz pk-pk, maximum.

VCO monolithiques

Les VCO peuvent être implémentés en tant que circuits intégrés monolithiques. Le circuit intégré monolithique fournit la plus haute densité volumique. Comme les VCO modulaires, les VCO monolithiques sont conçus pour des bandes opérationnelles spécifiques. Prenons l'exemple du MAX2623EUA+T de Maxim Integrated. Il s'agit d'un VCO autonome avec un oscillateur et un tampon de sortie intégrés dans un seul boîtier mMax à 8 broches (Figure 7).

Figure 7 : Schéma fonctionnel et configuration des broches du VCO MAX2623 de Maxim Integrated. Il s'agit d'un VCO basé LC conventionnel utilisant des diodes varactor doubles pour le contrôle de la tension. Il inclut un tampon de sortie intégré dans un boîtier à 8 broches. (Source de l'image : Maxim Integrated)

La conception inclut une inductance oscillante sur puce et des diodes varactor. Elle fonctionne avec une alimentation de +2,7 V à +5,5 V et ne consomme que 8 milliampères (mA). Le MAX2623 est l'un des trois VCO de la gamme de produits, chacun se différenciant par ses fréquences de fonctionnement prévues. Le MAX2623 est accordé sur la gamme de 885 MHz à 950 MHz, qui couvre la bande industrielle, scientifique et médicale (ISM) de 902 MHz à 928 MHz, où il peut être utilisé comme oscillateur local. Le VCO a un niveau de puissance de sortie de -3 dBm dans une charge de 50 Ω avec un bruit de phase de -101 dBc/Hz typique à 100 kHz de décalage. La plage de tensions de commande s'étend de 0,4 V à 2,4 V, et le glissement aval de charge est typiquement de 0,75 MHz crête-à-crête. Le glissement amont de l'alimentation est de 280 kHz/V (typique). Le boîtier mesure 3,03 mm x 3,05 mm x 1,1 mm (0,12 po x 0,12 po x 0,043 po).

Un autre exemple de VCO monolithique est le HMC512LP5ETR d'Analog Devices. Ce VCO couvre la gamme de fréquences de 9,6 GHz à 10,8 GHz avec une tension d'accord de 2 V à 13 V. Il est destiné aux communications par satellite, à la radio multipoint et aux applications militaires (Figure 8).

Figure 8 : Schéma fonctionnel du VCO HMC512LP5ETR d'Analog Devices illustrant la diode varactor intégrée et l'oscillateur avec résonateur intégré. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce VCO MMIC (circuit intégré monolithique hyperfréquence) utilise des transistors bipolaires à hétérojonction GaAs et InGaP pour atteindre une large bande passante et un niveau de puissance de sortie de +9 dBm dans une charge de 50 Ω avec une source d'alimentation de 5 VCC. Le bruit de phase est de -110 dBc/Hz à 100 kHz de décalage. Le glissement aval de charge est typiquement de 5 MHz crête-à-crête. Le glissement amont d'alimentation est typiquement de 30 MHz/V à 5 V. Le dispositif est fourni en boîtier QFN de 5 mm x 5 mm à montage en surface. Notez dans la figure que ce VCO inclut également des sorties auxiliaires demi et quart de fréquence. Ces sorties de fréquences fractionnaires peuvent être utilisées pour commander un synthétiseur PLL afin de verrouiller la phase de la sortie primaire du VCO si désiré, ou pour synchroniser d'autres signaux de la chaîne de synchronisation.

Ces deux dispositifs monolithiques se caractérisent par leur format compact, ce qui constitue le principal avantage de ce type de VCO.

Conclusion

Les VCO, qu'ils soient sous forme discrète, modulaire ou monolithique, répondent au besoin de contrôle de fréquence basé sur la tension qui est requis dans un certain nombre d'applications. Ils sont utilisés dans les générateurs de fonctions, les PLL, les synthétiseurs de fréquence, les générateurs d'horloge et les synthétiseurs analogiques. Bien qu'il s'agisse de dispositifs relativement simples, leur utilisation correcte requiert une solide compréhension de leur fonctionnement et de leurs spécifications clés. Une fois les spécifications bien comprises, il existe de nombreux modèles et fournisseurs parmi lesquels choisir.