היסודות של מתנדים מבוקרי מתח (VCO) וכיצד לבחור ולהשתמש בהם

יישומים אלקטרוניים רבים דורשים שתדר האות יהיה שונה בהתאם לאמפליטודה של אות אחר. דוגמה טובה היא אות מאופנן-תדר שבו התדר הנושא משתנה עם האמפליטודה של מקור האפנון. ראו גם חוג נעול פאזה (PLL‏): הוא משתמש במערכת בקרה כדי לשנות את התדר ו/או הפאזה של מתנד כדי להתאים לתדר/פאזה של אות הייחוס בכניסה.

המטרה של המתכננים היא להחליט כיצד לממש פונקציה זו בצורה היעילה והחסכונית ביותר ככל האפשר, תוך הבטחת הדיוק, האמינות והיציבות על פני הזמן והטמפרטורות.

זוהי הפונקציה של מתנדים מבוקרי מתח (VCO). התקנים אלו מתוכננים לייצר אות יציאה שהתדר שלו משתנה עם אמפליטודת המתח של אות הכניסה בתוך תחום סביר של תדרים. הם משמשים ב- PLL, מאפנני תדר ופאזה, ראדאר ומערכות אלקטרוניות רבות אחרות.

מאמר זה מסביר מדוע מתנדי VCO הם לרוב הבחירה הטובה ביותר של המתכננים עבור פונקציה זו, ואז מתאר בקצרה איך הם עובדים, ואת תכני VCO‏ השונים, מתכני רכיבים בדידים ועד למעגלים-משולבים (IC) של VCO‏ מונוליתיים. לאחר מכן המאמר בוחן כיצד ניתן להגדיר מתנדי VCO‏ כדי להתאים ליישומים ספציפיים באמצעות דוגמאות מהעולם האמיתי של ספקים שונים, כולל Maxim Integrated‏, Analog Devices‏, Infineon Technologies‏, NXP Semiconductors‏, Skyworks Solutions‏ ו- Crystek Corporation‏.

מה התפקיד של מתנד VCO?

כאמור, יישומים אלקטרוניים רבים דורשים שהתדר או הפאזה של אות יהיו שונים או מבוקרים על סמך האמפליטודה של אות אחר. יישומים טיפוסיים כוללים מערכות תקשורת, Chirp‏ תדרים בראדאר, עקיבת פאזה ב- PLL ויישומי דילוג תדרים כמו כניסה ללא-מפתח מרחוק (איור 1).

איור 1: דוגמאות ליישומים הדורשים שינויי תדר או פאזה המבוקרים על ידי מתח אות מיושם, כולל אפנון תדר במערכות תקשורת (למעלה), Chirp‏ תדרים בראדאר (שני מלמעלה), מעקב פאזה בחוגים נעולי פאזה (שלישי מלמעלה), ויישומי דילוג תדרים כמו מערכות כניסה ללא-מפתח מרחוק (למטה). (מקור התמונה: DigiKey)

מתנדי VCO‏ מתוכננים לייצר אות יציאה שהתדר שלו משתנה עם אמפליטודת המתח של אות הכניסה בתוך תחום סביר של תדרים.

איך עובד מתנד VCO‏

מתנדי VCO‏ מגיעים כבדידים, מודולריים ומונוליתיים, אך דיון במתנדי VCO‏ בדידים יספק הבנה בסיסית של אופן פעולתם ומדוע מפרטים מסוימים הם חשובים. סקירה של פתרונות מודולריים ומונוליתיים תבוא בהמשך.

באמצעות מתנדי VCO‏ בדידים, למתכננים יש גמישות רבה ביחס להתאמה למפרטים בהתאמה-מיוחדת. גישה זו נפוצה במיוחד בפרויקטים של עשו-זאת-בעצמכם (DIY), במיוחד ברדיו חובבים. תכנים כאלו, המיועדים עבור פעולה בפרויקטי רדיו בתדר גבוה, מבוססים על טופולוגיות מתנדים קלאסיות, כולל מתנדי משרן-קבל (LC‏) Hartley‏ ו- Colpitts‏ (איור 2).

איור 2: ניתן להשתמש במתנדים קלאסיים, כולל מתנדי LC‏ Hartley‏ ו- Colpitts‏, כבסיס לתכן מתנד VCO‏. (מקור התמונה: DigiKey)

כל המתנדים מבוססים על השימוש במשוב חיובי להשגת תנודה מתמשכת. מתנדי Hartley‏ ו- Colpitts‏ הם תכנים בסיסיים המייצרים משוב חיובי בדרכים שונות. משוב חיובי מחייב להחזיר את האות ביציאת המתנד לכניסה עם היסט פאזה כולל של 360°‏. המגבר מספק היפוך חד-פאזי של °‏180‏, והחצי השני של ה- 360°‏ מגיע מה- LC שבמעגל ה- Resonant Tank‏. מעגל ה- Tank‏ קובע את התדר הנומינלי של התנודות. הוא מורכב מ- L2, L1 ו- Ct במעגל מתנד Hartley‏, ומ- L1‏, Ct1 ו- Ct2 במתנד Colpitts‏.

מתנד Hartley‏ משתמש בצימוד השראתי להשגת היפוך פאזה באמצעות משרן כפול או מסועף (L1 ו- L2) הנראים במעגל. מתנד Colpitts‏ משתמש במחלק מתח קיבולי המורכב מ- Ct1 ו- Ct2 במעגל בהתאמה. ישנם תכנים רבים הנגזרים מתכנים בסיסיים אלו, שלכל אחד מהם יש שם משלו. התכנים הנגזרים מנסים לבודד את מעגל ה- Tank‏ מהמגבר כדי למנוע היסטי תדר עקב העמסה. יש הרבה נגזרים כאלה שמהם המתכננים יכולים לבחור את המועדפים עליהם.

לתכנים אלו מוסיפים בקרת תדר על ידי שימוש בדיודות ואראקטור כדי לשנות את תדר התהודה של מעגל ה- Tank‏. דיודת הוואראקטור, הנקראת לעתים דיודת Varicap‏, היא דיודת צומת המתוכננת לספק קיבול משתנה. צומת ה- P-N היא עם ממתח הפוך וניתן לשנות את קיבוליות הדיודה על ידי שינוי ממתח ה- DC המיושם. הקיבוליות של הוואראקטור משתנה ביחס הפוך לממתח ה- DC המיושם: ככל שהממתח ההפוך גבוה יותר, כך אזור המיחסור (Depletion) של הדיודה רחב יותר, ולכן הקיבוליות הנמוכה יותר. את השינויים האלו ניתן לראות בגרף הקיבוליות לעומת המתח ההפוך עבור דיודת ואראקטור עם צומת Hyper-Abrupt‏ SMV1232_079LF‏ מבית Skyworks Solutions‏ (איור 3‏). לדיודה זו יש קיבוליות של 4.15 פיקו-פאראד (pF) באפס וולט ו- pF‏ 0.96‏ ב- 8 וולט.

איור 3‏: גרף הקיבוליות לעומת המתח ההפוך עבור דיודת הוואראקטור SMV1232‏ מבית Skyworks Solutions‏ מראה בבירור כיצד הקיבוליות משתנה ביחס הפוך לממתח ה- DC‏ המיושם. (מקור התמונה: Skyworks Solutions)

תחום הקיבוליות של דיודת הוואראקטור קובע את תחום הכיוונון של מתנד ה- VCO‏. בקרת המתח של המתנד ממומשת על ידי הוספת הוואראקטור במקביל למעגל ה- Tank‏, כפי שנראה באיור 4. האיור מראה את תכן הייחוס של לוח ההערכה של מתנד VCO‏ Colpitts‏ עם תדר מרכזי של 1 גיגה-הרץ (GHz) ותחום כיוונון של כ- 100 מגה-הרץ (MHz‏). הוא משלב חוצץ עוקב פולט (Emitter Follower‏) לבידוד ה- VCO‏ משינויי העומס. מעגל ה- Resonant Tank‏ בתכן זה כולל את משרן L3 וקבלים C4‏, C7 ו- C8‏. דיודת הוואראקטור, VC1, היא במקביל ל- Tank‏. קבל C4 מבקר את תחום שינוי התדר עבור ואראקטור נתון, ואילו C7 ו- C8 מספקים את המשוב הדרוש לשמירת התנודות.

איור 4‏: תכן הייחוס של לוח ההערכה של מתנד VCO‏ Colpitts‏ עם תדר מרכזי של GHz‏ 1‏ תחום כיוונון של כ- MHz‏ 100‏. דיודת הוואראקטור, VC1 (בצד שמאל למטה), היא במקביל ל- Tank‏, הכולל את משרן L3 וקבלים C4‏, C7 ו- C8‏. (מקור התמונה: NXP Semiconductors)

הבחירה של הוואראקטורים וטרנזיסטורי הצומת ביפולרית תלויה בתדר המתנד. עבור תדר נומינלי של GHz‏ 1‏ ניתן להשתמש בטרנזיסטורי RF כגון ה- BFU520WX‏ מבית NXP Semiconductors‏ או ה- BFP420FH6327XTSA1‏ מבית Infineon Technologies‏. ל- BFU520WX‏ יש תדר מעבר של GHz‏ 10‏ והגבר של 18.8 דציבלים (dB‏), ול- BFP420FH6327XTSA1‏ יש תדר מעבר של GHz‏ 25‏ והגבר של dB‏ 19.5‏. לשניהם יש מכפלת הגבר-רוחב-פס המספיקה עבור מעגל זה ב- GHz‏ 1‏.

לסיכום, מתנדי VCO‏ בדידים מציעים גמישות תכנון מקסימלית אך הם גדולים יותר ותופסים שטח לוח גדול יותר לעומת התקנים מודולריים או מונוליתיים.

הגדרת המפרט של מתנדי VCO‏

הגדרת המפרט של מתנד VCO‏ מתחילה בדרך כלל עם תחום התדרים הנומינלי, כלומר התדר המינימלי והמקסימלי שניתן להשיג. לחלופין, ניתן להגדיר אותם כתדר נומינלי או מרכזי ואת תחום הכיוונון.

תחום מתחי הכיוונון בכניסה תואם לתחום מתחי הכניסה, המכווננים את ה- VCO‏ על פני תחום הכיוונון (איור 5‏).

איור 5‏: עקומת כיוונון תדר היציאה כפונקציה של מתח הכיוונון בכניסה מספקת מבט בסיסי של הלינאריות של ה- VCO‏ בהשוואה להתאמה לינארית. השיפוע של תדר היציאה לעומת מתח הכיוונון הוא רגישות הכיוונון. (מקור התמונה: DigiKey)

הגבר הכיוונון או הרגישות, הנמדד ביחידות של V‏/MHz‏, הוא השיפוע של גרף התדר לעומת המתח. זהו מדד של ליניאריות הכיוונון. ביישומים בהם ה- VCO נמצא בחוג בקרה כמו עם PLL, רגישות הכיוונון היא ההגבר של אלמנט ה- VCO והיא עשויה להשפיע על הדינמיקה והיציבות של חוג הבקרה.

הספק היציאה של ה- VCO מציין את ההספק המועבר לעומס של אימפדנס מוגדר, בדרך כלל 50 אוהם (Ω) עבור מתנדי RF VCO‏. הספק היציאה מוגדר ב- dB‏ ביחס ל- 1 מילי-וואט (mW‏) (dBm‏). השטיחות של הספק היציאה על-פני תחום התדרים של ה- VCO‏ עשויה להיות מעניינת.

משיכת העומס היא השינוי בתדר היציאה של ה- VCO עקב שינויים באימפדנס העומס ונמדד ב- MHz‏ שיא-לשיא (pk-pk‏). בידוד העומס משופר בדרך כלל באמצעות מגבר חוצץ כמו עוקב הפולט (Emitter Follower‏) המוצג באיור 4.

דחיפת הספקת-הכוח היא השינוי בתדר היציאה של ה- VCO‏ עקב שינויים במתח הספקת-הכוח. היא נמדדת ב- MHz/V‏.

מפרט רעש הפאזה הוא אינדיקטור לטוהר האות של ה- VCO. למתנד אידיאלי יש ספקטרום תדרים שהוא קו ספקטרלי צר בתדר המתנד. רעש הפאזה מייצג אפנון לא-רצוי של המתנד ומרחיב את ההיענות הספקטרלית. רעש הפאזה הוא תוצאה של מקורות רעש תרמיים אחרים בתוך מעגל המתנד והוא ניתן כדציבלים מתחת לנושא לכל הרץ (dBc/Hz‏). רעש הפאזה במרחב התדר גורם לריצוד התזמון במרחב הזמן המתבטא כשגיאת מרווח זמן (TIE‏).

מתנדי VCO‏ מודולריים

מתנדי VCO‏ מודולריים מייצגים את הרמה הגבוהה ביותר הבאה של שילוב המעגלים. מתנדי VCO‏ אלו נתונים במארז מודולרי קטן ומשמשים כמו רכיב. מתנדי VCO‏ מודולריים מציעים באופן כללי צפיפות אריזה גבוהה יותר לעומת מימוש בדיד של VCO‏. הם זמינים עם מגוון של תדרי יציאה, תחומי כיוונון ורמות יציאת הספק. דוגמה לכך היא מתנד VCO‏ CRCOV55BE-0325-0775‏ מבית Crystek Corporation‏ (איור 6‏). המידות של התקן זה הן 0.59‏ x‏ 1.25‏ אינץ' (.in‏) ( 14.99‏ x‏ 31.75‏ מילימטרים (מ"מ)) עם גובה של 1.25 אינץ' ויש לו תחום כיוונון של MHz‏ 325 עד MHz‏ 775 עבור תחום מתחי כניסה של 0 עד 12 וולט. יש לו רמת הספק יציאה של dBm‏ 7+ (טיפוסי) עם רעש פאזה של dBc/Hz‏ 98- בהיסט של 10 קילו-הרץ (kHz‏) מהנושא, ו- dBc/Hz‏ 118- ב- kHz‏ 100‏.

איור 6‏: שרטוטי המיתאר עבור מתנד VCO‏ CRBV55BE‏ מבית Crystek‏ מראים את גורם הצורה הקומפקטי שלו עם ממדים של 0.59‏ x‏ 1.25‏ x‏ 1.25‏ אינץ'. (מקור התמונה: Crystek Corporation)

באשר לדינמיקת הבקרה, ל- VCO‏ מבית Crystek‏ יש רגישות כיוונון טיפוסית של MHz/V‏ 45‏. דחיפת הספקת-הכוח מוגדרת כ- MHz/V‏ 0.5 טיפוסית ו- MHz‏ 1.5‏ מקסימלית. משיכת העומס היא MHz‏ 5.0‏ pk-pk‏, מקסימום.

מתנדי VCO‏ מונוליתיים

מתנדי VCO‏ ניתנים למימוש כמעגלים-משולבים (IC) מונוליתיים. הם מעניקים את צפיפות הנפח הגבוהה ביותר. כמו מתנדי VCO‏ מודולריים, מתנדי VCO‏ מונוליתיים מתוכננים עבור פעולה בפסי-תדרים ספציפיים. כדוגמה, בדקו את ה- MAX2623EUA+T‏ מבית Maxim Integrated‏. זהו VCO עצמאי עם מתנד וחוצץ יציאה משולבים במארז mMax‏ יחיד עם 8 פינים (איור 7‏).

איור 7‏: דיאגרמת בלוקים ותצורת פינים של ה- VCO‏ MAX2623‏ מבית Maxim Integrated‏. זהו VCO קונבנציונלי מבוסס LC המשתמש בדיודות ואראקטור כפולות עבור בקרת מתח. הוא כולל חוצץ יציאה מובנה במארז של 8 פינים. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

התכן כולל Tank‏ של משרן ודיודות ואראקטור על-השבב. הוא פועל מהספקת-כוח של 2.7+ עד 5.5+ וולט וצורך רק 8 מיליאמפר (mA‏). ה- MAX2623 הוא אחד משלושת מתנדי ה- VCO במשפחת המוצרים, שכל אחד מהם נבדל בתדרי הפעולה המיועדים שלהם. ה- MAX2623 מכוונן לתחום של MHz‏ 885 עד MHz‏ 950, המכסה את פס-התדרים התעשייתי, מדעי ורפואי (ISM‏) של MHz‏ 902 עד MHz‏ 928, שבו הוא יכול לשמש כמתנד מקומי. יש לו רמת הספק יציאה של dBm‏ 3- לתוך Ω‏ 50‏ עם רעש פאזה של dBc/Hz‏ 101- בהיסט של kHz‏ 100‏. תחום מתחי הבקרה הוא 0.4 עד 2.4 וולט, ומשיכת העומס היא MHz‏ 0.75‏ טיפוסית, pk-pk‏. דחיפת הספקת-הכוח היא של kHz/volt‏ 280‏ (טיפוסית). מידות המארז הן 0.043‏ x‏ 0.12‏ x‏ 0.12‏ אינץ' (1.1‏ x‏ 3.05‏ x‏ 3.03‏ מ"מ).

דוגמה נוספת ל- VCO מונוליתי היא ה- HMC512LP5ETR‏ מבית Analog Devices‏. מתנד VCO זה מכסה את תחום התדרים מ- GHz‏ 9.6 עד GHz‏ 10.8 עם מתח כיוונון של 2 עד 13 וולט. הוא מיועד עבור תקשורת לווינית, רדיו רב-נקודות ויישומים צבאיים (איור 8).

איור 8‏: דיאגרמת בלוקים של ה- VCO‏ HMC512LPETR‏ מבית Analog Devices‏ המציגה את דיודת הואראקטור ואת ליבת המתנד עם מהוד משולב. (מקור התמונה: Analog Devices)

מעגל משולב מיקרוגל מונוליתי (MMIC‏) זה של מתנד VCO‏ משתמש בטרנזיסטורים ביפולריים Heterojunction‏ GaAs ו- InGaP‏ כדי להשיג רוחב-פס רחב ורמת יציאה של dBm‏ 9+ לתוך עומס של Ω‏ 50‏ באמצעות מקור כוח DC‏ של 5 וולט. רעש הפאזה הוא dBc/Hz‏ 110- בהיסט של kHz‏ 100‏. משיכת העומס היא MHz‏ 5‏ שיא-לשיא טיפוסית. דחיפת הספקת-הכוח היא MHz/volt‏ 30 טיפוסית ב- 5 וולט. ההתקן נתון במארז הרכבה משטחית QFN של 5‏ x‏ 5‏. יש לשים לב באיור ש- VCO זה כולל גם יציאות עזר של חצי-תדר ורבע-תדר. יציאות חלקי תדרים אלו יכולות לשמש לדחיפת סינתיסייזר PLL כדי לנעול את פאזת היציאה העיקרית של ה- VCO אם רוצים, או לסנכרן אותות שרשרת תזמון אחרים.

לשני ההתקנים המונוליתיים הללו יש גודל קטן, שהוא היתרון העיקרי של סוג זה של VCO‏.

סיכום

מתנדי VCO‏, בין אם בדידים, מודולריים או מונוליתיים, עונים לצורך בבקרת תדר מבוססת-מתח הדרושה במספר יישומים. הם משמשים במחוללי פונקציות, PLL, סינתיסייזרי תדרים, מחוללי שעונים וסינתיסייזרים מוזיקליים אנלוגיים. למרות שהם התקנים פשוטים יחסית, השימוש הנכון בהם דורש הבנה טובה של אופן פעולתם ומפרטי המפתח שלהם. ברגע שאלו ברורים, ישנם תכנים וספקים רבים שניתן לבחור מהם.