VCXO, Oscilador de Cristal Controlado por Tensão
Os osciladores de cristal controlados por tensão, VCXOs são componentes ou módulos eletrônicos que fornecem a estabilidade de um ressonador de quartzo e podem ter um pequeno ajuste controlado por tensão.
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Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:
Cristais de quartzo: xtals | O que é quartzo | Como um cristal funciona | Operação da sobretensão do cristal | Puxamento da frequência do cristal de quartzo | Cortes de cristal de quartzo | Envelhecimento do quartzo | Fabricação de ressonadores de cristal | Como especificar um cristal de quartzo | VCXO | TCXO | OCXO | Filtro de cristal | Filtro de cristal monolítico | Ressonador e filtro cerâmico | Especificações do filtro cerâmico
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Osciladores de cristal controlados por tensão, VCXOs encontram uso em muitos circuitos de RF onde a estabilidade de um oscilador de cristal é necessária, mas com a capacidade de puxá-los ou ajustá-los em uma pequena quantidade.
O nome VCXO vem do fato de que os ressonadores de cristal são muitas vezes referidos como “Xtals” – ou seja, VCXO significa Oscilador Xtal Controlado por Tensão.
O uso de um VCXO permite que altos níveis de estabilidade do cristal de quartzo sejam combinados com baixos níveis de ruído de fase a serem alcançados, enquanto ainda permite que a frequência seja alterada ou reduzida em uma pequena quantidade.
É possível projetar um VCXO, mas geralmente é mais conveniente e econômico comprar um módulo VCXO que tenha sido projetado e totalmente testado.
Esses VCXOs são componentes eletrônicos frequentemente usados onde um pequeno ajuste programável de um sinal pode ser necessário, por exemplo, como o sinal de referência dentro de um sistema eletrônico.
Aqui o VCXO pode ser programado usando uma tensão derivada de um sinal digital. Ele pode ser usado para fornecer um pequeno ajuste da frequência do oscilador de cristal para garantir que esteja exatamente na frequência – na verdade, eles são frequentemente usados em osciladores de cristal com compensação de temperatura ou podem ser usados em um projeto de RF para um loop de bloqueio de fase onde um pequeno ajuste é necessário para manter o oscilador exatamente na frequência, etc.
Os VCXOs também podem ser usados onde uma tensão de controle pode ser usada para neutralizar as mudanças de frequência causadas pela temperatura, envelhecimento, etc. Dessa forma, eles encontram uso em muitos projetos de circuitos eletrônicos.
Módulos VCXO de alto desempenho estão disponíveis em vários fabricantes diferentes e através de uma variedade de distribuidores de componentes eletrônicos. Eles estão disponíveis em uma variedade de embalagens, desde montagens tradicionais com chumbo ou furos para placas de circuito impresso tradicionais ou em formatos de dispositivos de montagem em superfície. Esses módulos de componentes eletrônicos geralmente são bem pequenos e vêm em uma variedade de tamanhos para atender a maioria dos projetos de circuitos eletrônicos.
Circuito VCXO
O projeto básico do circuito de RF para um VCXO compreende um oscilador de cristal padrão, mas com um meio eletrônico de ajuste ou “puxar” ligeiramente a frequência.
Este ajuste da frequência é quase invariavelmente alcançado usando diodos varactor ou varicap. Na maioria dos VCXOs, um par de diodos costas com costas é colocado no cristal.
Uma polarização reversa é aplicada aos ânodos dos diodos que então atuam como um capacitor variável através do cristal. Na maioria dos casos, um circuito oscilador Colpitts é usado, pois fornece um projeto de RF confiável para esse tipo de oscilador.
A quantidade pela qual a frequência do cristal pode ser puxada depende de uma variedade de fatores, incluindo o nível de capacitância aplicado, as próprias condições do circuito e o cristal.
No entanto, a frequência não pode ser puxada muito longe, porque a atividade do cristal diminui à medida que o nível de capacitância através do cristal aumenta. Isso reduzirá a saída e o desempenho geral.
Se for necessário que o VCXO seja puxado em uma grande faixa, um indutor pode ser incorporado ao circuito. Novamente, é necessário cuidado com o design de RF para garantir que o desempenho não caia muito.
Se muita indutância for adicionada, o circuito pode se tornar instável e sinais espúrios podem ser gerados, ou a frequência de oscilação pode não ser controlada pelo cristal. Qualquer oscilador fabricado comercialmente terá sido totalmente testado para garantir sua operação confiável.
aplicações VCXO
VCXOs são usados em muitas aplicações. Aqui estão alguns:
- Osciladores de cristal com temperatura controlada: VCXOs são usados em TCXOs – osciladores de cristal com temperatura controlada, onde a tensão de compensação de temperatura é aplicada a um terminal de controle do VCXO. Desta forma, o desvio pode ser consideravelmente reduzido. Embora o desempenho de um VCXO ainda não seja tão bom quanto um oscilador de cristal totalmente controlado por forno, ele é capaz de fornecer um nível de desempenho melhor do que o de um único oscilador de cristal não compensado e por muito menos do que o custo de um oscilador totalmente controlado por forno. .
- PLLs de banda estreita: Em outra aplicação, os VCXOs podem ser usados em loops bloqueados de fase de banda estreita, onde apenas uma pequena quantidade de variação de frequência é necessária. Aqui eles são capazes de fornecer níveis muito bons de ruído de fase. Eles podem ser usados para reconstituição de sinal nesta função.
- Outras aplicações: VCXOs são usados em outros projetos eletrônicos onde é necessário um oscilador de ruído de fase baixa e estável que pode ser ajustado ou ajustado em uma quantidade relativamente pequena. Normalmente, essas aplicações ocorrem em uma variedade de projetos de RF, bem como em circuitos de temporização.
desempenho VCXO
Usando esta abordagem, valores VCXO de variação de frequência de cerca de 35 a 50 ppm/volt são razoavelmente fáceis de alcançar e VCXOs com esses números são bastante comuns.
Naturalmente, o fato de que a frequência do VCXO pode ser puxada reduz o desempenho geral do circuito oscilador. O desempenho do ruído de fase do oscilador é degradado porque o Q efetivo do ressonador é consideravelmente reduzido. Além disso, a estabilidade de frequência não é tão boa.
Um dos maiores problemas com VCXOs é o desvio de temperatura. Como isso varia na faixa de controle de tensão, não pode ser otimizado para todos os níveis de tensão de controle, sendo o projeto final um compromisso. Isso quando usado sem outras formas de compensação de temperatura, eles podem flutuar mais do que outras formas de oscilador de cristal.
Especificando VCXOs
Muitos VCXOs são encomendados como módulos de um fornecedor especializado desses itens. É necessário especificá-los corretamente para obter o produto desejado.
Ao especificar um VCXO, os seguintes parâmetros são normalmente necessários:
- Frequência: normalmente é especificada em MHz para frequências acima de 1,0 MHz e em kHz abaixo disso. Ele também precisa ser especificado com o número correto de casas decimais para permitir que o fabricante possa determinar a frequência necessária. Consulte os detalhes do fabricante para obter o número correto – geralmente seis ou sete algarismos significativos.
- Estabilidade de frequência: Embora os VCXOs sejam variáveis, a estabilidade de frequência básica ainda precisa ser especificada. Geralmente isso é feito para a temperatura ambiente, 20°C e com o ponto de controle de tensão ajustado para seu valor central. A estabilidade de frequência é considerada para operação na faixa de temperatura operacional. O valor é especificado em termos de partes por milhão, ppm. As especificações de estabilidade padrão são tipicamente ±25ppm, ±50ppm e ±100ppm.
- Saída: VCXOs são necessários para vários aplicativos. Alguns podem ser usados para conduzir diferentes formas de lógica, enquanto outros podem ser necessários para aplicações analógicas. Os requisitos de saída são um elemento importante da especificação geral.
- Faixa de temperatura operacional: A maioria dos osciladores de cristal controlados por tensão tem uma faixa operacional de temperatura na qual eles funcionarão. Assim, é necessário especificar um intervalo para o VCXO. Existem três gamas principais:
- 0 – 70° C – Freqüentemente referido como uma faixa de temperatura comercial. Normalmente é satisfatório para operação em ambientes de escritório ou laboratório.
- -10 – + 70°C – Faixa industrial necessária onde as faixas de temperatura podem flutuar mais amplamente.
- -40 – +85°C – está próximo da faixa militar (normalmente -40 a +125°C) e é necessária onde são necessárias faixas de temperatura muito maiores. Por exemplo, para equipamentos que podem ser usados externamente.
- Desvio ou capacidade de puxar: O desvio ou capacidade de puxar de um VCXO é a faixa de frequência na qual o VCXO pode ser puxado ou ajustado e geralmente é dado para a faixa de tensão de controle de entrada aceitável.O desvio VCXO é especificado em termos de partes por milhão, PPM, para uma determinada tensão. Como é esperado, grandes números de desvio fornecem uma faixa de ajuste maior, mas os VCXOs terão níveis menores de desvio, oferecendo maior estabilidade e menor ruído de fase.Como regra geral, é melhor não especificar um intervalo de desvio maior do que o necessário. Isso ocorre porque um VCXO com uma faixa de desvio maior será menos estável com temperatura e tempo. É melhor permitir uma pequena margem, mas não especificar demais esse componente eletrônico.
- Função de transferência ou polaridade de inclinação: Embora seja mais normal que haja um aumento na frequência para uma tensão de controle de entrada aumentada, isso não é necessariamente sempre o caso.Ao selecionar esses componentes eletrônicos, é sempre necessário verificar a polaridade da inclinação: positivo significa que uma mudança positiva na tensão fará com que a frequência do VCXO se mova mais alto, enquanto uma inclinação negativa significa que uma mudança negativa na tensão fará com que a frequência para mover mais alto.
- Tensão de alimentação: É necessário especificar a tensão de alimentação do VCXO para garantir que o mesmo opere com as fontes disponíveis no projeto eletrônico.Verifique também a tolerância da fonte para garantir que não haja incompatibilidades de tolerância – muitas vezes, qualquer regulador de tensão será capaz de fornecer uma especificação de tensão mais rígida do que o VCXO precisa, mas sempre vale a pena verificar durante a fase de projeto eletrônico para que haja não há surpresas desagradáveis depois.
- Corrente de alimentação: A corrente de alimentação consumida é importante por vários motivos. A primeira é garantir que a energia disponível esteja disponível e a segunda é a dissipação de energia – a soma da energia exigida por todos os componentes eletrônicos dentro do projeto eletrônico aumentará a temperatura dentro da unidade e pode significar que o resfriamento de alguma forma é obrigatório. Verificar se a corrente necessária está disponível e dentro dos limites para as elevações de temperatura previstas é uma parte fundamental do projeto eletrônico. Muitos VCXOs consomem entre 10 – 30mA, dependendo da tecnologia usada, capacidade do drive e similares.
- Configuração de saída e capacidade do drive: Diferentes VCXOs têm diferentes configurações de circuito de saída. É importante verificar se a saída irá interagir satisfatoriamente com outros elementos do projeto eletrônico. Impedância, capacidade de capacitância, impedância, configuração e similares.
- Ruído de fase: O nível de ruído de fase no sinal pode ser importante em muitas aplicações. Isso é normalmente definido em termos do nível em dB relativo à portadora em uma largura de banda de 1 Hz e em um determinado deslocamento. Uma especificação típica pode ser expressa em -130dBc/Hz a 1kHz de deslocamento da portadora. Onde o desempenho do ruído de fase é particularmente um gráfico do ruído de fase pode ser necessário ao longo da faixa de importância do deslocamento de frequência.Observação sobre o ruído de fase:O ruído de fase consiste em pequenas perturbações aleatórias na fase do sinal, ou seja, jitter de fase. Essas perturbações são efetivamente modulação de fase e, como resultado, bandas laterais de ruído são geradas. Eles se espalham em ambos os lados do sinal principal e podem ser plotados em um analisador de espectro como ruído de fase de banda lateral única.Leia mais sobre ruído de fase.
- Pacote: É necessário especificar o pacote, pois os osciladores de cristal controlados por tensão vêm em muitas formas e várias opções podem estar disponíveis, desde montagem em orifício até dispositivos de montagem em superfície SMD. Os pacotes geralmente estão em conformidade com os padrões dual-in-line ou com os vários contornos comuns da tecnologia de montagem em superfície por conveniência, embora alguns tenham seus próprios contornos. Também opções como fita e bobina estão frequentemente disponíveis para fabricação em larga escala usando maquinário de fabricação automatizado. Estes são particularmente aplicáveis para as versões SMD desses componentes eletrônicos.
VCXOs são componentes eletrônicos frequentemente usados em diversas áreas do projeto de RF. Os osciladores de cristal controlados por tensão podem ser comprados como pequenos módulos de muitos ressonadores de cristal e fabricantes de osciladores de cristal, e normalmente uma ampla variedade está disponível. Projetos personalizados também podem ser fabricados pela maioria dos fornecedores. Durante a fabricação do equipamento eletrônico geral, esses módulos VCXO podem ser tratados como componentes eletrônicos comuns, tornando-os fáceis de manusear.
Além disso, os VCXOs estão amplamente disponíveis e a maioria são componentes eletrônicos de baixo custo, embora ainda forneçam um excelente nível de desempenho em uma ampla variedade de projetos eletrônicos.
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