電圧制御発振器

電圧制御発振器( VCO ) は、電圧入力によって発振周波数が制御される電子発振器です。印加された入力電圧によって、瞬間的な発振周波数が決まります。したがって、制御入力に変調信号を適用することで、VCO を周波数変調(FM) または位相変調(PM)に使用できます。VCO は、位相ロック ループの不可欠な部分でもあります。VCO は、シンセサイザーで使用され、キーボードやその他の入力によって決まる電圧によってピッチを調整できる波形を生成します。

電圧-周波数変換器（VFC）は、広範囲の入力制御電圧にわたって非常に直線的な周波数制御ができるように設計された特殊なタイプのVCOです。^{[1] [2] [3]}

VCOは、生成される波形の種類に基づいて一般的に2つのグループに分類できます。^[4]

• 線形発振器または調和発振器は正弦波を生成します。電子機器における調和発振器は通常、共振器と増幅器で構成されます。増幅器は共振器の損失を補い (振幅の減衰を防ぐため)、共振器を出力から分離します (負荷が共振器に影響を与えないようにするため)。調和発振器の例としては、LC 発振器や水晶発振器などがあります。
• 緩和発振器は、のこぎり波または三角波を生成できます。これらは集積回路(IC) でよく使用されます。最小限の外部コンポーネントで、広範囲の動作周波数を提供できます。

電圧制御コンデンサは、LC 発振器の周波数を制御電圧に応じて変化させる方法の 1 つです。逆バイアスされた半導体ダイオードはいずれも電圧依存の静電容量の測定値を示し、ダイオードに適用される制御電圧を変化させることで発振器の周波数を変更するために使用できます。特殊用途の可変容量バラクタダイオードは、特性が明確にされた広範囲の静電容量値で利用できます。バラクタは、LC タンクの静電容量 (したがって周波数) を変更するために使用されます。バラクタは、水晶共振器の負荷を変更してその共振周波数を引き出すこともできます。

低周波 VCO の場合、周波数を変化させる他の方法 (電圧制御電流源を使用してコンデンサの充電率を変更するなど) が使用されます (ファンクション ジェネレータを参照)。

リング発振器の周波数は、供給電圧、各インバータ段に供給される電流、または各段の容量性負荷のいずれかを変化させることによって制御されます。

VCO は、周波数変調や周波数シフト キーイングなどのアナログ アプリケーションで使用されます。VCO (特に無線周波数で使用されるもの) の制御電圧と出力周波数間の機能関係は線形ではない場合がありますが、狭い範囲では関係はほぼ線形であり、線形制御理論を使用できます。電圧/周波数コンバータ (VFC) は、広範囲の入力電圧にわたって非常に線形になるように設計された特殊なタイプの VCO です。

VCO のモデリングでは、振幅や形状 (正弦波、三角波、のこぎり波) ではなく、その瞬間位相が考慮されることがよくあります。実際には、時間領域信号A sin( ωt + θ ₀ )ではなく、正弦関数の引数 (位相) に焦点が当てられます。したがって、モデリングは位相領域で行われることがよくあります。

VCO の瞬間周波数は、瞬間制御電圧との線形関係としてモデル化されることがよくあります。発振器の出力位相は、瞬間周波数の積分です。

${\displaystyle {\begin{aligned}f(t)&=f_{0}+K_{0}\cdot \ v_{\text{in}}(t)\\\theta (t)&=\int _{-\infty }^{t}f(\tau )\,d\tau \\\end{aligned}}}$

• ${\displaystyle f(t)}$時刻tにおける発振器の瞬間周波数（波形の振幅ではない）
• ${\displaystyle f_{0}}$発振器の静止周波数（波形の振幅ではない）
• ${\displaystyle K_{0}}$発振器の感度またはゲインと呼ばれます。単位はヘルツ/ボルトです。
• ${\displaystyle f(\tau )}$VCOの周波数は
• ${\displaystyle \theta (t)}$VCOの出力位相は
• ${\displaystyle v_{\text{in}}(t)}$VCOの時間領域制御入力または同調電圧である。

制御システムを解析するには、上記の信号の ラプラス変換が役立ちます。

${\displaystyle {\begin{aligned}F(s)&=K_{0}\cdot \ V_{\text{in}}(s)\\\Theta (s)&={F(s) \over s}\\\end{aligned}}}$

チューニング範囲、チューニングゲイン、位相ノイズは、VCO の重要な特性です。一般に、VCO では位相ノイズが低いことが望まれます。制御信号に含まれるチューニングゲインとノイズは位相ノイズに影響します。ノイズやチューニングゲインが高いと、位相ノイズが多くなります。位相ノイズを決定するその他の重要な要素は、回路内のフリッカーノイズ(1/ fノイズ) の発生源、 ^[5]出力電力レベル、共振器の負荷Q 係数です。 ^[6] ( Leeson の式を参照)。低周波フリッカーノイズは、能動デバイスの非線形伝達関数により発振器出力周波数にヘテロダイン化されるため、位相ノイズに影響します。フリッカーノイズの影響は、伝達関数を線形化する負帰還(エミッタ縮退など) によって軽減できます。

VCO は一般に、同様の固定周波数発振器に比べて Q 係数が低いため、ジッタが大きくなります。ジッタは多くのアプリケーション (ASIC の駆動など) で十分に低く抑えることができ、その場合、VCO はオフチップ コンポーネント (高価) やオンチップ インダクタ (一般的な CMOS プロセスでの歩留まりが低い) が不要になるという利点があります。

一般的に使用される VCO 回路は、クラップ発振器とコルピッツ発振器です。2 つの発振器のうち、より広く使用されているのはコルピッツ発振器であり、これらの発振器の構成は非常に似ています。

あ電圧制御水晶発振器(VCXO) は、動作周波数の微調整に使用されます。電圧制御水晶発振器の周波数は、通常 0 ～ 3 ボルトの制御電圧範囲で数十 ppm (百万分の一) 変化させることができます。これは、水晶の Q 値が高いため、狭い範囲の周波数でのみ周波数を制御できるためです。

あ温度補償型 VCXO (TCVCXO共振周波数の温度依存性を部分的に補正するコンポーネントが組み込まれています送信機熱の蓄積など、温度アプリケーションでは、より狭い範囲の電圧制御で発振器周波数を安定させることができます。

発振器を一定だが周囲温度より高い温度の水晶オーブン内に置くことも、発振器周波数を安定させるもう 1 つの方法です。高安定性水晶発振器の基準では、水晶をオーブン内に配置し、微調整のために電圧入力を使用することがよくあります。 ^[7]温度は、小さな変化が共振に影響を与えない温度であるターンオーバー温度になるように選択されます。制御電圧を使用して、基準周波数をNISTソースに時々調整できます。洗練された設計では、水晶の経年劣化を補正するために、時間の経過とともに制御電圧を調整することもあります。^[要出典]

クロックジェネレータは、デジタル回路の動作を同期するためのタイミング信号を提供する発振器です。VCXO クロック ジェネレータは、デジタル TV、モデム、送信機、コンピューターなど、多くの分野で使用されています。VCXO クロック ジェネレータの設計パラメータは、チューニング電圧範囲、中心周波数、周波数チューニング範囲、および出力信号のタイミング ジッタです。ジッタは、ラジオ受信機、送信機、測定機器などのアプリケーションで最小限に抑える必要のある 位相ノイズの一種です。

より幅広いクロック周波数の選択が必要な場合、VCXO 出力をデジタル分周回路に通して低い周波数を得るか、位相ロック ループ(PLL) に供給することができます。VCXO (外部水晶用) と PLL の両方を含む IC が利用可能です。一般的な用途は、12 kHz から 96 kHz の範囲のクロック周波数をオーディオデジタル - アナログ コンバーターに供給することです。

周波数シンセサイザーは、安定した単一周波数クロックに基づいて、正確で調整可能な周波数を生成します。周波数シンセサイザーに基づくデジタル制御発振器は、アナログ電圧制御発振器回路のデジタル代替として機能する場合があります。

VCO は、ファンクション ジェネレーター、通信機器や電子音楽の制作に使用される周波数シンセサイザーを含む位相ロック ループで使用され、シンセサイザーで可変音を生成します。

ファンクション ジェネレーターは、複数の波形 (通常は正弦波、方形波、三角波) を特徴とする低周波発振器です。モノリシック ファンクション ジェネレーターは電圧制御です。

アナログ位相同期ループには通常、VCO が含まれています。高周波 VCO は通常、無線受信機の位相同期ループで使用されます。位相ノイズは、このアプリケーションで最も重要な仕様です。^{[引用が必要]}

オーディオ周波数 VCO は、アナログ音楽シンセサイザーで使用されます。これらのシンセサイザーでは、スイープ範囲、直線性、歪みが最も重要な仕様となることがよくあります。音楽のコンテキストで使用されるオーディオ周波数 VCO は、動作中の温度変化に対する出力の安定性のため、1980 年代にデジタル版であるデジタル制御発振器(DCO) に大きく置き換えられました。1990 年代以降、音楽ソフトウェアがサウンド生成の主流になりました。

電圧-周波数コンバータは、印加電圧と周波数の間に高い線形関係を持つ電圧制御発振器です。周波数がドリフトしたりノイズの影響を受けたりしないため、低速アナログ信号 (温度トランスデューサーなど) を長距離伝送に適した信号に変換するために使用されます。このアプリケーションの発振器は、正弦波または方形波出力を持つ場合があります。

発振器が無線周波数干渉を発生する可能性のある機器を駆動する場合、制御入力に変動電圧を加えることをディザリングと呼び、^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [過剰な引用]}干渉スペクトルを分散させて、干渉を少なくすることができます（拡散スペクトルクロックを参照）。

• 低周波発振器（LFO）
• モジュラーシンセサイザー
• 数値制御発振器（NCO）
• 可変周波数発振器（VFO）
• 可変ゲインアンプ
• 電圧制御フィルタ（VCF）

• 「VCO の設計」。Ian Purdie のアマチュア無線チュートリアル ページ。2019 年 1 月 4 日にオリジナルからアーカイブ。2018年 1 月 28 日に取得。
• UPA ファミリーのデュアルトランジスタを使用した VCO とバッファの設計