Vco

VCO viết tắt của Voltage Controlled Oscillator tức là bộ dao động điều khiển bằng điện áp. Trong hệ thống PLL, VCO là thành phần rất quan trọng có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu có tần số bám theo cho đến khi bằng tần số của tín hiệu tham chiếu. Hoạt động của bộ VCO cơ bản như sau: khi không có điện áp điều khiển, bộ VCO sẽ dao động với tần số trung tâm tức là tần số dao động nội được thiết lập nhờ mạch dao động bên trong VCO. Khi có điện áp điều khiển, bộ VCO sẽ tạo ra tín hiệu có tần số tỉ lệ với điện áp điều khiển. Hệ số tỉ lệ là K hay còn gọi là độ lợi của VCO. Tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sự sai biệt tần số giữa tín hiệu VCO tạo ra và tín hiệu tham chiếu. Và tín hiệu này sẽ điều khiển VCO phát ra tần số sao cho giảm sự sai biệt cho đến khi bằng với tần số tham chiếu. Để thiết kế bộ VCO, đầu tiên ta phải thiết kế bộ dao động sau đó thêm vào các phần tử điều khiển bằng điện áp như varicap để thay đổi tần số cộng hưởng của mạch dao động. Để tạo ra dao động có tần số cao từ vài trăm cho đến hàng ngìn MHz, bộ dao động dùng các phần tử tích cực như BJT, FET, các diot đặc biệt,… để khuyếch đại và ổn định tín hiệu dao động ngõ ra. Về cơ bản bộ dao động gồm hai thành phần: phần khuyếch đại dùng BJT hoặc FET và phần hồi tiếp chính là mạch dao động. Mô hình của bộ dao động như sau:

Hình 1 G ( j ) chính là độ lợi phụ thuộc vào tần số của mạch khuyếch đại. H ( j ) là độ lợi phụ thuộc vào tần số của mạng hồi tiếp. Tín hiệu ngõ ra sẽ là: Vi G ( j ) Vo  1  G ( j ) H ( j ) Dấu “+” hay “-“ ở mẫu thức phụ thuộc vào hồi tiếp âm hay hồi tiếp dương. Để mạch có thể dao động được thì tín hiệu ngõ ra V o phải khác 0 ngay cả khi tín hiệu ngõ vào Vi bằng 0. Điều này chỉ xảy ra khi G ( j ) tiến tới vô cùng (điều này không thực tế) hoặc khi 1  G ( j ) H ( j )  0 tức là: G ( j ) H ( j )  1 (1.1) o arg G ( j ) H ( j )  180 nếu hồi tiếp âm Và (1.2) o arg G ( j ) H ( j )  0 nếu hồi tiếp dương. Biểu thức 1.1 và 1.2 là điều kiện dao động theo tiêu chuẩn Nyquist. Các bộ dao động thường được mắc theo dạng 3 điểm điện dung hoặc 3 điểm điện cảm. Mô hình dao động dạng này như sau:

a) Sơ đồ tổng quát mạch dao động 3 điểm b) Sơ đồ của mạng hồi tiếp Hình 2 Giả sử Ri rất lớn đối với Z 2 (thường được thỏa vì Z 2 rất nhỏ). Lúc này độ lợi của mạng hồi tiếp được tính dựa trên hình 2.b: v Z2 H ( j )  2  v1 Z 2  Z 3 Để tính độ lợi khuyếch đại G ( j ) ta dựa vào hình vẽ sau:

Hình 3 Với Ri>>Z2, ta có: 1 1 1   Z L Z1 Z 2  Z 3

 ZL 

Z1 ( Z 2  Z 3 ) Z1  Z 2  Z 3

Z1 ( Z 2  Z 3 ) v ZL Z1  Z 2  Z 3 G ( j )  o  K K Z (Z  Z3 ) vi R0  Z L R0  1 2 Z1  Z 2  Z 3 K

Z1 ( Z 2  Z 3 ) Z1 ( Z 2  Z 3 )  R0 ( Z1  Z 2  Z 3 )

Độ lợi vòng lúc này sẽ là: 

 Z2   Z1 ( Z 2  Z 3 )  K  Z1 ( Z 2  Z 3 )  R0 ( Z1  Z 2  Z 3 )   Z 2  Z3  

G ( j ) H ( j )  

K

Z1Z 2 Z1 ( Z 2  Z 3 )  R0 ( Z1  Z 2  Z 3 )

(1.3)

Tại tần số cộng hưởng 0 : Z 1 + Z2 + Z 3 = 0  Z2 + Z 3 = - Z 1

(1.4) (1.5)

Từ 1.4 ta có thể suy ra tần số cộng hưởng hay tần số dao động của mạch. Thay 1.4, 1.5 vào 1.3 ta được độ lợi vòng tại tần số cộng hưởng: Z G ( j0 ) H ( j0 )   K 2 Z1 Để thỏa điều kiện dao động theo tiêu chuẩn Nyquist, ta phải có G ( j0 ) H ( j0 )  1 nhưng trên thực tế ta có thể thiết kế để G ( j0 ) H ( j0 )  1 . Khi G ( j0 ) H ( j0 )  1 hệ thống sẽ không ổn định, biên độ dao động ngõ ra sẽ tăng dần cho đến khi transistor tiến vào vùng bão hòa. Điều này sẽ làm cho hệ số khuyếch đại  giảm dẫn đến độ lợi vòng giảm cho đến khi bằng 1 thì hệ thống sẽ ổn định. Z2 Z  1 hay K   1 Vậy với điều kiện G ( j0 ) H ( j0 )  1 suy ra  K Z1 Z2 Tùy theo Z1, Z2, Z3 là tụ điện hay cuộn cảm và tính chất của mạch khuyếch đại ta có các mạch dao động sau:

Để đơn giản ta thiết kế mạch dao động Colpitts sử dụng mạch khuyếch đại không đảo có dạng như sau:

Hình 4 Để mạch có thể dao động được ta cần tính toán phân cực cho transistor hoạt động ở vùng khuyếch đại. Các điện trở R1, R2, RC, RE dùng để phân cực cho transistor. Sử dụng transistor C828 với các thông số sau:  fT=220Mhz > 2 x f0 với f0 là tần số dao động của mạch VCO khi không có điện áp điều khiển, f0 nằm trong khoảng từ 98.7118.7Mhz.  IC = 2mA  VCE = 5V    150  Nguồn cung cấp VCC=9V Điện trở RE có nhiệm vụ hồi tiếp âm, giúp transistor hoạt động ổn định khi nhiệt độ tăng. Thông thường RE không quá lớn, nếu Re lớn sẽ làm giảm độ lợi áp của mạch khuyếch đại. Nếu RE nhỏ quá thì tác dụng hồi tiếp sẽ không cao, mạch sẽ hoạt động không ổn định khi nhiệt độ tăng. Vì vậy người ta thường chọn RE sao cho VE=1/10VCC. 1 VE  VCC  0.9V 10 V V 0.9V  RE  E  E   450 . Chọn RE  470 . I E I C 2mA

VCC  VCE  VE 9  5  0.9   1550 . Chọn RC  1.5 K  IC 2  103 1 Giá trị R2 thường được chọn sao cho R2   RE  7.05 K  . Chọn 10 R2  6.8 K  . R2 VB  VCC  VBE  VE  0.7  0.9  1.6V R1  R2  RC 

VCC R2  1.6 R2 9  6.8  103  1.6  6.8  103  R1    31.45 K  . 1.6 1.6 Chọn R1  33K  . Giá trị tụ C1 được chọn sao cho ZC1<
Hình 5 Rtune là điện trở hạn dòng thường chọn Rtune=10K  . D1, D2 là 2 diot biến dung hay còn gọi là varicap có điện dung thay đổi khi điện áp phân cực ngược đặt lên nó thay đổi. D1, D2 sử dụng con SV101 có đường đặc tính điện áp phân cực ngược- điện dung như hình 6 bên dưới.

Hình 6 Nhìn vào hình 6 có thể thấy khoảng tuyến tính của varicap từ 3V đến 9V, lúc này điện dung thay đổi từ 28pF cho đến 12pF. Dựa vào sự thay đổi này ta có thể thiết kế để VCO hoạt động ở dải tần 98.7-118.7Mhz. Rp Rd có tác dụng nâng cao hệ số phẩm chất Q của cuộn dây, Q  thường  L1 có giá trị khoảng 200, với L=0.1  H ta có Rd khoảng 25K  . Chọn Rd=27K  Ctune là tụ điện ngăn dòng dc. Thường chọn giá trị Ctune sao cho với 0  2  94  106 rad / s , ZCtune  0. Chọn Ctune=10nF thỏa mãn yêu cầu đặt ra. Bây giờ ta tính toán để có được dao động trong khoảng tần số 98.7118.7Mhz. Tần số dao động của mạch là: 1 f0  2 LCtd Với Ctd=Cd + C23, trong đó Cd=CD1||CD2, C23=C2||C3. Khi điện áp phân cực ngược thay đổi từ 3-9V, điện dung của varicap thay đổi từ 28pF-12pF, hay Cd thay đổi từ 14pF cho đến 6pF. Để tính L(  H ) và C12 (pF) ta giải hệ phương trình: 1 98.7 ×106 = 2 p L(C12 + 6)×10-18

{

118.7 ×106 =

{

1 2 p L(C12 +14) ×10-18

L = 0.101 H C12 = 10.9 pF Chọn L=0.1  H , C23=11pF  C2=C3=22pF. Bộ VCO sẽ dao động với tần số ngõ ra từ 98.9Mhz cho đến 118.9Mhz khi điện áp điều khiển thay đổi từ 3-9V.



Tần số giao động nội của VCO f0=98.9Mhz Và độ lợi của VCO sẽ là: 118.7  98.7 KVCO   3.33Mhz / V  21Mrad / s / V . 93 Để thỏa mãn các tính toán trên ta sẽ thiết kế để Vtune=3+VLF(V). Với VLF là điện áp ngõ ra của bộ Loop Filter.