ES2207210T3 - Oscilador controlado por voltaje. - Google Patents

Oscilador controlado por voltaje.

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ES2207210T3 ES99920688T ES99920688T ES2207210T3 ES 2207210 T3 ES2207210 T3 ES 2207210T3 ES 99920688 T ES99920688 T ES 99920688T ES 99920688 T ES99920688 T ES 99920688T ES 2207210 T3 ES2207210 T3 ES 2207210T3
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Abstract

Un oscilador controlado por voltaje, que comprende: un transistor (T), el cual tiene los terminales de la base (Tb), emisor (Te) y colector (Tc); un circuito sintonizado (Lr, Ct) en paralelo conectado entre el terminal de la base (Tb) del transistor y tierra; un par de condensadores (Cd, Cs) en serie entre el terminal de la base (Tb) del transistor (T) y tierra, en el que la unión entre el par de condensadores conectados en serie (Cd, Cs) está conectada al terminal del emisor (Te) del transistor (T); medios para variar la relación de las impedancias reales del par de condensadores (Cd, Cs)conectados en serie con respecto a la frecuencia, con el fin de compensar los efectos de la señal de salida del oscilador que surgen debido a las pérdidas en el circuito sintonizado en paralelo (Lr, Ct), en el que los medios para variar la relación de las impedancias reales comprenden una segunda inductancia (Lc) conectada en paralelo al mencionado condensador (Cs) conectado en serie, que está conectado atierra; y en el que los valores del condensador (Cs) conectado a tierra y la segunda inductancia (Lc) se seleccionan de forma tal que la impedancia paralelo real a tierra que proporcione se incremente con la disminución de la frecuencia del oscilador VCO, de una forma similar a la forma en que se incrementa el factor de amortiguamiento (Rr) del circuito sintonizado en paralelo (Lr, Ct).

Description

Oscilador controlado por voltaje.
Campo técnico
La invención está relacionada con un oscilador controlado por voltaje.
Antecedentes
Un oscilador controlado por voltaje (VCO) está diseñado para generar una señal de salida de una frecuencia en particular. Esta frecuencia está determinada por el nivel de un voltaje, el cual es introducido en el oscilador. La frecuencia de salida del oscilador puede variarse, haciendo variar la magnitud del voltaje que es introducido en el oscilador. Típicamente, un oscilador controlado por voltaje puede ser utilizado para proporcionar una señal para la transmisión por un transmisor de un sistema de comunicaciones.
La frecuencia de salida del VCO puede variarse de forma fiable entre una cierta frecuencia máxima y una cierta frecuencia mínima. Las frecuencias entre estos límites se denominan como el rango de frecuencias del VCO. Un VCO de banda ancha necesita cubrir un rango de frecuencias al menos del 25% del valor central del rango de frecuencia. No obstante, existen requisitos en particular del rendimiento del ruido de fase y de la linealidad de modulación del transmisor a través de este rango de frecuencias. Estos requisitos dan por resultado usualmente que el VCO sea un circuito complicado.
En algunas aplicaciones, tales como por ejemplo las radios portátiles, los osciladores VCO tienen que ser de pequeño tamaño. Los diseños de tamaño pequeño del VCO tienden a tener un número pequeño de componentes. Esto reduce la complejidad permitida. Los diseños de pequeño tamaño requieren también componentes más pequeños. Esto significa, por ejemplo, que las bobinas de resonancia que puedan utilizarse solo tienen un factor Q limitado.
Un oscilador VCO de pequeño tamaño, por tanto, tiene menos componentes y más pequeños. Esto hace que sea difícil de cumplir con los requisitos para el rendimiento del ruido de fase y de la linealidad de modulación del transmisor a través del rango de frecuencias de operación del oscilador VCO.
Existe una necesidad de encontrar un circuito sencillo que permita un excelente compromiso entre el rendimiento del oscilador VCO y un espacio limitado.
Un diseño conocido de un oscilador VCO es el denominado como "oscilador Colpitts". La figura 1 muestra un ejemplo de un oscilador Colpitts.
Las características principales del diseño del oscilador Colpitts se muestran en la figura 1. Está presente un transistor T, el cual tiene dos condensadores Cd y Cs conectados en serie entre su base y tierra. El punto medio de los dos condensadores está conectado al emisor del transistor. Se encuentra conectada una fuente de voltaje V entre el colector del transistor y tierra.
Está conectado un condensador de sintonía Ct en paralelo con los condensadores Cd y Cs. El condensador Ct es preferiblemente un varactor que puede ser sintonizado al valor de la capacidad deseada mediante la aplicación de un voltaje de sintonía. En la figura 1 no se encuentra mostrado el circuito real que incluyen condensadores de desacoplo y resistencias, con el fin de mantener simplificada la figura. El condensador Ct, no obstante, puede ser cualquier otro condensador sintonizable. Conectados también en paralelo con el condensador Ct y los condensadores Cd y Cs se encuentra una inductancia Lr. Los valores de la inductancia Lr y del condensador Ct determinan conjuntamente la frecuencia de resonancia del oscilador VCO. Evidentemente, esta frecuencia de resonancia varía conforme se hace variar el valor de Ct.
La resistencia Rr está mostrada en serie con la inductancia Lr. La resistencia Rr simboliza las pérdidas en la bobina Lr. Estos efectos de las pérdidas son importantes, y son el principal problema que se resuelve mediante la invención presente. El valor de estas pérdidas en un circuito real depende de la forma en que la inductancia Lr difiera de ser una inductancia perfecta, y estas pérdidas dependen de la frecuencia.
Finalmente, se proporcionan el varactor Cm y la resistencia Rm, y que están alimentados con un voltaje de modulación Vm. Esta es la configuración usual para proporcionar una modulación en frecuencia, proporcionando el voltaje Vm la modulación en frecuencia de la salida del oscilador VCO.
El diseño del oscilador Colpitts de la figura 1 adolece de dos inconvenientes significativos:
(i)
Un oscilador Colpitts puede estar diseñado para conseguir el mejor rendimiento de ruido a través de un rango estrecho de frecuencias. No obstante, el diseño dirigido para tener componentes más pequeños conduce a dificultades. Con componentes más pequeños, los factores Q que pueden obtenerse son más pequeños. Esto hace disminuir el ancho de banda utilizable como resultado de los efectos de amortiguamiento por las pérdidas de la bobina que están simbolizadas en la figura 1 como Rr.
Para las frecuencias del oscilador en el extremo inferior del rango del oscilador, las pérdidas Rr incrementadas del circuito resonante precisan de una ganancia mayor de realimentación, para proporcionar el mismo nivel de la señal de salida. No obstante, la magnitud de esta ganancia de realimentación tiene que ser disminuida en altas frecuencias, porque las corrientes en las bobinas del circuito resonante o circuito tanque y las pérdidas tienen un efecto reducido de amortiguamiento en altas frecuencias.
(ii)
La modulación en frecuencia (FM) provista por el circuito varactor Cm varía con la frecuencia. A las frecuencias bajas del oscilador, la gran capacidad Ct del varactor de sintonía carga el varactor de modulación Cm, y por tanto disminuye la desviación de la modulación. La desviación de la modulación se incrementa con la elevación de las frecuencias del oscilador, debido a la menor capacidad Ct del varactor de sintonía, mientras que Cm permanece 
\hbox{constante.}
Los inconvenientes de la configuración circuital de la figura 1 exponen claramente que la configuración de la figura 1 no es adecuada para el enfoque del circuito a la minimización del tamaño.
La patente publicada de los EE.UU. número US-A-4785263 expone un conocido oscilador. El oscilador puede ser construido como un oscilador controlado por voltaje. El oscilador tiene un par de condensadores conectados en serie entre la puerta de un transistor FET y tierra. La unión de estos condensadores está conectada al surtidor del FET mediante una conexión en paralelo de una resistencia y de un tercer condensador 31. Se encuentra conectado una bobina de choque entre la unión del par de condensadores conectados en serie y tierra, con el fin de proporcionar un recorrido de alimentación de CC al surtidor del FET.
La patente de los EE.UU. número US-A-5144264 muestra un oscilador Colpitts que tiene un circuito LC en serie en el circuito de realimentación, con el fin de compensar en frecuencia el oscilador.
Sumario de la invención
Un oscilador controlado por voltaje de acuerdo con la invención, que comprende: un transistor, el cual tiene los terminales de la base, emisor y colector; un circuito sintonizado en paralelo conectado entre el terminal de la base del transistor y tierra; un par de condensadores en serie entre el terminal de la base del transistor y tierra, en el que la unión entre el par de condensadores conectados en serie está conectada al terminal del emisor del transistor; medios para variar la relación de las impedancias reales del par de condensadores conectados en serie con respecto a la frecuencia, con el fin de compensar los efectos de la señal de salida del oscilador que surgen debido a las pérdidas en el circuito sintonizado en paralelo, en el que los medios para variar la relación de las impedancias reales comprenden una segunda inductancia conectada en paralelo a uno de los mencionados condensadores conectados en serie, que está conectado a tierra; y en el que los valores del condensador conectado a tierra y la segunda inductancia se seleccionan de forma tal que la impedancia paralelo real a tierra que proporcione se incremente con la disminución de la frecuencia del oscilador VCO, de una forma similar a la forma en que se incrementa el factor de amortiguamiento del circuito sintonizado en paralelo.
El circuito sintonizado en paralelo puede comprender una primera inductancia y un condensador sintonizable configurados en paralelo. La segunda inductancia y el condensador conectado en serie al cual está conectada en paralelo, pueden tener valores que sean tales que su frecuencia de resonancia como una combinación de circuito en paralelo sea de aproximadamente la mitad de la frecuencia central del oscilador VCO, y en el que su impedancia real en la frecuencia central del oscilador VCO sea aproximadamente igual al valor que tendría un condensador en paralelo puro optimizado en el mismo emplazamiento. El oscilador controlado por voltaje puede comprender además medios para inyectar una señal de modulación en la unión entre el par de condensadores conectados en serie, con el fin de proporcionar la modulación en frecuencia de la señal de salida del oscilador controlado por voltaje.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra una forma del oscilador controlado por voltaje del arte previo.
La figura 2 muestra un oscilador controlador por voltaje de acuerdo con la invención.
Descripción detallada de la realización preferida
La presente invención puede compensar los inconvenientes descritos anteriormente en relación con la configuración circuital de la figura 1.
En su forma más general, la invención está relacionada con la provisión de una compensación en un oscilador controlado por voltaje. La compensación provista es tal que compensa los efectos no deseados de las pérdidas de la bobina al variar la frecuencia. La compensación provista de acuerdo con la invención proporciona una señal de salida adecuada del VCO a través de un rango más amplio de la frecuencia de salida que con respecto al obtenible con la configuración de la figura 1.
El circuito de acuerdo con la presente invención es el mostrado en la figura 2. Los elementos en la figura 2 que se corresponden con los de la figura 1 están rotulados con los mismos signos de referencia. La configuración de la figura 2 incluye una inductancia Lc, la cual proporciona la compensación. La interacción de la inductancia Lc con el resto de los elementos del circuito mostrados en la figura 2 llegará a ser comprendida a partir de la exposición que sigue a continuación.
En la configuración circuital de la figura 2, la frecuencia del oscilador VCO está determinada básicamente por la frecuencia de resonancia de Lr y Ct.
La bobina Lc de un valor adecuado de inductancia ha sido añadida al circuito en paralelo con los condensadores Cs del recorrido paralelo capacitivo 
\hbox{Cd – Cs}
del divisor de voltaje de realimentación. Los condensadores Cs y LC se seleccionan de forma tal que la impedancia paralelo real a tierra que proporcionan con respecto a tierra se incremente con la disminución de la frecuencia del oscilador VCO, de una forma similar a la forma en que aumenta el factor Rr de amortiguamiento del resonador con pérdidas. Preferiblemente, la impedancia paralelo real con respecto a tierra de la combinación de Cs y Lc aumenta con la disminución de la frecuencia del oscilador VCO, exactamente lo mismo que aumenta el factor de amortiguamiento Rr del circuito resonante con pérdidas. Esta configuración consigue una compensación substancial de las pérdidas, debido a Lr. Con solo un divisor de voltaje capacitivo puro en el circuito, formado por Cd-Cs, se configuraría una relación divisora constante. Esto podría tomar el valor, por ejemplo, de ¼ . No obstante, con la combinación de interactuación de un diseño adecuado de Cs y Lc, tal como se muestra en la figura 2, la relación del divisor no es fija. Esta relación puede variar con la frecuencia. Por ejemplo, puede variar desde aproximadamente 1/3 en el extremo inferior hasta aproximadamente 1/5 en el extremo superior. La frecuencia de resonancia de la combinación del circuito en paralelo de Lc y Cs está diseñada para que sea aproximadamente de la mitad de la frecuencia central del oscilador VCO. La impedancia real de la combinación de Lc y Cs es igual al valor de la capacitancia optimizada de una capacitancia paralelo pura a la frecuencia central del oscilador VCO. Esto significa que a la frecuencia central del oscilador VCO, la combinación de los elementos circuitales Lc y Cs en la configuración de la figura 2, proporciona una impedancia equivalente a la de una capacitancia pura Cs en la figura 1.
Sin Lc, la relación Cd/Cs del divisor capacitivo de realimentación permanecería constante a través de la frecuencia sin compensación de ganancia. No obstante, con Lc, la relación Cd/Cs (Cs en paralelo con Lc), variará en proporción con la frecuencia del oscilador VCO. Esto permite que se configure una relación de realimentación optimizada a través de un rango compensado de frecuencias más amplio. Adicionalmente, se consigue un rango más amplio del rendimiento optimizable del ruido de fase.
El voltaje de modulación Vm puede ser acoplado a través de la resistencia Rm al varactor de modulación Cm, que está conectado en paralelo con el circuito paralelo, que comprende Cs en paralelo con Lc. La desviación de la modulación en frecuencia depende del voltaje de modulación y de la impedancia paralelo variable. La impedancia paralelo variable aumentará a frecuencias bajas del oscilador, según se ha expuesto anteriormente. Esto da lugar a una desviación de modulación linealizada a través del rango completo del seguimiento.
El circuito del oscilador controlado por voltaje de la invención puede estar diseñado para operar a través del rango de frecuencias de, por ejemplo, 130 MHz- 180 MHz. A través de este rango, la salida del oscilador VCO tiene una excelente característica del ruido con respecto a la fase. Este es el caso incluso con las bobinas que se utilizan en el diseño que tiene un factor de calidad bajo. Los valores correctos de Cs y Lc pueden ser calculados con herramientas de simulación apropiadas, para obtener una precisión máxima. Estas herramientas están disponibles para los técnicos especializados en el arte, y no se explican aquí con detalle.
El oscilador controlado por voltaje de acuerdo con la invención puede ser utilizado en una radio portátil tal como una radio PMR (equipo móvil de comunicaciones privadas. Este diseño de oscilador controlado por voltaje requiere un espacio menor que los circuitos VCO del arte previo. El oscilador controlado por voltaje de acuerdo con la invención requiere solo componentes de precisión inferior que los necesarios para los diseños del arte previo. Esto hace que el diseño sea más económico, y ahora en los ajustes del VCO. El oscilador controlado por voltaje de acuerdo con la invención puede ser utilizado también en una radio móvil o en un teléfono móvil.

Claims (5)

1. Un oscilador controlado por voltaje, que comprende:
un transistor (T), el cual tiene los terminales de la base (Tb), emisor (Te) y colector (Tc);
un circuito sintonizado (Lr, Ct) en paralelo conectado entre el terminal de la base (Tb) del transistor y tierra;
un par de condensadores (Cd, Cs) en serie entre el terminal de la base (Tb) del transistor (T) y tierra, en el que la unión entre el par de condensadores conectados en serie (Cd, Cs) está conectada al terminal del emisor (Te) del transistor (T);
medios para variar la relación de las impedancias reales del par de condensadores (Cd, Cs)conectados en serie con respecto a la frecuencia, con el fin de compensar los efectos de la señal de salida del oscilador que surgen debido a las pérdidas en el circuito sintonizado en paralelo (Lr, Ct), en el que los medios para variar la relación de las impedancias reales comprenden una segunda inductancia (Lc) conectada en paralelo al mencionado condensador (Cs) conectado en serie, que está conectado a tierra; y
en el que los valores del condensador (Cs) conectado a tierra y la segunda inductancia (Lc) se seleccionan de forma tal que la impedancia paralelo real a tierra que proporcione se incremente con la disminución de la frecuencia del oscilador VCO, de una forma similar a la forma en que se incrementa el factor de amortiguamiento (Rr) del circuito sintonizado en paralelo (Lr, Ct).
2. El oscilador controlado por voltaje de la reivindicación 1, en el que el circuito sintonizado paralelo comprende una primera inductancia (Lr) y un condensador sintonizable (Ct) configurado en paralelo.
3. El oscilador controlado por voltaje de la reivindicación 1 ó 2, en el que la mencionada inductancia (Lc) y el mencionado condensador conectado en serie (Cs) al cual está conectada en paralelo tienen valores tales que su frecuencia de resonancia como combinación de circuito paralelo es de aproximadamente la mitad de la frecuencia central del oscilador VCO, y su impedancia real a la frecuencia central del oscilador VCO es aproximadamente igual al valor que un condensador paralelo puro optimizado tendría en el mismo emplazamiento.
4. El oscilador controlado por voltaje de cualquier reivindicación anterior que comprende medios (Cm, Rm, Vm) para inyectar una señal de modulación en la unión entre el par de condensadores conectados en serie (Cd, Cs) con el fin de proporcionar la modulación en frecuencia de la señal de salida del oscilador controlado por voltaje.
5. Una radio portátil o móvil o un teléfono móvil que comprenda un oscilador controlado por voltaje de acuerdo con cualquier reivindicación anterior.
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