VCXO, Oscilador De Cristal Controlado Por tensión – Circuito Y Aplicaciones.

Los osciladores de cristal controlados por tensión, VCXOs, se utilizan en muchos circuitos de RF en los que se necesita la estabilidad de un oscilador de cristal, pero con la posibilidad de tirar de ellos o ajustarlos en una pequeña cantidad.

El nombre VCXO proviene del hecho de que los resonadores de cristal se denominan a menudo “Xtals” – es decir, VCXO significa Voltage Controlled Xtal Oscillator.

El uso de un VCXO permite combinar altos niveles de estabilidad del cristal de cuarzo con bajos niveles de ruido de fase, al tiempo que permite alterar o recortar la frecuencia en una pequeña cantidad.

A menudo, los VCXO son componentes electrónicos que se utilizan cuando se requiere un pequeño ajuste programable de una señal, por ejemplo, como señal de referencia dentro de un sistema electrónico. En este caso, el VCXO puede programarse utilizando una tensión derivada de una señal digital.

Los VCXO también se pueden utilizar cuando se puede usar una tensión de control para contrarrestar los cambios de frecuencia causados por la temperatura, el envejecimiento, etc. De esta manera, encuentran usos en muchos diseños de circuitos electrónicos.

 

Circuito VCXO

El circuito básico de un VCXO consiste en un oscilador de cristal estándar pero con un medio electrónico para sintonizar o “tirar” de la frecuencia ligeramente. Esto se consigue casi siempre utilizando diodos varactor o varicap.

En la mayoría de los VCXOs se colocan un par de diodos espalda con espalda a través del cristal. Se aplica una polarización inversa a los ánodos de los diodos que actúan como un condensador variable a través del cristal. En la mayoría de los casos se utiliza un circuito oscilador Colpitts.

Circuito VCXO

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La cantidad de frecuencia que se puede extraer del cristal depende de varios factores, como el nivel de capacitancia aplicado, las condiciones del circuito y el cristal. Sin embargo, la frecuencia no puede ser extraída demasiado, porque la actividad del cristal se reduce a medida que el nivel de capacitancia a través del cristal aumenta. Si es necesario que el VCXO sea arrastrado en un rango grande, entonces se puede incorporar un inductor en el circuito.

Aplicaciones del VCXO

Los VCXO se utilizan en muchas aplicaciones. He aquí algunas de ellas:

  • Osciladores de cristal controlados por temperatura: Los VCXOs se utilizan en TCXOs – osciladores de cristal controlados por temperatura, donde la tensión de compensación de temperatura se aplica a un terminal de control del VCXO. De este modo, la deriva puede reducirse considerablemente. Aunque el rendimiento de un VCXO sigue sin ser tan bueno como el de un oscilador de cristal controlado por horno completo, es capaz de proporcionar un nivel de rendimiento mejor que el de un oscilador de cristal sin compensación y por mucho menos que el coste de un oscilador controlado por horno completo.
  • Los PLL de banda estrecha: En otra aplicación, los VCXO pueden utilizarse en bucles de bloqueo de fase de banda estrecha, donde sólo se requiere una pequeña variación de frecuencia. En este caso son capaces de proporcionar muy buenos niveles de ruido de fase. En este caso, pueden utilizarse para la reconstitución de la señal.
  • Otras aplicaciones: Los VCXOs se utilizan en otros diseños electrónicos en los que se requiere un oscilador estable y de bajo ruido de fase que pueda ser recortado o ajustado en una cantidad relativamente pequeña. Normalmente, estas aplicaciones se dan en una variedad de diseños de RF, así como en circuitos de temporización.

Rendimiento del VCXO

Utilizando este enfoque, las cifras de variación de frecuencia del VCXO de alrededor de 35 a 50 ppm/voltio son razonablemente fáciles de conseguir y los VCXO con estas cifras son bastante comunes.

Naturalmente, el hecho de que se pueda tirar de la frecuencia del VCXO reduce el rendimiento global del circuito oscilador. El rendimiento del ruido de fase del oscilador se degrada porque el Q efectivo del resonador se reduce considerablemente. Además, la estabilidad de la frecuencia no es tan buena.

Uno de los principales problemas de los VCXO es la deriva de temperatura. Como ésta varía en el rango de control de la tensión, no puede optimizarse para todos los niveles de tensión de control, siendo el diseño final un compromiso. Cuando se utilizan sin otras formas de compensación de temperatura, pueden derivar más que otras formas de oscilador de cristal.

Especificación de VCXOs

Muchos VCXO se piden como módulos a un proveedor especializado en estos artículos. Es necesario especificarlos correctamente para obtener el producto deseado.

Cuando se especifica un VCXO, normalmente se necesitan los siguientes parámetros:

Frecuencia: Normalmente se especifica en MHz para frecuencias superiores a 1,0MHz y en kHz por debajo de ésta. También debe especificarse con el número correcto de decimales para que el fabricante pueda determinar la frecuencia necesaria. Consulte los datos del fabricante para saber cuál es el número correcto, que suele ser de seis o siete cifras significativas.

Estabilidad de la frecuencia: Aunque los VCXO son variables, es necesario especificar la estabilidad básica de la frecuencia. Por lo general, esto se hace para la temperatura ambiente, 20C y con el punto de control de tensión ajustado a su valor central. La estabilidad de frecuencia se toma para el funcionamiento en el rango de temperatura de operación. El valor se especifica en términos de partes por millón, ppm. Las especificaciones de estabilidad estándar suelen ser ±25ppm, ±50ppm y ±100ppm.

Salida: Los VCXOs son necesarios para una serie de aplicaciones. Algunos pueden utilizarse para controlar diferentes formas de lógica, mientras que otros pueden ser necesarios para aplicaciones analógicas. Los requisitos de salida son un elemento importante de la especificación general.

Rango de temperatura de funcionamiento: La mayoría de los osciladores de cristal controlados por tensión tienen un rango de temperatura de funcionamiento. En consecuencia, es necesario especificar un rango para el VCXO. Hay tres rangos principales:

  • 0 – 70 C – A menudo se denomina rango de temperatura comercial. Normalmente es satisfactorio para el funcionamiento en entornos de oficina o de laboratorio.
  • -10 – + 70C – Rango industrial que se necesita donde los rangos de temperatura pueden fluctuar más ampliamente.
  • -40 – +85C – se acerca a la gama militar (normalmente de -40 a +125C) y se requiere cuando se necesitan rangos de temperatura mucho más amplios. Por ejemplo, en el caso de equipos que pueden utilizarse en el exterior.

Hay que tener en cuenta que a menudo se produce un aumento de la temperatura en el interior de un equipo, lo que significa que los componentes electrónicos dentro del equipo estarán funcionando por encima de la temperatura ambiente externa.

Esto debe tenerse en cuenta durante la fase de diseño electrónico para garantizar que se selecciona un VCXO con un rango de temperatura de funcionamiento adecuado.

Desviación o capacidad de tracción: La desviación o pullability de un VCXO es el rango de frecuencias sobre el que el VCXO puede ser tirado o recortado y se da generalmente para el rango de tensión de control de entrada aceptable.

La desviación del VCXO se especifica en términos de partes por millón, PPM, para una tensión determinada. Como es de esperar, las cifras de desviación grandes dan un mayor rango de sintonización, pero los VCXOs con niveles más pequeños de desviación ofrecen mayor estabilidad y menor ruido de fase.

Como regla general, es mejor no especificar un rango de desviación mayor del necesario. Esto se debe a que un VCXO con un rango de desviación mayor será menos estable con la temperatura y el tiempo. Es mejor dejar un poco de margen, pero no sobreespecificar este componente electrónico.

Función de transferencia o polaridad de la pendiente: Aunque lo más normal es que haya un aumento de la frecuencia para un aumento de la tensión de control de entrada, esto no es necesariamente siempre así.

A la hora de seleccionar estos componentes electrónicos, siempre es necesario comprobar la polaridad de la pendiente: positiva significa que un cambio positivo en la tensión hará que la frecuencia del VCXO se mueva más alto, mientras que una pendiente negativa significa que un cambio negativo en la tensión hará que la frecuencia se mueva más alto.

Tensión de alimentación: Es necesario especificar la tensión de alimentación del VCXO para asegurar que funciona con los suministros disponibles dentro del diseño electrónico.

También hay que comprobar la tolerancia de la alimentación para asegurarse de que no hay desajustes en la tolerancia; a menudo, cualquier regulador de voltaje podrá proporcionar una especificación de voltaje más ajustada que la que necesita el VCXO, pero siempre merece la pena comprobarlo durante la fase de diseño electrónico para que no haya sorpresas desagradables después.

Corriente de alimentación: La corriente de alimentación consumida es importante por varias razones. La primera es asegurar que la potencia disponible está disponible, y la segunda es la disipación de potencia – la suma de la potencia requerida por todos los componentes electrónicos dentro del diseño electrónico aumentará la temperatura dentro de la unidad y puede significar que se requiere algún tipo de refrigeración.

Comprobar que la corriente necesaria está disponible y dentro de los límites para los aumentos de temperatura previstos es una parte clave del diseño electrónico. Muchos VCXOs consumen entre 10 y 30mA dependiendo de la tecnología utilizada, la capacidad de accionamiento y otros aspectos.

Configuración de la salida y capacidad de accionamiento: Los diferentes VCXOs tienen diferentes configuraciones de circuito de salida. Es importante comprobar que la salida se interconecte satisfactoriamente con otros elementos del diseño electrónico. Impedancia, capacidad de capacitancia, impedancia, configuración y similares.

Ruido de fase: El nivel de ruido de fase en la señal puede ser importante en muchas aplicaciones. Normalmente se define en términos del nivel en dB respecto a la portadora en un ancho de banda de 1 Hz y con un desplazamiento determinado.

Una especificación típica puede expresarse en el para -130dBc/Hz con un desplazamiento de 1kHz respecto a la portadora. Cuando el rendimiento del ruido de fase es particularmente un gráfico del ruido de fase puede ser necesario en el rango de desplazamiento de frecuencia de importancia.

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Envase: Es necesario especificar el envase, ya que los osciladores de cristal controlados por tensión vienen en muchas formas y pueden estar disponibles varias opciones, desde el montaje en agujero pasante hasta los dispositivos de montaje superficial SMD.

Los embalajes suelen ajustarse a las normas de doble línea o a los diversos esquemas de tecnología de montaje superficial comunes para mayor comodidad, aunque algunos tienen sus propios esquemas.

También existen opciones como la cinta y el carrete para la fabricación a gran escala con maquinaria de fabricación automatizada. Estas opciones son especialmente aplicables a las versiones SMD de estos componentes electrónicos.

Los VCXO son componentes electrónicos que se utilizan a menudo en varias áreas del diseño de RF. Los osciladores de cristal controlados por tensión pueden comprarse como pequeños módulos a muchos fabricantes de resonadores de cristal y osciladores de cristal, y suele haber una amplia gama disponible.

La mayoría de los proveedores también pueden fabricar diseños personalizados. Durante la fabricación de todo el equipo electrónico, estos módulos VCXO pueden tratarse como componentes electrónicos ordinarios, lo que facilita su manipulación.

Además, los VCXO están ampliamente disponibles y la mayoría de ellos son componentes electrónicos de bajo coste, sin dejar de ofrecer un excelente nivel de rendimiento dentro de una amplia variedad de diseños electrónicos.

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