مذبذب التحكم في الجهد VCO PLLs 

ضمن حلقة مغلقة الطور “PLL” أو مركب التردد، فإنّ أداء مذبذب الجهد المتحكم “VCO” فيه هو المفتاح حيث يتحكم أداء المذبذب الذي يتم التحكم فيه بالجهد، وفي العديد من جوانب أداء الحلقة المغلقة أو مُركِّب التردد بالكامل، ووفقاً لذلك التصميم الدقيق ضروري.

متطلبات VCO:

تصميم مذبذب عالي الأداء من “VCO” ليس مهمة سهلة، حيث يلعب النظر في الدائرة والمكونات المستخدمة والتخطيط دوراً في تحديد الأداء، كما يتطلب هذا تصميماً نظرياً سليماً، يتبعه اختيار دقيق لجميع المكونات ثم تخطيط “PCB”، وحتى مع محاكاة الدائرة قد يستغرق الأمر عدة تكرارات لتخطيط “VCO”، وعند تصميم مذبذب يتم التحكم فيه بالجهد “VCO” هناك العديد من الأمور التي يجب الإنتباه لها قبل بدء التصميم، حيث تخصص هذه معلمات الأداء الرئيسية اللازمة لـ “VCO”:

أولاً: نطاق ضبط “VCO”:

إنّ مذبذب التحكم في الجهد يجب أن يكون يمتلك القدرة على ضبط النطاق الذي من الممكن أن تعمل الحلقة فيه، حيث ليس من السهل دائماً تلبية هذا المطلب، وقد يتطلب تبديل “VCO” أو دائرة الطنين في بعض الظروف القصوى.

• “PLL” هي اختصار لـ “Phase Locked Loop”.

• “VCO” هي اختصار لـ “VOLTAGE Controlled Oscillator”.

• “PCB” هي اختصار لـ “Program Communication Block”.

ثانياً: كسب ضبط “VCO”:

يُعد كسب مذبذب التحكم في الجهد أمراً مهماً،حيث يتم حسابه من حيث الفولت لكل هرتز “V / MHz” كما إنّ هذا هو التغير التوليفي لتغيير معين في الجهد، حيث يؤثر كسب المذبذب المتحكم فيه بالجهد على بعض اعتبارات وحسابات تصميم الحلقة الشاملة، ويمكن رؤية منحنيات استجابة “VCO” على أنّها مستقيمة نسبياً عند الترددات المنخفضة، ومع ذلك فإنّها عادةً ما تتسطح عند الفولتية العالية، حيث تقل التغيرات في السعة من الثنائيات “varactor”.

ثالثاً: منحدر VCO أي V / f:

من المتطلبات الأساسية لأي مذبذب يتم التحكم فيه بالجهد يتم استخدامه في حلقة مغلقة الطور أن يكون منحنى الجهد إلى التردد متناسقاً أي أنّه يتغير دائماً بنفس المعنى، وعادةً ما يزيد التردد لزيادة الجهد إذا تغيرت، كما يمكن أن يحدث في بعض الحالات بشكل طبيعي نتيجةً لبعض العوامل الخارجية كما قد يتسبب ذلك في أن تصبح الحلقة غير ثابتة، ووفقاً لذلك يجب منع هذا إذا كانت الحلقة المقفلة للطور تعمل بشكل مرض، ويُظهر هذا المنحنى انخفاضاً طفيفاً وقد يؤدي إلى أن تصبح الحلقة المقفلة للطور غير مستقرة.

رابعاً: أداء ضوضاء الطور:

يُعتبر أداء ضوضاء الطور للمذبذب المتحكم فيه بالجهد ذا أهمية خاصة في بعض تطبيقات “PLL”، ولا سيما عندما يتم استخدامها في أجهزة توليف التردد، وأداء ضوضاء الطور للمذبذب الذي يتم التحكم فيه بالجهد هو الجزء الرئيسي لضوضاء الطور والذي يكون خارج عرض نطاق الترددي لحلقة “PLL”، وعلى الرغم من تقليل الضوضاء القريبة من خلال عمل “PLL”، إلّا أنّه لا يوجد تقليل لضوضاء طور “VCO” خارج النطاق الترددي للحلقة.

ملاحظات VCO:

مثل أي مذبذب يمكن اعتبار “VCO” كمكبر للصوت وحلقة تغذية مرتدة، كما يمكن الإشارة إلى كسب مكبر الصوت على أنّه “A” وردود الفعل “B”، ولكي تتذبذب الدائرة يجب أن يكون التحول الكلي للطور حول الحلقة “360 درجة”، ويجب أن يكون الكسب وحدة، وبهذه الطريقة يتم تغذية الإشارات مرة أخرى حول الحلقة بحيث تكون مضافة، ونتيجةً لذلك يتم إرجاع أي اضطراب صغير في الحلقة ممّا يؤدي إلى تراكمها.

نظراً لحقيقة أنّ شبكة التغذية المرتدة تعتمد على التردد، فسيحدث تراكم الإشارة على تردد واحد، وسيحدث التردد الرنان لشبكة التغذية المرتدة ويتم إنتاج إشارة تردد واحدة، كما تستخدم العديد من المذبذبات ومن ثم “VCOs” دائرة باعث مشتركة، حيث ينتج عن هذا في حد ذاته تحول طوري بمقدار “180 درجة”، وتاركاً شبكة التغذية الراجعة لتوفير “180 درجة” أخرى.

قد تُستخدم دوائر مذبذب “VCO” أخرى دائرة قاعدة مشتركة، حيث لا يوجد تحول طور بين إشارات الباعث والمجمع، وبافتراض استخدام ترانزستور ثنائي القطب، ويجب أن توفر شبكة إزاحة الطور إمّا “0 درجة” أو “360 درجة”، ولكي يتأرجح المذبذب على تردد معين، يشتمل النظام على دائرة طنين لضمان حدوث التذبذب على تردد معين، كما يمكن أن تكون دائرة الطنين واحدة من عدد من التكوينات من دائرة طنين “LC” في أي سلسلة أو رنين متوازي يعتمد على الدائرة أو بلورة كوارتز.

• “LC” هي اختصار لـ “Inductor and Capacitor”.

دوائر Colpitts وClapp في VCO:

تشتغل هذه الدوائر كمذبذبات؛ لأنّه وجد أنّ جهازاً نشطاً مثل الترانزستور ثنائي القطب مع المكثفات الموضوعة بين القاعدة والباعث “C1″، والباعث والأرض “C2” يفي بالمعايير المطلوبة لتوفير تغذية راجعة كافية في المرحلة الصحيحة إنتاج مذبذب، ولكي يتفعل الإهتزاز يجب أن تكون النسبة “C1:C2” أكبر من واحد، كما تتكون دائرة الطنين من خلال إدخال عنصر حثي بين القاعدة والأرض، حيث في دائرة “Colpitts” يتكون هذا من مجرد مغناطيس، بينما في دائرة “Clapp” يتم استخدام مغناطيس ومكثف في سلسلة.

• “C1” هي اختصار لـ “Capacitor”.

اختيار جهاز VCO active:

من الممكن استعمال كل من الأجهزة ثنائية القطب و”FETs” داخل “VCO”، وباعتماد نفس طبولوجيا الدوائر الأساسية، كما يتميز الترانزستور ثنائي القطب بمقاومة منخفضة للمدخلات ويتم تشغيله حالياً بينما يتميز “FET” بمقاومة عالية للإدخال ويتم دفعه بالجهد، ومقاومة المدخلات العالية لـ “FET” تستطيع الحفاظ بشكل أفضل على “Q” للدائرة المضبوطة، وهذا يجب أن يُقدم مستوى أفضل من الأداء من حيث أداء ضوضاء الطور، حيث تُعتبر صيانة “Q” للدائرة المضبوطة عاملاً رئيسياً في تقليل ضوضاء المرحلة.

عامل رئيسي آخر هو ضوضاء الوميض التي تولدها الأجهزة، والمذبذبات عبارة عن دوائر غير خطية للغاية، ونتيجةّ لذلك يتم تعديل ضوضاء الوميض على “VCO” كأشرطة جانبية، وهذا يتجلى كضوضاء طور، كما تقدم الترانزستورات ثنائية القطب مستوى أقل من ضوضاء الوميض، ونتيجةً لذلك تقدم “VCOs” القائمة حولها أداء ضوضاء طوراً متفوقاً.

• “FET” هي اختصار لـ “Field Effect Transistor”.

ضبط VCO:

لعمل “VCO” يجب ضبط المذبذب بواسطة جهد كهربائي، كما يمكن الحصول عليه عن طريق صنع المكثف المتغير من الثنائيات المتغيرة، ويمكن بعد ذلك تطبيق جهد التوليف لـ “VCO” على المتغيرات، وخط التحكم من كاشف الطور معزول عن الثنائيات المتغيرة باستخدام المقاوم، ولا تعمل أشكال التردد الراديوي بشكل جيد؛ لأنّها تصبح جزءاً من دائرة الطنين وتميل إلى تقديم إمكانية الرنين الزائف ومنحنيات “V / f” غير المتناسقة.

غالباً ما تعمل قيم المقاوم حول “10 كيلو أوم” بشكل جيد، كما يتم توفير عزل أقل بكثير من هذا وعدم كفاية عزل الترددات الراديوية، ويمكن أن يقوم ذلك إلى خفض “Q” للدائرة المضبوطة أعلى بكثير من هذا وقد تكون مقاومة المصدر عالية جداً، كما قد تكون هناك حاجة إلى القليل من التجريب للعثور على القيمة المثلى، ويتم استخدام مكثف السلسلة “C3” لمنع التيار المستمر من المحث، وإلّا فإنّه سيوفر اختصاراً مباشرًا للأرض ويخل بترتيبات التحيز في الدائرة.

أنواع الصمام الثنائي المستخدم داخل VCO:

أولاً صمام مفاجئ:

تتمتع الثنائيات المفاجئة بانتقال حاد نسبياً بين مناطق الصمام الثنائي، وفي حين أنّ الثنائيات المتغيرة المفاجئة لا تقدم مثل هذا النطاق الضبط العالي أو خاصية النقل الخطي، إلّا أنّها قادرة على تقديم “Q” أعلى من الأنواع الأخرى، كما ينتج عن هذا أداء ضوضاء طور مذبذب يتم التحكم فيه بالجهد بشكل أفضل.

كما أنّ الثنائيات المتغيرة المفاجئة قد تحتاج إلى جهد ضبط عالٍ لتوفير نطاق الضبط المطلوب، حيث قد تتطلب بعض الثنائيات جهداً محدداً لـ “VCO”؛ لتتنوع حتى “50 فولت” أو أكثر قليلاً، كما قد يؤدي ذلك إلى حدوث مشكلات في توفير مصدر جهد بجهد مرتفع بدرجة كافية لدوائر التحكم.

ثانياً: صمام Hyper-abrupt:

تحتوي الثنائيات فائقة السرعة على جهد خطي نسبياً أي منحنى السعة، ونتيجةً لذلك فإنْها توفر خاصية ضبط خطية جداً قد تكون مطلوبة في بعض التطبيقات، كما كما أنّها قادرة على الضبط على نطاق واسع وقد تضبط عادةً على نطاق أوكتاف مع تغيير أقل من “20 فولت” في ضبط الجهد، ومع ذلك فإنّها لا تقدم مستوى مرتفعاً بشكل خاص من “Q”.

ونظراً لأنّ هذا سيقلل من إجمالي “Q” للدائرة الدقيقة، فإنّ هذا يعني أنّ أداء ضوضاء الطور جيد مثل ذلك الذي يمكن الحصول عليه باستعمال الصمام الثنائي المتغير المفاجئ، وغالباً ما يحتاج التصميم إلى تحسين دقيق لمستويات التعليقات المقترنة بالجهاز والتخطيط، كما سيحتاج تصميم “VCO” إلى الموازنة بعناية بين احتياجات المتطلبات المتضاربة في كثير من الأحيان مثل نطاق الضبط الواسع وضوضاء الطور المنخفض، وبمجرد أن يتم تحسين التصميم بالكامل واكتمال التصميم، تصبح مستويات الأداء التي يمكن تحقيقها جيدة بشكل ملحوظ.