מתנד מבוקר מתח

מתנד מבוקר מתח (באנגלית: VCO, ראשי תיבות של Voltage-Controlled Oscillator) הוא מתנד שמפיק תדר בהתאם למתח הכניסה אליו. היתרון בסוג זה של מתנד הוא היכולת לשנות באופן אלקטרוני את תדר המוצא. ועל ידי כך לייצב אותו לתדר הנדרש למערכת. מתנדים מבוקרי מתח משמשים בעיקר בחוג נעול מופע בשרשראות RF, ומסייע בהמרת תדרים תוך שימוש בערבל.

יש לערוך ערך זה. ייתכן שהערך סובל מבעיות ניסוח, סגנון טעון שיפור או צורך בהגהה, או שיש לעצב אותו, או מפגמים טכניים כגון מיעוט קישורים פנימיים.

גרף המתאר את תדר המוצא (ציר אנכי) כתלות במתח הכניסה (ציר אופקי). הקו הוורוד מציין מצב אידיאלי, והגרף האדום מציין מצב אופייני

תדר המתנד ניתן לשינוי בעזרת קבל תלוי מתח הנקרא וורקטור, או דרך שינוי מילה ספרתית (ברכיב בעל ממשק ספרתי - DCO). במקלטי רדיו ביתיים נעזרים ב-VCO לברור את תדר התחנה שמעוניינים להאזין לה. כמעט בכל מקלט שאיננו מקלט ישיר קיים מתנד משתנה.

כיום משתמשים ב-VCO גם לחיבור חוג נעול מופע (PLL) לתיקון עדין של הפאזה במוצא המתנד.

במתנד גביש שינוי המתח נעשה רק במעגל הכפלת התדר לשינוי הקיבול ולא על הגביש עצמו. מתנד גבישי משתנה במתח נקרא VCXO.

מימוש VCO

קיימות מספר דרכים לממש מתנד שהתדר שהוא מוציא מבוקר על ידי המתח בקו הבקרה שלו. הדרך הפשוטה ביותר היא על ידי סגירת חוג משוב חיובי על רעש תרמי הקיים בכל מעגל חשמלי. אופיו של המשוב הוא כזה שהוא מקיים את תנאי ברקהאוזן (Barkhausen conditions) בתדר ספציפי על הרעש התרמי. מימוש חוג המשוב תלוי בתחום התדר אותו רוצים לייצר.

בתחום תדרי הרדיו ה"נמוך" (1MHz-5GHz) ה-VCO ממומש לרוב על ידי שימוש ברכיב אקטיבי שמאפשר להגביר את הרעש (כדי לקיים את תנאי ברקהאוזן להגבר הרעש), ורכיבים ראקטיביים שמאפשרים הזזת פאזה של הרעש (כדי לקיים את תנאי ברקהאוזן לפאזת הרעש). תדר זה תלוי ברכיבים המרכיבים את ה-VCO (סלילים, קבלים, טרנזיסטורים), כשאחד מהם הוא וואראקטור (קבל נשלט מתח). כלומר שליטה על קיבול הואראקטור משנה את קיבולו, וכך גם את התדר בו תתקיים התנודה. וריאציות שונות למעגלים ניתן לראות במאמר^[1].

בתחום תדרי המיקרוגל (5-50GHz) נעשה שימוש גם כן בטרנזיסטור כרכיב אקטיבי, אך במקום סלילים וקבלים (שתכונותיהם משתנות בתדרים גבוהים מאוד, והפסדי האנרגיה שלהם הופכים למשמעותיים גם כן) נעשה שימוש בקווי תמסורת, וברכיבים אחרים שמיועדים לתדר גבוה.

מאפייני VCO

ה-VCO מאופיין בראש ובראשונה על ידי גרף מתח-תדר המציין איזה מתח בקו הבקרה מביא לאיזה תדר (ראה תמונה). מאפיינים נוספים מראים את הרעש בתלות בתדר (רעש פאזה) ואת הספק המוצא בתלות בתדר. נרחיב על כל אחד מהם:

ל-VCO יש מספר מאפיינים אותם צריך להבין ולנתח לפני בחירה בחלופה הטובה ביותר:

א. מגרף מתח-תדר ניתן לקבל מספר תובנות עיקריות: איזה מתח יש צורך לייצר ברגל הבקרה כדי להגיע לתדר הרצוי ומהו תחום התדרים בו ה-VCO עובד. פרמטר חשוב נוסף בגרף זה הוא השיפוע. VCO מתוכנן היטב חייב להיות בעל שיפוע מונוטוני עולה או יורד בכל תחום העבודה שלו, וככל שהשיפוע ליניארי יותר, כך תכנון חוגי PLL (חוג נעול מופע) בעזרתו הוא טוב ונכון יותר.

ב. רעש פאזה: רעש פאזה הוא תכונה אינהרנטית של כל מקור תדר. בתנאים ובאפנונים מסוימים הוא משפיע על טיב הקליטה. ככל שרעש הפאזה נמוך יותר, ה-VCO נחשב ל"איכותי" יותר.

ג. הספק מוצא: אחד משימושי ה-VCO הוא יצירת תדר מתנד מקומי (Local Oscillator) לערבל (מיקסר) שישמש להורדת תדר הקליטה במקלט סופרהטרודין. סיגנל זה צריך להיות בעוצמה גבוהה כדי להבטיח תקינות פעולת הערבל. בנוסף, עוצמה גבוהה של מוצא ה-VCO מובילה לרעש פאזה נמוך יותר ע"פ משוואת ליסון (Leeson's Equation).

ראו גם

• מתנדים משתנים נוספים:
  • TCXO - מתנד משתנה מבוקר טמפרטורה
  • OCXO - מתנד משתנה מבוקר תנור (הכוונה לנגד שמתחמם)
• שימושים ב-VCO:
  • חוג נעול מופע
  • מקלט סופרהטרודין

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מתנד מבוקר מתח בוויקישיתוף

הערות שוליים

1. http://www.qsl.net/va3iul/High_Frequency_VCO_Design_and_Schematics/High_Frequency_VCO_design_and_schematics.pdf