वोल्टेज नियंत्रित दोलक

[[image:General Microwave VCO.png|thumb|right| माइक्रोवेव (12-18GHz) [[वोल्टेज]] नियंत्रित ऑसिलेटर

एक वोल्टेज-नियंत्रित ऑसिलेटर (वीसीओ) एक इलेक्ट्रॉनिक ऑसिलेटर  है जिसकी दोलन आवृत्ति एक वोल्टेज इनपुट द्वारा नियंत्रित किया जाता है। प्रयुक्त इनपुट वोल्टेज तात्कालिक दोलन आवृत्ति निर्धारित करता है। फलस्वरूप, एक वीसीओ का उपयोग आवृत्ति मॉड्यूलेशन (एफएम) या चरण मॉड्यूलेशन (पीएम) के लिए नियंत्रण इनपुट चरण मॉडुलन सिग्नल प्रयुक्त करके किया जा सकता है। एक वीसीओ भी चरण-बंद लूप का एक अभिन्न अंग है। वीसीओ का उपयोग सिंथेसाइज़र में एक तरंग उत्पन्न करने के लिए किया जाता है जिसका पिच (संगीत) संगीत कीबोर्ड या अन्य इनपुट द्वारा निर्धारित वोल्टेज द्वारा समायोजित किया जा सकता है।

वोल्टेज-टू-फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर (वीएफसी) एक विशेष प्रकार का वीसीओ है जिसे इनपुट कंट्रोल वोल्टेज की एक विस्तृत श्रृंखला पर फ़्रीक्वेंसी कंट्रोल में बहुत रैखिक बनाया गया है।

प्रकार
उत्पादित तरंग के प्रकार के आधार पर वीसीओ को आम तौर पर दो समूहों में वर्गीकृत किया जा सकता है।
 * रैखिक या लयबद्ध दोलक एक साइनसॉइडल तरंग उत्पन्न करते हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स में हार्मोनिक ऑसिलेटर्स में आमतौर पर एक एम्पलीफायर के साथ एक गुंजयमान यंत्र होता है जो गुंजयमान यंत्र के नुकसान की जगह लेता है (आयाम को क्षय से रोकने के लिए) और गुंजयमान यंत्र को आउटपुट से अलग करता है (ताकि लोड गुंजयमान यंत्र को प्रभावित न करे)। हार्मोनिक ऑसिलेटर्स के कुछ उदाहरण एलसी ऑसिलेटर्स और क्रिस्टल ऑसिलेटर हैं।
 * विश्राम ऑसिलेटर आरी या त्रिकोणीय तरंग उत्पन्न कर सकते हैं। वे आमतौर पर एकीकृत सर्किट (आईसी) में उपयोग किए जाते हैं। वे बाहरी घटकों की न्यूनतम संख्या के साथ परिचालन आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान कर सकते हैं।

आवृत्ति नियंत्रण
एक वोल्टेज-नियंत्रित कैपेसिटर एक नियंत्रण वोल्टेज के जवाब में एक नियंत्रण रेखा ऑसिलेटर बनाने की एक विधि है जो इसकी आवृत्ति को बदलती है। कोई भी रिवर्स-बायस्ड अर्धचालक डायोड  वोल्टेज-निर्भर समाई का एक माप प्रदर्शित करता है और इसका उपयोग डायोड पर प्रयुक्त नियंत्रण वोल्टेज को बदलकर ऑसिलेटर की आवृत्ति को बदलने के लिए किया जा सकता है। विशेष-उद्देश्यीय चर-धारिता वैक्टर डायोड समाई के अच्छी तरह से विशेषता वाले व्यापक मूल्यों के साथ उपलब्ध हैं। एक एलसी टैंक की समाई (और इसलिए आवृत्ति) को बदलने के लिए एक वैक्टर का उपयोग किया जाता है। एक varactor एक क्रिस्टल गुंजयमान यंत्र पर लोडिंग को भी बदल सकता है और इसकी गुंजयमान आवृत्ति को खींच सकता है।

कम-आवृत्ति वीसीओ के लिए, आवृत्ति को बदलने के अन्य तरीके (जैसे वोल्टेज-नियंत्रित वर्तमान स्रोत के माध्यम से एक संधारित्र की चार्जिंग दर को बदलना) का उपयोग किया जाता है (कार्य जनरेटर देखें)।

एक रिंग ऑसिलेटर की आवृत्ति को या तो आपूर्ति वोल्टेज, प्रत्येक इन्वर्टर चरण के लिए उपलब्ध वर्तमान, या प्रत्येक चरण पर कैपेसिटिव लोडिंग द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

चरण-डोमेन समीकरण
वीसीओ का उपयोग एनालॉग अनुप्रयोगों जैसे आवृत्ति मॉडुलन और आवृत्ति-शिफ्ट कुंजीयन में किया जाता है। वीसीओ (विशेष रूप से रेडियो आवृत्ति पर उपयोग किए जाने वाले) के लिए नियंत्रण वोल्टेज और आउटपुट आवृत्ति के बीच कार्यात्मक संबंध रेखाकार नहीं हो सकता है, लेकिन छोटी सीमाओं पर, संबंध लगभग रेखाकार होता है, और रेखाकार नियंत्रण सिद्धांत का उपयोग किया जा सकता है। एक वोल्टेज-टू-फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर (वीएफसी) एक विशेष प्रकार का वीसीओ है जिसे इनपुट वोल्टेज की एक विस्तृत श्रृंखला पर बहुत रेखाकार बनाया गया है।

VCOs के लिए मॉडलिंग अक्सर आयाम या आकार (sinewave, त्रिकोण तरंग, sawtooth) से संबंधित नहीं होता है, बल्कि इसके तात्कालिक चरण से संबंधित होता है। वास्तव में, फोकस टाइम-डोमेन सिग्नल पर नहीं है $A sin(&omega;t+&theta;_{0})$ बल्कि साइन कार्य (चरण) का तर्क। फलस्वरूप, मॉडलिंग अक्सर चरण डोमेन में किया जाता है।

वीसीओ की तात्कालिक आवृत्ति को अक्सर इसके तात्कालिक नियंत्रण वोल्टेज के साथ एक रेखाकार संबंध के रूप में प्रतिरूपित किया जाता है। ऑसिलेटर का आउटपुट चरण तात्कालिक आवृत्ति का अभिन्न अंग है।
 * $$\begin{align}

f(t) &= f_0 + K_0 \cdot \ v_\text{in}(t) \\ \theta(t) &= \int_{-\infty}^t f(\tau)\,d\tau \\ \end{align}$$
 * $$f(t) $$ समय पर दोलक की तात्क्षणिक आवृत्ति है $t$ (तरंग आयाम नहीं)
 * $$f_0 $$ ऑसिलेटर की स्थिर आवृत्ति है (तरंग आयाम नहीं)
 * $$K_0 $$ ऑसिलेटर संवेदनशीलता, या लाभ कहा जाता है। इसका मात्रक हर्ट्ज़ प्रति वोल्ट होता है।
 * $$f(\tau) $$ वीसीओ की आवृत्ति है
 * $$\theta(t) $$ वीसीओ का आउटपुट चरण है
 * $$v_\text{in}(t) $$ वीसीओ का टाइम-डोमेन कंट्रोल इनपुट या ट्यूनिंग वोल्टेज है

एक नियंत्रण प्रणाली का विश्लेषण करने के लिए, उपरोक्त संकेतों के लाप्लास रूपांतरण उपयोगी होते हैं।
 * $$\begin{align}

F(s) &= K_0 \cdot \ V_\text{in}(s) \\ \Theta(s) &= {F(s) \over s} \\ \end{align} $$

डिजाइन और सर्किट
ट्यूनिंग रेंज, ट्यूनिंग गेन और फेज शोर एक वीसीओ की महत्वपूर्ण विशेषताएं हैं। आम तौर पर, वीसीओ में कम चरण के शोर को प्राथमिकता दी जाती है। नियंत्रण संकेत में मौजूद ट्यूनिंग लाभ और शोर चरण शोर को प्रभावित करते हैं; उच्च शोर या उच्च ट्यूनिंग लाभ अधिक चरण शोर का संकेत देता है। अन्य महत्वपूर्ण तत्व जो चरण शोर का निर्धारण करते हैं, सर्किट में झिलमिलाहट शोर (1/f शोर) के स्रोत हैं, आउटपुट पावर स्तर, और गुंजयमान यंत्र का लोड क्यू कारक। (लीसन का समीकरण देखें)। कम आवृत्ति झिलमिलाहट शोर चरण शोर को प्रभावित करती है क्योंकि झिलमिलाहट शोर सक्रिय उपकरणों के गैर-रेखाकार हस्तांतरण समारोह के कारण ऑसिलेटर आउटपुट आवृत्ति के लिए विषम है। झिलमिलाहट के शोर के प्रभाव को नकारात्मक प्रतिक्रिया के साथ कम किया जा सकता है जो ट्रांसफर फ़ंक्शन को रेखीय बनाता है (उदाहरण के लिए, सामान्य उत्सर्जक # उत्सर्जक अध: पतन)।

VCOs में आमतौर पर समान निश्चित-आवृत्ति ऑसिलेटर्स की तुलना में कम Q कारक होता है, और इसलिए अधिक घबराहट होती है। घबराना  को कई अनुप्रयोगों (जैसे ASIC ड्राइविंग) के लिए पर्याप्त कम किया जा सकता है, इस मामले में वीसीओ बिना ऑफ-चिप घटकों (महंगे) या ऑन-चिप इंडक्टर्स (जेनेरिक CMOS प्रक्रियाओं पर कम पैदावार) के लाभों का आनंद लेते हैं।

एलसी ऑसिलेटर
आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले वीसीओ सर्किट क्लैप ऑसिलेटर और कोलपिट्स ऑसिलेटर ऑसिलेटर हैं। दोनों का अधिक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला ऑसिलेटर Colpitts है और ये ऑसिलेटर विन्यास में बहुत समान हैं।

क्रिस्टल ऑसिलेटर्स
एक (वीसीएक्सओ) का उपयोग ऑपरेटिंग आवृत्ति के ठीक समायोजन के लिए किया जाता है। वोल्टेज-नियंत्रित क्रिस्टल ऑसिलेटर की आवृत्ति आमतौर पर 0 से 3 वोल्ट की नियंत्रण वोल्टेज सीमा पर कुछ दसियों भागों प्रति मिलियन (पीपीएम) में भिन्न हो सकती है, क्योंकि क्रिस्टल का उच्च क्यू कारक केवल एक छोटी सी सीमा पर आवृत्ति नियंत्रण की अनुमति देता है। आवृत्तियों की।

SMD Cystal Oscillator TCXO.png पर निर्भरता को आंशिक रूप से सही करते हैं। वोल्टेज नियंत्रण की एक छोटी श्रृंखला तब उन अनुप्रयोगों में ऑसिलेटर आवृत्ति को स्थिर करने के लिए पर्याप्त होती है जहां तापमान भिन्न होता है, जैसे ट्रांसमीटर के अंदर गर्मी का निर्माण।

ऑसिलेटर आवृत्ति को स्थिर करने का एक और तरीका एक स्थिर लेकिन उच्च-से-परिवेश के तापमान पर एक क्रिस्टल ओवन में ऑसिलेटर रखना है। उच्च स्थिरता क्रिस्टल ऑसीलेटर संदर्भ अक्सर क्रिस्टल को ओवन में रखते हैं और ठीक नियंत्रण के लिए वोल्टेज इनपुट का उपयोग करते हैं। तापमान को टर्नओवर तापमान के रूप में चुना जाता है: तापमान जहां छोटे परिवर्तन अनुनाद को प्रभावित नहीं करते हैं। नियंत्रण वोल्टेज का उपयोग कभी-कभी संदर्भ आवृत्ति को एनआईएसटी स्रोत में समायोजित करने के लिए किया जा सकता है। क्रिस्टल उम्र बढ़ने की भरपाई के लिए परिष्कृत डिजाइन समय के साथ नियंत्रण वोल्टेज को भी समायोजित कर सकते हैं।

घड़ी जनरेटर
क्लॉक जनरेटर एक ऑसिलेटर है जो डिजिटल सर्किट में संचालन को सिंक्रनाइज़ करने के लिए एक समय संकेत प्रदान करता है। VCXO घड़ी जनरेटर का उपयोग डिजिटल टीवी, मोडेम, ट्रांसमीटर और कंप्यूटर जैसे कई क्षेत्रों में किया जाता है। वीसीएक्सओ क्लॉक जनरेटर के लिए डिजाइन पैरामीटर ट्यूनिंग वोल्टेज रेंज, सेंटर फ्रीक्वेंसी, फ्रीक्वेंसी ट्यूनिंग रेंज और आउटपुट सिग्नल के टाइमिंग जिटर हैं। जिटर चरण शोर का एक रूप है जिसे रेडियो रिसीवर, ट्रांसमीटर और मापने वाले उपकरण जैसे अनुप्रयोगों में कम किया जाना चाहिए।

जब क्लॉक फ़्रीक्वेंसी के व्यापक चयन की आवश्यकता होती है तो VCXO आउटपुट को डिजिटल डिवाइडर सर्किट के माध्यम से कम फ़्रीक्वेंसी प्राप्त करने या फेज़-लॉक लूप (PLL) में फीड करने के लिए पारित किया जा सकता है। वीसीएक्सओ (बाहरी क्रिस्टल के लिए) और पीएलएल दोनों युक्त आईसी उपलब्ध हैं। ऑडियो डिज़िटल से एनालॉग कन्वर्टर को 12 kHz से 96 kHz तक की रेंज में क्लॉक फ़्रीक्वेंसी प्रदान करना एक विशिष्ट एप्लिकेशन है।

फ्रीक्वेंसी सिंथेसाइज़र
एक फ़्रीक्वेंसी सिंथेसाइज़र एक स्थिर सिंगल-फ़्रीक्वेंसी क्लॉक के आधार पर एकदम सही और समायोज्य फ़्रीक्वेंसी उत्पन्न करता है। आवृत्ति सिंथेसाइज़र पर आधारित एक डिजिटल रूप से नियंत्रित ऑसिलेटर एनालॉग वोल्टेज नियंत्रित ऑसिलेटर सर्किट के डिजिटल विकल्प के रूप में काम कर सकता है।

अनुप्रयोग
वीसीओ का उपयोग फ़ंक्शन जेनरेटर, चरण-लॉक लूप में आवृत्ति सिंथेसाइज़र सहित संचार उपकरणों में उपयोग किया जाता है और सिंथेसाइज़र में परिवर्तनीय स्वर उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक संगीत का उत्पादन होता है।

फंक्शन जेनरेटर कम आवृत्ति वाले ऑसिलेटर होते हैं जो कई तरंगों, आमतौर पर साइन, स्क्वायर और त्रिकोण तरंगों को प्रदर्शित करते हैं। मोनोलिथिक फ़ंक्शन जेनरेटर वोल्टेज नियंत्रित होते हैं।

एनालॉग चरण-लॉक लूप में आमतौर पर वीसीओ होते हैं। उच्च-आवृत्ति वीसीओआमतौर पर रेडियो रिसीवर के लिए फेज-लॉक लूप में उपयोग किए जाते हैं। इस एप्लिकेशन में चरण शोर सबसे महत्वपूर्ण विनिर्देश है।

ऑडियो-फ्रीक्वेंसी वीसीओ का उपयोग एनालॉग संगीत सिंथेसाइज़र में किया जाता है। इनके लिए, स्वीप रेंज, रैखिकता और विरूपण अक्सर सबसे महत्वपूर्ण विनिर्देश होते हैं। 1980 के दशक में संगीत संदर्भों में उपयोग के लिए ऑडियो-फ्रीक्वेंसी वीसीओ को उनके डिजिटल समकक्षों, डिजिटल रूप से नियंत्रित ऑसिलेटर्स (DCOs) द्वारा ऑपरेशन के दौरान तापमान परिवर्तन के कारण उनके आउटपुट स्थिरता के कारण बड़े पैमाने पर हटा दिया गया था। 1990 के दशक के बाद से, संगीत सॉफ्टवेयर ध्वनि उत्पन्न करने का प्रमुख तरीका बन गया है।

वोल्टेज-टू-फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर्स वोल्टेज-नियंत्रित ऑसिलेटर्स हैं जो लागू वोल्टेज और फ़्रीक्वेंसी के बीच अत्यधिक रैखिक संबंध रखते हैं। उनका उपयोग एक धीमी एनालॉग सिग्नल (जैसे तापमान ट्रांसड्यूसर से) को लंबी दूरी पर संचरण के लिए उपयुक्त सिग्नल में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है, क्योंकि आवृत्ति बहाव नहीं करेगी या शोर से प्रभावित नहीं होगी। इस एप्लिकेशन में ऑसिलेटर्स में साइन या स्क्वायर वेव आउटपुट हो सकते हैं।

जहां ऑसिलेटर उपकरण चलाता है जो रेडियो-आवृत्ति हस्तक्षेप उत्पन्न कर सकता है, इसके नियंत्रण इनपुट में एक भिन्न वोल्टेज जोड़ता है, जिसे विकट कहा जाता है: इधर,      इंटरफेरेंस स्पेक्ट्रम को कम आपत्तिजनक बनाने के लिए फैला सकता है ( प्रसार स्पेक्ट्रम घड़ी  देखें)।

यह भी देखें

 * कम आवृत्ति दोलन (LFO)
 * मॉड्यूलर सिंथेसाइज़र
 * संख्यात्मक रूप से नियंत्रित थरथरानवाला (एनसीओ)
 * चर-आवृत्ति दोलक (वीएफसी)
 * चर-लाभ प्रवर्धक
 * वोल्टेज नियंत्रित फिल्टर (वीसीएफ)

बाहरी संबंध

 * Designing VCOs and Buffers Using the UPA family of Dual Transistors
 * Designing VCOs and Buffers Using the UPA family of Dual Transistors