Osciladores RF: Circuitos Integrados VCO para Produtos de Micro-ondas/mmWave

O mundo RF pode ser intimidante para o projetista digital, e navegar pela gama de componentes para diferentes sistemas pode ser difícil. Muito do processamento de sinal analógico é feito no nível do hardware, e realizar o trabalho exige escolher os componentes analógicos certos. Um componente crítico é um oscilador RF, que pode ser usado como uma fonte de sinal ou como um sinal de referência estável.

Diferentes VCOs são classificados para diferentes níveis de sinal, mas eles oferecem uma maneira conveniente de controlar a frequência do seu oscilador de referência. Algumas aplicações imediatas incluem modulação de frequência direta, síntese de frequência e osciladores de referência estáveis. Aqui está o que observar ao selecionar um VCO para estas e outras aplicações.

Aplicações de VCO em Produtos RF

Muitas aplicações sem fio de baixa potência e RF estão se movendo em direção aos SoCs, onde um VCO, PLL, componentes DSP, CPU, ADC/DAC e outras funções estão sendo integradas em uma única unidade. Para outras aplicações de saída de potência intermediária e alta, você provavelmente precisará contar com componentes discretos e um VCO IC dedicado para sua aplicação. Além disso, se você está inovando sistemas únicos para uso como osciladores estáveis ou outras aplicações em frequências de GHz, ajuda usar um VCO IC como parte do design do sistema geral antes de adquirir um SoC mais caro.

Especificações Importantes do VCO

Existem dois tipos principais de VCOs para uso como osciladores RG. Um VCO linear é projetado para produzir uma onda senoidal com um varactor integrado em um circuito tanque LC. Varactores ideais são não lineares, mas existe uma faixa de quedas de tensão no varactor que pode ser aproximada como quase linear, o que determinará a faixa de sintonia no circuito. Osciladores de relaxamento são projetados para produzir uma onda quadrada, triangular ou dente de serra e são facilmente formados em um MMIC. Um VCO multivibrador astável é um exemplo de um oscilador de relaxamento que produz uma onda quadrada, embora isso possa ser convertido em uma onda triangular com um circuito integrador.

Um VCO ideal produzirá um tom perfeitamente senoidal/triangular/dente de serra sem ruído de fase, estabilidade de temperatura zero e com uma faixa de frequência linear. Componentes reais não operam dessa maneira, mas muitas vezes podem se aproximar. Aqui estão algumas especificações importantes a considerar ao selecionar um VCO para um oscilador RF:

• Faixa de ajuste de tensão: Isso determinará a faixa de tensões DC de entrada que o dispositivo pode aceitar, que serão então convertidas na frequência desejada.
• Faixa de frequência: A faixa de frequência que você encontrará em uma ficha técnica é normalmente um gráfico que mostra uma faixa linear. Se você aumentar além do limite superior do gráfico de tensão de entrada vs. frequência de saída, verá que a frequência de saída satura em algum valor máximo. Idealmente, a faixa de frequência deve ser uma função linear da tensão de ajuste, mas nem sempre é o caso.
• Faixa de ajuste: Isso é apenas a faixa de frequência dividida pela faixa de tensão de entrada (dentro da região linear). Isso geralmente é citado como um valor constante em unidades de MHz/V ou GHz/V.
• Estabilidade de temperatura: Diferentes componentes terão diferentes níveis de estabilidade. Em geral, a potência de saída e a frequência de saída diminuirão à medida que a temperatura aumenta, mas a quantidade exata da diminuição varia de acordo com o componente. Certifique-se de verificar isso, pois determinará quais medidas de gerenciamento térmico podem ser necessárias em sua placa. Tipo de oscilador: Certifique-se de verificar o tipo de oscilador usado no VCO (veja acima).
• Saída harmônica/sub-harmônica: Alguns VCOs permitirão que você acesse diretamente uma harmônica superior ou uma harmônica inferior na saída. Normalmente, o primeiro overtone (o dobro da frequência fundamental) ou o primeiro sub-tom (metade da frequência fundamental) podem ser acessados a partir da saída.
• Ruído de fase: esta especificação é crítica para aplicações que requerem temporização precisa, como conversão digital-para-tempo em lidar e radar. Esta também é uma especificação crítica quando um VCO é usado como um oscilador de referência.

Opções de Componentes de Oscilador RF VCO

Analog Devices, HMC739LP4E

Após a aquisição da Hittite, a Analog Devices oferece o VCO Hittite HMC739LP4E como parte de seu portfólio. Este VCO fornece saídas de meia frequência e divisão por 16, além da saída de frequência ajustável padrão. A frequência padrão pode ser ajustada linearmente de 23,8 a 26,8 GHz com até 14 dBm de saída, com ajuste ligeiramente não linear além dessa faixa. Embora tenha uma faixa de ajuste estreita, possui uma saída de alta potência e é ideal para aplicações de rádio ponto a ponto, rádio ponto-multiponto e VSAT.

Este MMIC é construído em torno de um transistor bipolar de heterojunção GaAs-InGaP, portanto, fornece uma saída de potência eficiente ao longo da faixa de ajuste. Também possui um ruído de fase muito baixo, conforme mostrado nos gráficos abaixo.

Ruído de fase SSB do VCO HMC739LP4E. Do datasheet do HMC739LP4E.

MACOM, MAOC-009268-PKG003

O MAOC-009268-PKG003 da MACOM é uma opção para um VCO baseado em InGaP HBT para geração de frequência em GHz. Este VCO fornece uma saída ajustável de 12,7 a 14,2 GHz com até 9 dBm de potência de saída. Este componente também oferece uma saída de meia frequência com até 1 dBm de potência de saída. Uma vantagem deste componente é que a potência de saída é basicamente constante ao longo da faixa de tensão de ajuste, o que não acontece com o componente anterior. Ele também possui excelente estabilidade de temperatura, conforme mostrado nos gráficos abaixo.

Estabilidade de temperatura do VCO MAOC-009268-PKG003. Do datasheet do MAOC-009268-PKG003.

Texas Instruments, LMX2531LQE1415E

O VCO LMX2531LQE1415E da Texas Instruments é uma solução completa de sintetizador de frequência que inclui um PLL integrado. Quando combinado com um oscilador de referência externo, este dispositivo gera sinais de oscilador local de baixo ruído para conversão para cima e para baixo. Ele também inclui uma interface de controle serial para ajuste com um modulador delta-sigma de N fracionário (até 4ª ordem). Algumas aplicações ideais incluem comunicações via satélite, estações base celulares, CATV e sincronização para conversores de dados.

Ruído de fase em malha aberta e fechada. Do datasheet do LMX2531LQE1415E. (Alt text: Gráficos de ruído de fase do LMX2531LQE1415E) https://drive.google.com/open?id=17CohCZB3_NKahnxiUMZC3tmM7tJezroq

Apresentamos apenas algumas das muitas opções de componentes VCO de oscilador RF que você pode encontrar no mercado. Existem outras opções para aplicações de baixa potência, como PLLs com VCOs integrados. Estes componentes integrados e muitos outros VCOs ICs discretos para produtos RF podem ser encontrados em Octopart.

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