VCO

Voltage Controled Oscillator
Guezguez Yahia et Arib Selim

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Le mental intuitif est un don sacre et le mental rationnel est un serviteur fidele. Nous avons
cree une societe qui honore le serviteur et a oublie le don
"Albert Einstein"
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I - Introduction :
Les Oscillateurs Controles en Tension : VCOs
Un vco est un convertisseur tension/frequence qui permet de generer un signal dont sa
frequence est proportionnelle a la tension d'entree.
f =fo + a.V
fo --> frequence libre du VCO
Les oscillateurs controles en tension( voltage controlled oscillator) ont plusieurs applications
telles que la generation d'une frequence de reference ou encore la modulation d'un signal a
emettre.
II - Les parametres dependants le VCOs :
Gain du VCO " Ko" :
Il s'agit de la pente de la variation de frequence en fonction de la variation de la tension
appliquee pour piloter le VCO.
PS : Cette grandeur est exprimee en Hz/V.
Rapport cyclique :
Il s'agit du rapport entre la duree d'un etat haut et la periode du VCO.
Ce rapport doit etre le plus proche possible de 0,5 pour une generation d'horloge.
Une meilleure symetrie du montage permet d'obtenir un meilleur rapport cyclique.
Bande-passante de modulation :
Capacite du VCO a repondre a une variation de la commande.
Attenuation des frequences harmoniques :
La seconde harmonique est la plus difficile a filtrer et c'est donc sur elle que se portent en
general les efforts pour l'attenuer.
Cependant, les frequences harmoniques peuvent etre utilisees notamment pour la multiplication
de la frequence du VCO, ou seule la frequence harmonique souhaitee est conservee.
Facteur de merite :
C'est un parametre (dont l'unite est le dBc/Hz) qui permet de comparer les VCO en nor-
malisant le bruit de phase par rapport a la frequence d'oscillation et a la puissance consommee.
PS : Plus la valeur absolue du facteur de merite est forte (plus sa valeur en dB est negative),
plus le VCO est stable en frequence.
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III - Choix de la structure du VCO :
On peut distinguer plusieur criteres importants pour choisir la structure . Les trois facteurs
principaux consideres ici sont les suivantes :
- Stabilite de la phase et en temperature :
On doit avoir une grande stabilite car le signal issu du VCO est utilise pour faire de la
demodulation d'amplitude synchrone.
- Gamme d'excusion de frequence du VCO :
8% de la frequence central dans notre cas mais, qui peut aller d'une facon generale jusqu'a
10% de fo.
- Faible cout :
Etant donne l'application grand public du circuit, il doit necessaire peu de composant
externe, et, un minimum de surface d'integration.
IV - Differents types de VCO :
les oscillateurs harmoniques :
Il est compose d'un resonateur qui selectionne
la frequence d'oscillation. Les pertes associees a
ce filtre sont compensees par un amplificateur.
Le demarrage se fait a partir de l'amplification
du bruit de fond. Le circuit resonnant peut etre
un quartz ou un circuit LC.
VCO-LC :
Les oscillateurs LC se basent sur la frequence de resonance d'un filtre "f0" qu'il soit integre
ou non.
avec
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f0 =

2.. L.C
Il y a deux types de structure de VCO-LC les differentielle et la simple or l'utilisation d'une
structure differentielle permet de par la commande du VCO de diminuer le bruit de phase du
aux perturbations presentes sur l'alimentation et dans le substrat.
Tenant exemple l'oscillateur de type Colpits qui est le plus utilise en pratique.
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VCXO :
- C'est un circuit qui utilise un quartz comme circuit resonnant dont sa principale avantage
est d'avoir une tres bonne stabilite ( a un cout faible).
- Cependant, sa faible excursion en frequence lui fait perdre tout interet pour une application
n'utilisant pas une frequence unique. Ceci est donc nettement insuffisant.
Les oscillateurs a relaxation :
Le multivibrateur :
- Ce type de VCO contienne, en general, une capacite a travers laquelle on fait passer un
courant controlable, un composant definissant la tension de reference, un commutateur.
- La frequence est definie par le temps que met la tension aux bornes de la capacite pour se
rendre d'une condition initiale etablie, apres la commutation, au points de declenchement
fixe par la composant donnat la tensio de reference.
- L'instabilite de la phase du VCO est due notamment a l'instabilite de la tension de refe-
rence et du courant, du fait du bruit de ces element .
- Ainsi, ce type de VCO est nettement plus instable que ceux utilisant la structure LC. De
ce fait, la realistion est nettement plus complexe.
Les oscillateurs en anneau :
- Ce type d'oscillateur est base sur le temps de commutation d'un inverseur. En connectant
un nombre impair d'inverseurs on obtient un signal oscillant naturellement a la sortie de
chaque inverseur de la chaine.
- La frequence d'oscillation est directement liee au nombre d'inverseurs. Plus on a d'inver-
seurs et plus la frequence diminue.
- Pour controler l'oscillation on peut remplacer un inverseur par une porte NAND, afin
d'arreter ou de mettre en marche le systeme oscillant.
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- L'inconvenient majeur de ce type d'oscillateur est la forte dependance de sa frequence avec
les parametres technologiques. La frequence n'est pas tres stable et surtout non controlable.
- On peut difficilement pr 'edire avec precision cette frequence d'oscillation.
V- Applications :
Il est utilise principalement dans les PLLs "phase- loocked loop " ou " boucle a verrouillage
de phase ".
Descriptif de la PLL
Une boucle a verrouillage de phase classique est constituee :
- d'un comparateur de phase

passe bas RC


- d'un filtre
passe bas + correcteur de phase


passif
- d'un oscillateur controle en tension - VCO
Le VCO (Voltage Controled Oscillator) delivre une frequence fs proportionnelle a la tension
de commande Vc, ceci sur une certaine plage de frequence delimitee parFmin etFmax comme le
montre la Fig au dessus .
La frequence Fo obtenue a Vc=0 est appelee la frequence libre.
Dans le domaine lineaire, la relation frequence-tension du VCO s'ecrit :
(Fmax - Fmin)
fs = Fo +
Vc
(Vcmax - Vcmin)
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L'etude d'une PLL est associe a exploiter :
- La fonction de transfert de chaque element qui compose le schema bloc.
- la stabilite du systeme dont elle est caracteriser par le facteur d'amortissement dans des
fonctions de seconde ordre en boucle ferme
> 0.5
- Ses performances :
Pecision : qui est indissociable de la notion de stabilite
Rapidite en dynamique et en statique
La definition des fontions des transfert pour chaque element suppose une isolation parfaite
entre element ( pas de perturbation entere etage)
Schema bloc en grandeur frequence :
Sa fonction de transfert en Boucle ferme egale :
KDK0F (P )
HBF (P ) =
P
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