Voltage Controlled OscillatorIntroduzione
Questo semplice progetto affronta il tema degli oscillatori controllati in tensione (Voltage Controlled Oscillator) che
costituiscono un capitolo fondamentale dell'elettronica e in particolar modo della radiotecnica. Funzionalmente questi
dispositivi consentono di ottenere un segnale sinusoidale puro con una pulsazione (frequenza) dipendente, nel modo
più lineare possibile, dal valore di tensione di controllo presente in uno specifico punto del circuito (VTuning). A livello
di schema a blocchi questi dispositivi sono descritti tramite un parametro, indicato comunemente con KVco, che
esplicita l'andamento della frequenza di oscillazione in funzione della tensione di controllo. Come detto, questa
dipendenza dovrebbe essere lineare (una retta con pendenza positiva o negativa in funzione del segno di KVco), ma
nella realtà può essere più complicata: l'unica caratteristica che deve essere garantita è che tale dipendenza sia
strettamente monotona (crescente o decrescente) al fine di poter permettere un controllo efficace della frequenza di
oscillazione. La variazione della frequenza tramite una tensione di controllo è affidata ad un diodo Varicap che, inserito
nella rete selettiva del circuito di accordo, consente di variare la sua capacità in funzione della tensione inversa ad esso
applicata, trasferendo tale variazione di capacità in una variazione della frequenza di oscillazione dell'intero circuito.
Schema elettrico
Lo schema elettrico proposto è classico e prevede l'utilizzo di due FET: uno che costituisce l'oscillatore vero e proprio in
configurazione Colpitts (vedi "Oscillatori a Tre Punti"), ed un secondo funge da stadio separatore.
La presenza del secondo stadio non deve essere considerata opzionale, in quanto l'omissione di tale blocco renderà
inutilizzabile l'oscillatore, perché, non appena si tenterà di leggerne la frequenza o di collegare qualsiasi altro stadio,
l'oscillazione si spegnerà o comunque non risulterà più stabile.
La rete selettiva che determina la frequenza di oscillazione è costituita dalla bobina L e dalla coppia di diodi varicap D1
e D2. La frequenza di oscillazione è ottenibile dalla formula:
dove L è l'induttanza della bobina montata sul circuito, mentre C è la capacità risultante della serie delle capacità offerte dai
singoli varicap, che, se si suppongono identici, è pari alla metà del valore di capacità di un singolo diodo. Questa
configurazione di collegamento (detta antiserie) si rende necessaria al fine di neutralizzare gli effetti rettificatori dei diodi
stessi (polarizzati direttamente si comportano come tutti i diodi...) che si manifesterebbero in presenza di segnali di
ampiezza troppo elevata, alterando così il funzionamento del circuito.
Come si può vedere dallo schema elettrico, la tensione di controllo VTuning, viene utilizzata per polarizzare inversamente la
coppia di diodi (in DC la bobina risulta un cortocircuito e quindi anche l'anodo di D2 risulta essere collegato a massa)
determinando il valore di capacità risultante del circuito di accordo.
Vale forse la pena qui ricordare la legge analitica che lega la tensione inversa di un diodo varicap alla sua capacità. Quando
il diodo viene polarizzato inversamente non vi è flusso di corrente e in queste condizioni in prossimità della giunzione viene
a formarsi una zona di deplezione (svuotamento) in cui non sono presenti né elettroni liberi, né lacune e che quindi agisce
come il dielettrico di un condensatore. Lo spessore di questa zona è proporzionale alla radice quadrata della tensione
inversa applicata e, poiché la capacità della giunzione è inversamente proporzionale allo spessore del dielettrico, la capacità
di un varicap è inversamente proporzionale alla tensione applicata.
In ultima analisi la frequenza del VCO (supposta l'induttanza della bobina di valore costante) risulta proporzionale alla
tensione di controllo, in quanto la frequenza dipende in ragione inversamente proporzionale alla radice quadrata della
capacità: quindi più sale la tensione di controllo più aumenta la frequenza del segnale generato dall'oscillatore.
Lo schema proposto prevede inoltre un terminale al quale collegare un ulteriore segnale di bassa frequenza allo scopo di
modulare in frequenza la sinusoide prodotta dall'oscillatore. L'ampiezza del segnale modulante deve essere tale da non
provocare deviazioni troppo estese o creare problemi al circuito di controllo (tipicamente un PLL).
Il modulo espone solamente 4 terminali di collegamento e precisamente la tensione di alimentazione Vcc (che può variare
da 5 a 18 V), la tensione di controllo VT (che deve assumere al massimo la tensione tollerabile dai varicap utilizzati), l'uscita
RF e la massa. Come si può vedere dal PCB per la bobina è possibile utilizzare anche un trasformatore di media frequenza
da 455KHz o da 10.7MHz con o senza condensatore, in modo da poter disporre di validi generatori di IF per la taratura dei
ricevitori supereterodina. Nel caso in cui si utilizzassero delle MF senza condensatore (tipo quelle con nucleo rosso o rosa)
sarà necessario montarne uno esterno per portare l'accordo alla frequenza voluta, altrimenti l'oscillazione avviene alla
frequenza nominale della MF. In entrambi i casi i varicap montati (se previsti) consentono di modulare efficacemente anche
in queste configurazioni. Fornisco qui alcuni dati costruttivi dei componenti per la rete selettiva utilizzati per varie
frequenze:
Frequenza
80 MHz..200 MHz
30 MHz..70 MHz
7 MHz..15 MHz
3 MHz..5 MHz
Bobina
4 spire rame smaltato d. 0.5mm
su supporto con nucleo d. 5mm
12 spire rame smaltato d. 0.5mm
su supporto con nucleo d. 5mm
16 spire rame smaltato d. 0.5mm
su supporto con nucleo d. 5mm
30 spire rame smaltato d. 0.5mm
su supporto con nucleo d. 5mm
C1
C2
C3
Varicap
180pF
6.8pF
2.2pF
BB139
180pF
12pF
10pF
BB139
1nF
27pF
68pF
BB112
1nF
27pF
68pF
BB112
Gli ampi range di escursione dei valori di frequenza sono possibili grazie all'elevato valore di tensione sopportabile
dai BB139 che è di circa 20V. Ovviamente queste sono solo alcune delle possibili combinazioni di componenti, ed una cosa
interessante è proprio quella di provare i molti altri dispositivi presenti nel mercato a tal uopo. Il nucleo in ferrite delle
bobine va inserito dal lato "freddo" delle stesse, ovvero quello che si trova a massa (come l'anodo di D2) e possibilmente
regolato con un cacciavite di plastica o bachelite. Ricordo che i valori di frequenza ottenuti con le precedenti indicazioni
possono variare molto da realizzazione a realizzazione e consiglio quindi di munirsi di un frequenzimetro digitale per
controllarne con precisione il valore. Per fornire la tensione di controllo consiglio di utilizzare un potenziometro multi-giri per
consentire una maggiore precisione e di filtrare accuratamente questa tensione al fine di evitare che ronzii o disturbi di vario
genere si riflettano sulla frequenza del segnale generato. Per i due fet si possono utilizzare i comuni
JFET BF244, BF245, 2N3889 o tutti i possibili equivalenti, facendo sempre attenzione alle piedinature, che in alcuni
casi sono differenti.
Possibili utilizzi e conclusioni
Questo semplice circuito può trovare la sua collocazione ideale all'interno di ogni ricetrasmettitore che necessiti di un
VFO (Variable Frequency Oscillator) stabile e affidabile. Si presta inoltre molto bene ad essere controllato da un PLL e
può costituire il cuore di un sintetizzatore digitale di frequenza in grado di coprire buona parte delle VHF. Data la
discreta potenza del segnale di uscita può anche essere utilizzato come mini trasmettitore FM o come marker di
frequenza per misure a RF. Ho realizzato 4 oscillatori distinti per la copertura di più bande, racchiusi in un unico
contenitore metallico dove condividono la tensione di alimentazione, la tensione di controllo e quella di modulazione.
La selezione del VCO avviene tramite commutatore rotativo che distribuisce la tensione di alimentazione (12V) ai vari
moduli, alimentando solo quello della banda selezionata, ottenendo così un valido ed economico generatore RF.
Un'ultima nota: se si utilizza questo VCO come oscillatore locale per ricevitori a conversione di frequenza è
consigliabile collegare tra il Gate di FT1 e massa un diodo al silicio o uno Schottky (con il catodo a massa) al fine di
rendere più uniforme l'ampiezza del segnale generato all'interno della banda di funzionamento.
