Informations- und Kommunikationstechnik

Spannungsgesteuerter Oszillator

In fast allen Empfangsgeräten der Unterhaltungselektronik erfolgt die Suche und Abstimmung auf einen zu empfangenen Sender vollelektronisch. Wo vor Jahrzehnten die Schwingkreise mit Drehkondensatoren oder Variometerabstimmung auf den Sender abgestimmt wurden, genügt heute ein Knopfdruck und das Empfangsgerät rastet auf die gewünschte Senderfrequenz ein. Ebenso kann ein Sendersuchlauf gestartet werden, der bei jedem empfangsstarken Sender stoppt und auf weitere Steuerbefehle wartet.

Benutzt das Abstimmsystem analoge Baugruppen, so erzeugt ein VCO, ein voltage controlled oscillator übersetzt als spannungsgesteuerter Oszillator die jeweilige Frequenz. Eine Anwendung des VCO ist bei der Frequenzmodulation beschrieben. Dort arbeitet ein selektiver Verstärker als Colpitts-Oszillator. Die Informationsfrequenz wirkt auf eine Kapazitätsdiode und verstimmt entsprechend der NF den Resonanzkreis. Eine gleichartige Schaltung wird hier als durchstimmbarer Oszillator verwendet. Anstelle der NF wird jetzt mit einer variierbaren Gleichspannung die Oszillatorfrequenz in einem weiten Bereich einstellbar gemacht.

Der Videoclip zeigt einen VCO in Colpittsschaltung mit der Kapazitätsdiode BB 112. Die Schaltung ist für einen Antennenkreis dimensioniert, der über die Frequenzen im MW-Senderbereich durchgestimmt werden kann. Die wirksame Kapazität für den LC-Schwingkreis errechnet sich aus der Reihenschaltung beider Kondensatoren zu 48 pF. Ohne Berücksichtigung der Transistor-Schaltkapazitäten liegt parallel dazu die Reihenschaltung der Kapazitätsdiode mit dem rechnerisch berücksichtigten 4,7 nF Entkoppelkondensator.

Dem Datenblatt der Firma Philips ist zu entnehmen, dass die Sperrschichtkapazität bei 1 V Sperrspannung zwischen 440 ... 540 Picofarad und bei 8,5 V zwischen 17 ... 29 pF beträgt. Im Diagramm zeigt der halblogarithmische Maßstab einen relativ linearen Verlauf. Zur Simulationsrechnung wurde der daraus linearisierte, rot dargestellte Kennlinienverlauf verwendet.

Eine Abstimmdiode wird immer in Sperrrichtung betrieben. Mit zunehmender Sperrspannung verbreitert sich die Sperrzone der Kapazitätsdiode oder Varicap. Die Sperrschicht des np-Übergangs der Diode kann modellhaft als Plattenkondensator gesehen werden, dessen Kapazität umgekehrt proportional zum Plattenabstand ist. Für jede einstellbare Abstimmspannung wird die Sperrkapazität der Diode, bezogen auf die idealisierte rote Kennlinie und die daraus folgende Oszillatorfrequenz im Zeitdiagramm angezeigt.

Jeder Oszillator unterliegt einer Temperaturdrift und wird ohne zusätzliche Stabilisierung die eingestellte Frequenz nicht gut genug einhalten. Der VCO wird daher in einen Regelkreis eingebunden. Bei Frequenzabweichungen entstehen Phasenverschiebungen zum Sollwert. Eine Vergleichsschaltung wertet den Unterschied zwischen dem Soll- und Istwert aus und erzeugt daraus eine Stellgröße. Die Regelgleichspannung muss so gepolt sein, dass sie der Abweichung entgegen wirkt. Ein solcher Regelkreis nennt sich PLL, phase locked loop oder Phasenregelkreis und ist Teil des Funktionsblocks jedes Sendersuchlaufs.