Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
lượt xem 4
download
Bài viết này trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo một bộ dao động điều khiển điện áp bằng phương pháp phản xạ, hoạt động ở băng S có độ rộng một octave-2GHz đến 4GHz. Mạch sử dụng transistor BJT cấu hình cực base chung nối trực tiếp xuống đất để tạo nguồn điện trở âm, kết hợp với diode biến dung giữ vai trò như bộ cộng hưởng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!
Nội dung Text: Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
- HộiHội Thảo Quốc Thảo QuốcGia Gia2015 2015về về Điện Tử, Truyền Điện Tử, ThôngvàvàCông Truyền Thông CôngNghệ Nghệ Thông Thông Tin Tin (ECIT (ECIT 2015) 2015) Thit K và Ch To B Dao ðng VCO Băng S Rng Mt Octave Nguyn Tn Nhân B Môn Vô Tuyn, Khoa Vin Thông II, Hc Vin Công Ngh Bưu Chính Vin Thông cơ s Tp. H Chí Minh Email: tannhan2000@yahoo.com Abstract—Bài vit này trình bày phương pháp thit k và ch to mt b dao ñng ñiu khin ñin áp bng phương pháp phn x, hot ñng băng S có ñ rng mt octave2GHz ñn 4GHz. Mch s Power dng transistor BJT cu hình cc base chung ni trc tip xung ñt ñ to ngun ñin tr âm, kt hp vi diode bin dung gi vai trò như supply b cng hưng. Ngun cung cp 12 Volts và 5Volts, mc ra nm trong khong 14,5 dBm ñn 17,5 dBm và nhiu pha 60dBc/Hz cách sóng mang 10kHz. Resonator Active device Matching net I. GII THIU ΓR Các b dao ñng VCO là mt b phn không th thiu trong các máy ño, ra ña và h thng thông tin vô tuyn như các ΓIn máy phân tích ph, phân tích mng vô hưng, phân tích mng vector, máy thu phát ña băng… Thách thc ln nht ñi vi Hình 1. Mô hình mch dao ñng ñin tr âm. các k sư thit k các b dao ñng là ñ sch pha ñưc ñánh giá bng ñ nhiu pha nht là các b dao ñng VCO có di tn II. THIT K hot ñng rng, thưng hai ch tiêu này ngưc nhau. Trưc ñây trong thit b truyn thng ñ ñt ñưc các mc tiêu trên, các Mô hình dao ñng phn x gm có các thành phn trình bày nhà sn xut thưng dùng dao ñng YIG – Yttrium Iron Garnet trên Hình 1, khi cp ngun, phn t tích cc ñ to ngun – mt loi vt liu st t ñc bit, khó ch to, kích thưc ln ñin tr âm, b cng hưng xác lp tn s dao ñng ca mch nên giá thành rt cao dù chúng có ñ tuyn tính tt. và mng phi hp tr kháng ngõ ra. Nhm ñt ñưc di tn trên, mi phép tính phi ñưc thc hin ti tn s gia di: Trong bài này trình bày phương pháp thit k và ch to f 0 = 2 × 4 = 2.828 MHz. mt b dao ñng VCO có di tn rng mt octave nhm khc phc các yêu cu trên vi vt liu, linh kin thông dng, kích ð mch dao ñng khi ñng ñưc phi tha ñiu kin sau thưc nh và ñc bit là giá thành r. [3], [4]: Dao ñng phn x thc cht là dao ñng s dng ngun ñin tr âm to ra t linh kin tích cc ñ bù li suy hao ca b Γ*R × Γ In ≥ 1, (1) cng hưng ñã ñưc trình bày nhiu trong các tp chí chuyên * trong ñó, Γ là h s phn x liên hip phc ca b cng R ngành; ñc bit Silver J. P. [1]. Phương pháp thit k tn dng hưng và Γ In là h s phn x ngõ vào ca phn t tích cc; ñc tính không n ñnh ti ưu vn có ca linh kin tích cc ñưc chn ngay ti tn s thit k; ñng thi s dng cu hình ñây chính là S11 . cc base chung trc tip ni ñt ñ nâng phm cht n ñnh Nói cách khác, ta có th vit li phương trình (1) như sau: nhit ca mch. Mch cũng có vài hn ch như phi dùng ngun ñôi, nhiu pha và ñ tuyn tính thp, tuy nhiên d dàng 1 1 khc phc các hn ch trên ñưc trình bày trong phn kt lun. Γ*R ≥ = , (2) Γ In S11 Mch ñưc xây dng trên tham s S tín hiu nh ca linh kin, tuy nhiên vì s dng phn mm AWR [2], nên có th s hay biên ñ S11 và S22 phi ln hơn và h s n ñnh K phi dng phương pháp cân bng hài ñ mô phng tuyn tính cũng nh hơn ñơn v, ñng thi ñ mch d khi ñng ti thiu biên như phi tuyn. ñ S11 ≥ 1, 2 [5]. Phn còn li ca bài báo ñưc t chc như sau: trong phn Mc ñích to dao ñng là làm cho linh kin tích cc hot ñng II, chúng tôi miêu t phương pháp thit k. Trong phn III, trong min bt n ñnh ca chúng. Như vy phi xét hot ñng chúng tôi thc hin các thc nghim và ño th. Cui cùng, các ca linh kin cu hình ñưc chn có tha mãn hay không, kt lun ca bài báo ñưc trình bày trong phn IV. nu không, phi kt hp vi các linh kin th ñng bên ngoài 102 ISBN: 978-604-67-0635-9 102
- HộiHội Thảo Quốc Thảo QuốcGia Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông vàCông Thông và CôngNghệ Nghệ Thông Thông TinTin (ECIT (ECIT 2015) 2015) ñ ñưa linh kin vào vùng bt n ñnh bng cách phân tích ma B. Phân tích phi tuyn trn tham s S tín hiu nh ca nó. Trong thit k này, Phân tích tuyn tính ch cho bit hot ñng gn ñúng ca transistor 2SC4226 [6] ca CEL – California Eastern mch dao ñng, ñ bit chính xác ph ngõ ra, h s nhiu Laboratories ñưc s dng làm phn t tích cc ñ to ñin pha... chúng ta cn phân tích mô hình phi tuyn bng phương tr âm,b cng hưng dùng hai diode bin dung BB833 [7] ca pháp cân bng hài. ðu tiên cũng dùng phn mm AWR ñ Infineon ni ñu lưng nhau dùng ñiu khin tn s VCO. xác ñnh ñim phân cc cho transistor như trên Hình 3. Các ñin tr =R1 140 , R = 2 120 kt hp vi các ngun A. Phân tích tuyn tính VC = 12 V và VE = −5 V , gii hn dòng và to ñin th T bng tham s S ca transistor ñim phân cc Vc = 10 (V), I c = 30 (mA); t ñó chúng ta xây dng cu hình VCE ≈ 10 V và I C = 29,8 mA . BC cho transistor và s dng AWR mô phng tuyn tính ta Vì Γ R ≈ 1∠ − 82, 08 nên b cng hưng phi có tính thun nhn ñưc kt qu cho các tham s S11 , S22 và h s ñnh K dung kháng ñ cng hưng vi ñin cm ngõ vào ca linh như trên Hình 2. Trong ñó ta thy = S11 1.535 > 1 , kin tích cc; giá tr dung kháng xác ñnh trên Smith =S22 1.483 > 1 và K = −0, 6733 < 1 có giá tr gn ti ưu ti chart 51, 76 . Giá tr t ñin tương ng: tn s 2,828GHz. Như vy phn t tích cc s dao ñng nu vào cc E ca nó mt b cng hưng thích hp và ngõ ra kt 1 1 C= = cui R= L 50 [1]. 2π × f × X C 2π × 2828 × 106 × 51, 76 (3) = 1, 09 ( pF ) . Vì S11∠82.08 nên t (2) ñơn gin là ñt mt phn t cng hưng ñ có h s phn x Γ R ≈ 1∠ − 82, 08 vào cc E DCVS ID=V2 DCVS ID=V1 V=5 V transistor thì mch s dao ñng. V=12 V S parameter 1.6 0.5 CAP CAP CAP 2.828 GHz |S(1,1)| (L) ID=C4 ID=C2 ID=C3 C=100 pF 1.535 C=1 pF C=330 pF Linear IND ID=L1 IND ID=L2 L=47 nH L=47 nH 1.4 |S(2,2)| (L) 0.2 Linear 2.828 GHz 1.483 K() (R) 1.2 -0.1 Linear RES ID=R1 RES ID=R2 R=140 Ohm R=120 Ohm PORT SUBCKT CAP P=1 ID=S3 ID=C1 Z=50 Ohm C=100 pF 1 -0.4 NET="NE85630/CEL" 2.828 GHz E C 3 2 -0.6733 B OSCAPROBE 1 0.8 -0.7 CAP ID=C5 ID=X1 Fstart=1 GHz MSUB C=1.09 pF Fend=5 GHz Er=4.6 Fsteps=200 A H=0.75 mm Vsteps=30 T=0.017 mm Rho=1 0.6 -1 Tand=0.025 ErNom=4.6 VIA1P Name=SUB1 1 2 3 4 5 ID=V5 VIA1P ID=V4 D=0.8 mm D=0.8 mm Frequency (GHz) H=0.75 mm T=0.017 mm H=0.75 mm T=0.017 mm RHO=1 RHO=1 Hình 2a. Biên ñ S11 , S22 và K. Hình 3. Mch dao ñng tn s xác ñnh 2.828 MHz. S Ang Spectrum 200 25 2.828 GHz DB(|Pharm(PORT_1)|)[*,*] (dBm) 2.828 GHz 20 16.92 dBm OSC 82.08 Deg 100 15 Power output (dBm) 5.656 GHz 8.683 dBm 10 0 5 2.828 GHz -97.56 Deg 0 8.484 GHz -100 -5.515 dBm 11.31 GHz Ang(S(1,1)) (Deg) -5 -7.677 dBm Linear Ang(S(2,2)) (Deg) Linear -10 -200 0 5 10 14 1 2 3 4 5 Frequency (GHz) Frequency (GHz) Hình 4a. Ph ngõ ra b dao ñng. Hình 2b. Pha tương ng ca S11 và S22 . 103 103
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Vì mô hình ca diode bin dung thc hin tn s thp, nên Phase_noise các ñin cm ký sinh ca dây ni t chip diode ñn chân hàn 10 linh kin LS = 2, 2 nH , ñt ni tip vi ñin cm ngõ vào phn 0 t tích cc 2,9 nH kt hp vi ñin cm l xuyên thông [8]. Do -20 ñó, ñin cm toàn phn ca mch vào là Phase noise [dBc/Hz] -40 0.01 MHz -59.38 dB L∑ = 2,9 nH + 2, 2 nH + 0, 2 nH = 5, 3nH. (5) -60 Giá tr t cng hưng s là: 0,59 pF tương ng vi ñin th -80 phân cc cho hai diode 14,94 V. -100 Mch cng hưng, phn t tích cc kt hp vi b mô -120 phng cân bng hài AWR to VCO hoàn chnh ñưc trình bày .0001 .001 .01 .1 1 trên Hình 6 (xem ñu trang k tip) và Hình 7 cho kt qu mô Frequency phng di tn b dao ñng theo ñin th ñiu khin. Hình 4b. Nhiu pha. Kt qu trên Hình 7 cho thy tn s ngõ ra thay ñi t 1.921 MHz ñn 4.045 MHz khi ñin th ñiu khin bin ñi tương Sau khi ni t ñin có giá tr 1,09 pF vào cc E và mô ng t 6V ñn 35V. Quan h này tương ñi tuyn tính vi phng. Kt qu trên Hình 4 là ph tn ngõ ra và nhiu pha ca KVCO ≈ 70 MHz/V . b dao ñng. Mc ñin ngõ ra ti thành phn căn bn 16,92dBm, hài bc hai 8, 683dBm , hài bc ba −5,515dBm V TUNE và nhiu pha 59,38 dBc t v trí lch sóng mang 10 KHz. 5 35 V Trong phn tip theo, ta tính toán dao ñng VCO có tn s 4.045 GHz kim soát bng diode bin dung. T mch dao ñng tn s c 4 Frequency (GHz) ñnh, ñin cm ngõ vào tương ñương: 14.94 V 2.828 GHz 3 1 1 =L = ω 2C (2π f ) 2 × C 2 1 6V OSC_FREQ()[*,X] (GHz) = (4) 1.921 GHz OSC (2π × 2828 ×106 ) 2 ×1, 09 × 10−12 1 ≈ 2,9 ( nH ) . 6 16 26 35 Volts (V) Như vy, bây gi nu thay th t ñin có giá tr xác ñnh bng diode bin dung ta s ñưc mt b dao ñng có tn s kim soát bng ñin th VCO. ðng thi ñ ci thin ñ tuyn Hình 7. Tn s ngõ ra b dao ñng VCO theo ñin áp ñiu khin. tính và gim ñin th ñiu khin; ta s dng cp diode bin III. THC NGHIM VÀ ðO TH dung BB833 ni –lưng ñu lưng cho b cng hưng. Trên hình Hình 5 là kt qu mô phng ñin dung ca chúng theo ñin áp ñiu khin. Linear Cv vs Voltage 5 4 Capacitance (pF) 3 2 14.94 V 0.5865 pF 1 6V 1.367 pF 0 0 10 20 30 40 Voltage (V) Hình 8. Mch dao ñng VCO thc t. Hình 5. ðin dung theo ñin áp ca hai diode BB833 ni –back to back. 104 104
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) DCVS DCVS ID=V2 ID=V1 V=5 V V=12 V CAP CAP CAP ID=C3 ID=C4 ID=C2 C=100 pF C= 1 pF C=330 pF IND IND ID=L1 ID=L2 L=47 nH L=47 nH RES RES ID=R1 ID=R2 R=140 Ohm R=120 Ohm PORT SUBCKT CAP RES P=1 ID=S3 ID=C1 ID=R3 Z=50 Ohm NET="NE85630/CEL" C=100 pF R=1 Ohm SUBCKT E C ID=S2 100 3 2 NET="BB833" B 1 RES ID=R4 R=10000 Ohm 200 200 A DCVSS OSCAPROBE ID=V3 SUBCKT MSUB ID=X1 VStart=14.94 V ID=S1 Er=4.6 Fstart=1 GHz VIA1P VStop=14.94 V NET="BB833" H=0.75 mm Fend=5 GHz ID=V4 VStep=0 V T=0.017 mm Fsteps=200 D= 0.8 mm Rho=1 CAP Vsteps=30 H= 0.75 mm Tand=0.025 ID=C5 T= 0.017 mm ErNom=4.6 C=330 pF 100 RHO=1 Name=SUB1 VIA1P ID=V5 D= 0.8 mm H=0.75 mm T= 0.017 mm RHO=1 Hình 6. Mch dao ñng VCO rng mt Octve. Bng 1: So sánh ch tiêu, kt qu mô phng và thc nghim b dao ñng. Tham s Ch tiêu Mô phng Thc nghim ðơn v ðin th ngun VC 12 ± 0,5 12 12 ± 0,5 VE 5 ± 0,5 5 5 ± 0,5 Volts VCONT (635) ± 0,5 635 (635) ± 0,5 Dòng ngun 30 29,8 30,3 mA Di tn 24 1,921 – 4,045 1,860 – 3,980 GHz Công sut ngõ ra 16 16,92 13,4 dBm Nhiu pha 10KHz 60 59,38 46,4 dBc/Hz Hài 30 25,6 x dBc 105 105
- HộiHội Thảo Quốc Thảo Gia Quốc 2015 Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông và Công Thông và CôngNghệ NghệThông ThôngTinTin (ECIT (ECIT 2015) 2015) Mch dao ñng VCO ñưc thc hin bng phn mm Sprint layout trên nn FR4. Transistor 2SC4226 ñóng trong v SOT343, diode bin dung BB833 ñóng v SOD323, các cun cn cao tn RFC và t ñin dáng kích thưc 0805. Hình 8 trình bày bo mch thc hin cui cùng trong ñó kt hp mch suy hao 10dB, lc thông thp có tn s ct f cut −off = 4,5GHz và mch MMIC ERA6, mc ñích cách ly ti và bo ñm mc ra khong 40 mW. Kt qu ño th di tn thp hơn mt ít so vi thit k 1860 MHz − 3980 MHz . Trên Hình 9 và 10, mc ñin ngõ ra ti tn s 2.828 MHz là 13, 4 dBm , vi suy hao ngoài 25dB , nhiu pha 46, 4 dBc/Hz ti v trí lch vi sóng mang 10 ( kHz ) . Các giá tri này thp hơn so vi giá tr mô phng Hình 10a. Nhiu pha ca mch dao ñng. tương ng 3,52 dB và 13dB . Bng 1 (xem trang trưc) cho kt qu thc t ño ñưc so vi ch tiêu kỳ vng và kt qu mô phng. I. KT LUN Tin trình thit k và thc hin mch dao ñng VCO băng tn S rng mt octave ñưc trình bày và kt qu ñt thc nghim ñưc: Di tn 1860 MHz − 3980 MHz tương ng vi ñin áp ñiu khin thay ñi t 6 ( V ) − 35 ( V ) , mc RF ngõ ra 13, 4 ( dBm ) và nhiu pha 46, 4 ( dBc/Hz ) . So vi mc tiêu ñ ra, kt qu ño ñt thc t có di tn thp hơn kt qu mô phng 4% do ñin cm, ñin dung ký sinh ca các ñim hàn chân linh kin không ñưc ñưa vào trong mô hình. Mc RF ngõ ra thp hơn giá tr mô phng 3,5dB vì s dng vt liu nn FR4 có suy Hình 10b. Nhiu pha ca mch dao ñng. hao tương ñi ln δ = 0, 025 ; và cui cùng, diode bin dung có h s phm cht thp R = 3, 6 nên nhiu pha thp hơn TÀI LIU THAM KHO s [1] Silver J. P. Reflection Oscillator Design Tutorial, www.rfic.co.uk, E 13dB so vi kt qu mô phng. ð khc phc ngun ñôi ta có mail: John@rfic.co.uk. th dùng mt chip ñi ñin ñ to ra ñin áp 5V t ngun [2] Cornelis J. Kikkert, RF Electronics Design and Simulation, James Cook University, Townsville, Queenland, Australia, 2013. chính 12V và dùng ngun ñin áp quét ñưc sa dng bù s phi tuyn ca tn s VCO theo ñin áp ñiu khin nhm có ñ [3] Guillermo Gonzaler, Microwave transistor amplifiers Analysis and design, 2nd Edition, Pretice Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey, tuyn tính yêu cu. Tóm li, kt qu chính xác có th ñt nu United State of America, 1984. có ñưc vt liu, linh kin phù hp và mô hình ñưc xây dng [4] David M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd Edition, John Wiley & ñy ñ. Sons, Inc., New york, United State of America,1998. [5] Sebnem Seckin Ugurlu “Dielectric resonator oscillator design and realization at 4,25GHz” ELECO 7th 2011 International Conference on Electrical and Electronics Engineerng, pp 185188. 14 December, Bursa, Turkey, 2011. [6] NEC’s NPN Silicon High Frequency Transistor, NE856 Series. California Eastern Laboratories, 2005. [7] Silicon Tuning Diodes, Edition 20110615 Published by Infineon Technologies, AG 81726 Munich, Germany. [8] Rowan Gilmore, Les Besser, Practical RF Circuit Design for Modern Wireless Systems, Artech House, Inc., 685 Canton Street, Norwood, MA 02062, paper 373374, volume I, 2003. Hình 9. Ph ngõ ra. 106 106
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT
7 p | 839 | 273
-
Bài giảng Thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa: Các chú ý khi thiết kế sản phẩm cho công nghiệp ép phun
26 p | 283 | 64
-
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY
7 p | 131 | 49
-
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ nghịch lưu cho trạm phát điện năng lượng gió và mặt trời
2 p | 96 | 10
-
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình ô tô Hybrrid 2 chỗ ngồi phục vụ đào tạo tại Trường Đại học Nha Trang
6 p | 126 | 8
-
Thiết kế và chế tạo thiết bị nâng đa năng phục vụ cho bệnh nhân
5 p | 23 | 7
-
Thiết kế và chế tạo bộ phận tự động điều khiển nhiệt, gió cho máy sấy sản phẩm nông nghiệp dạng hạt
13 p | 11 | 6
-
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ECU điều khiển động cơ xăng
7 p | 37 | 6
-
Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển tưới nước tự động cho vườn Thực nghiệm tại Trường Đại học Quảng Nam
7 p | 12 | 6
-
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy lạng da cá tra
6 p | 19 | 5
-
Đề cương chi tiết học phần Công nghệ thiết kế và chế tạo vi mạch
11 p | 41 | 3
-
Thiết kế và chế tạo bộ phận cắt vỏ hạt sen tươi
7 p | 19 | 3
-
Thiết kế và chế tạo thiết bị hướng dẫn rửa tay đúng cách
6 p | 83 | 3
-
Thiết kế và chế tạo máy sàng rác bãi biển (Chế tạo bộ phận sàng)
9 p | 35 | 3
-
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống uốn tạo hình chi tiết hình chữ V có gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ
8 p | 22 | 2
-
Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động kiểm tra chức năng bo mạch điện tử kỹ thuật số theo phương pháp tái cấu hình và tạo mẫu nhanh RPS
8 p | 59 | 2
-
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển hệ thống tiếp dầu cho ổ đỡ thủy động khi tải trọng, vận tốc thay đổi
8 p | 37 | 2
Chịu trách nhiệm nội dung:
Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA
LIÊN HỆ
Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM
Hotline: 093 303 0098
Email: support@tailieu.vn