5.4: Тематичне дослідження - Відображення осцилятора

У цьому випадку\(^{1}\) досліджується конструкція осцилятора відбиття, показана на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а). Це генератор\(18\text{ GHz}\) загальних воріт із послідовним індуктивним зворотним зв'язком, що забезпечується лінією електропередачі TL\(_{1}\). Ця схема походить від конфігурації генератора Кольпітта. Резонатор резонансний значно нижче частоти коливань, і тому представляє ємність до джерела транзистора на частоті коливань.

5.4.1 Порядок проектування

Схема на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а) - це модифікований генератор Колпітта із загальною базою та радіочастотний еквівалент, необхідний для розуміння роботи генератора, і як схема відповідає стандартному осцилятору Кольпітта, показані на малюнку\(\PageIndex{2}\). Це найпоширеніша топологія НВЧ генератора фіксованої частоти.

Мережа зворотного зв'язку Колпітта показана на малюнку\(\PageIndex{2}\) (а), де індуктор забезпечує зворотний зв'язок з виходу на вхід активного пристрою. Повертаючись до модифікованого генератора Колпітта на малюнку\(\PageIndex{1}\),\(L_{1}\) є великим дроселем індуктивності, що представляє собою розімкнуту ланцюг РФ і\(C_{1}\) є великим конденсатором постійного струму, що представляє коротке замикання РФ. Лінія передачі затвора\(_{1}\), TL, представляє невелику індуктивність і найголовніше забезпечує індуктивний зворотний зв'язок з виходу на вхід активного пристрою і тісно відповідає\(L_{3}\) в мережі зворотного зв'язку Колпітта на малюнку\(\PageIndex{2}\) (а). Затвор-джерело і стік-витік паразитичні ємності транзистора,\(C_{GS}\) причому\(C_{DS}\), відповідають приблизно конденсаторам\(C_{1}\) і\(C_{2}\) в мережі зворотного зв'язку Кольпітса. Це призводить до радіочастотної еквівалентної схеми, показаної на малюнку\(\PageIndex{2}\) (b). На малюнку\(\PageIndex{2}\) (b)\(X_{R}\) - реактивний опір резонатора і компенсує неідеальний характер модифікованого генератора Кольпітса. Стабільна робота цього генератора вимагає, щоб\(X_{R}\) бути ємнісним, але мають варіації з частотою істотно менше, ніж у конденсатора. Це досягається шляхом наявності частоти коливань вище резонансної частоти резонатора.

На\(\PageIndex{1}\) малюнку генератор відбиття складається з двох мереж, мережі активного пристрою та мережі резонатора. Третя показана мережа, мережа OscProbe, являє собою зонд, який використовується для управління аналізом генератора за допомогою методу гармонічного балансу. Підхід до проектування тут полягає у розробці топології, що включає активний пристрій, який представляє негативний опір на інтерфейсі\(\mathsf{X}\), між мережею активного пристрою та мережею резонатора. Оскільки активний пристрій та резонатор найкраще моделюються як паралельні схеми, найкраще звернутися до допуску, і тому мережа активного пристрою представляє негативну провідність до резонатора. Крім того, малі вхідні сигнали активної мережі\(Y_{d} = G_{d} +\jmath B_{d}\), і резонаторної мережі\(Y_{r} = G_{r} + \jmath B_{r}\), показані на малюнку\(\PageIndex{3}\). Тут активна мережа має малосигнальну провідність, яка є негативною, і малосигнальної.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Відображення генератора: (а) повна схема генератора, що використовується в моделюванні; і (б) конфігурація для вимірювання коефіцієнта відбиття великого сигналу активного пристрою. \(L_{r} = 5.6\text{ nH}\),\(R_{r} = 10\:\Omega\),\(C_{r} = 445\text{ fF}\),\(L_{1} = 15\text{ nH}\), і\(C_{1} = 10\text{ pF}\). Резонансна частота резонатора є\(3.19\text{ GHz}\), але це не частота коливань. Представлено необхідний нахил сприйнятливості по відношенню до частоти на частоті генератора\(17.76\text{ GHz}\).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Робота модифікованого генератора Кольпітта: (а) мережа зворотного зв'язку Колпітта; (б) істотна радіочастотна еквівалентна схема модифікованого генератора Кольпітта на малюнку\(\PageIndex{1}\).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Малий сигнал допуску активного пристрою\(Y_{d} = G_{d}+\jmath B_{d}\), і допуск резонатора,\(Y_{r} = G_{r} + \jmath B_{r}\). \(B_{d}\)змінюється в залежності від частоти в значній мірі через частотно-залежний зворотний зв'язок, що надається TL\(_{1}\).

сприйнятливість, яка є індуктивною. Резонатор має незначну провідність і ємнісну сприйнятливість.

Допуск, що дивиться в джерело активної мережі, залежить від рівня сигналу на\(\mathsf{X}\) малюнку\(\PageIndex{1}\). Однак допустимий коефіцієнт резонатора не залежить від рівня сигналу, оскільки резонатор є лінійною мережею. Потім стратегія проектування полягає в тому, щоб розробити мережу зворотного зв'язку, тут лінія передачі, TL\(_{1}\), у затворі транзисторного транзистора, яка потім представляє негативну провідність до частотно-селективної структури, резонаторної мережі.

Вплив рівня сигналу досліджується за допомогою активної ланцюга тестування мережі, показаної на малюнку\(\PageIndex{1}\) (b). Тут\(50\:\Omega\) генератор, на Port\(\mathsf{1}\), керує джерелом активного пристрою. Потужність сигналу в порту змінюється, і встановлено, що негативна провідність змінюється від\(−0.0274\text{ S}\) при невеликому застосованому сигналі, до\(−0.0224\text{ S}\) рівня застосованого сигналу\(−10\text{ dBm}\), до\(−0.004\text{ S}\) at\(−7\text{ dBm}\), і до\(0.001\text{ S}\) at\(−6\text{ dBm}\). Коливання відбуватиметься, коли провідність, що дивиться в вихідний висновок активного пристрою, дорівнює приблизно нулю (так як провідність резонатора мізерно мала), а сприйнятливість активної мережі і мережі резонатора скасовуються.

На жаль, сприйнятливість активної мережі змінюється, оскільки рівень сигналу змінюється, оскільки ємності активного пристрою нелінійні. Ефект від цього зараз буде розглянутий. Вплив рівня сигналу на стан коливань повчально розглядати, враховуючи коефіцієнти відбиття\(\Gamma_{d}\) для мережі активного пристрою та\(\Gamma_{r}\) для резонаторної мережі. Це показано на малюнку\(\PageIndex{4}\), де використовується полярний графік з\(|\Gamma_{d}| > 1\) (за винятком дуже великого сигналу в\(\mathsf{X}\)). \(\Gamma_{r}\)знаходиться приблизно на одиничному колі і є ємнісним, перебуваючи в нижній половині площини. \(\Gamma_{d}\)показаний для декількох рівнів сигналу, з рівнем сигналу,\(−20\text{ dBm}\) відповідним умові малого сигналу. Зі збільшенням рівня сигналу в кінцевому підсумку змінюється як провідність\(−6\text{ dBm}\), так і сприйнятливість активного пристрою. Провідність пристрою стає позитивною у вигляді\(\Gamma_{d}\) хрестів всередині одиничного кола. Резонанс виникає при\(\Gamma_{d}\Gamma_{r} = 1\). Так як\(G_{r} \approx 0\), це коли\(\Gamma_{d}\approx 1/\Gamma_{r}\). Тобто резонанс буде відбуватися на тій частоті, де локус\(\Gamma_{d}\) перетинається з\(1/\Gamma_{r}\).

Результати, представлені\(\PageIndex{4}\) на малюнку для коефіцієнта відбиття активної мережі на рисунку\(\PageIndex{1}\) (b), отримані з розв'язку великого сигналу, розрахованого за допомогою аналізу гармонічного балансу. У більшості аналізів гармонічного балансу необхідно лише розглянути кілька гармонік, щоб отримати хороші результати. При моделюванні тут розглядаються п'ять гармонік, причому основна частота встановлюється частотою джерела на веденому порту. Фундаментальна частота була ступінчаста від\(15\text{ GHz}\) до\(20\text{ GHz}\). Осцилятор

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Коефіцієнт відбиття резонатора\(\Gamma_{r}\), і активного пристрою\(\Gamma_{d}\), при різних рівнях сигналу. \(\Gamma\)наноситься на полярній ділянці з зовнішнім колом, відповідним\(|\Gamma| = 2\). За бажанням, локус\(1/\Gamma_{r}\) паралельний на\(\Gamma_{d}\) фіксованому рівні сигналу (тут про\(−6\text{ dB}\)), а напрямок\(1/\Gamma_{r}\) зі збільшенням частоти протилежний напрямку\(\Gamma_{d}\). Близький паралельний збіг забезпечується регулюванням нахилу сприйнятливості проти частоти резонатора. Розглядаючи перетин\(1/\Gamma_{r}\) і\(\Gamma_{d}\) рівнозначно розгляду перетину\(1/\Gamma_{d}\) і\(\Gamma_{r}\).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Форми хвилі напруги на виході генератора (Curve (b)), а на вихідному терміналі активного пристрою, Термінал\(\mathsf{x}\), який є інтерфейсом між активним пристроєм і резонатором (Curve (a)).

моделювання також використовує аналіз гармонічного балансу, але тепер частота коливань не відома завчасно. Необхідно ввести ще одну умову, щоб тренажер міг знайти частоту коливань. Одним із методів, що використовуються в симуляторах гармонічного балансу, є введення елемента зонда генератора, такого як\(\mathsf{OscProbe}\) елемент, показаний на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а). Частота джерела\(F_{\text{OSC}}\), в\(\mathsf{OscProbe}\) елементі спочатку вгадується симулятором і послідовним опором\(\mathsf{OscProbe}\) елемента є коротке замикання на частоті коливань і обрив ланцюга на гармоніках. Ця додаткова умова включена в рівняння гармонічного балансу і\(F_{\text{OSC}}\) допускається змінюватися так само, як і амплітуда джерела. Рішення коливань виходить, коли струм через імпеданс в\(\mathsf{OscProbe}\) елементі дорівнює нулю. Встановлено, що частота коливань є\(17.76\text{ GHz}\). Відзначимо, що це не резонансна частота резонатора, так як тут активний пристрій представляє індуктивність до резонатора. Резонатор повинен представляти ефективну ємність, яка має необхідний нахил сприйнятливості проти частоти, так що частотний локус паралельний, але протилежно спрямований до нахилу\(\Gamma_{d} (f)\) (див. Рисунок\(\PageIndex{4}\)).\(1/\Gamma_{r} (f)\)

На малюнку\(\PageIndex{5}\) показані форми хвиль на виході генератора (Curve (b)) і на межі розділу (\(\mathsf{X}\)) між резонатором і мережами активного пристрою

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Фазовий шум генератора відбиття.

(Крива (а)). Вихід генератора буде супроводжуватися смуговим фільтром, так що на зовнішній вихідний термінал представлена одна синусоїда без гармонік.

Фазовий шум генератора обчислюється з стаціонарних умов генератора і показаний на малюнку\(\PageIndex{6}\). Рівень фазового шуму відносно високий, і це в основному пов'язано з опором\(R_{r}\) в резонаторі, який моделює втрати в загостреному індукторі. Продуктивність була б покращена, якби замість цього була використана розподілена схема (з лініями електропередачі) для реалізації необхідного допуску та його похідної на частоті коливань.

5.4.2 Резюме

Нульова комбінована точка підозри на малюнку\(\PageIndex{3}\) була в той\(17.76\text{ GHz}\) час як частота коливань, показана на малюнку\(\PageIndex{5}\), знаходиться на\(17.29\text{ GHz}\). Причина цієї невідповідності полягає в тому, що графік сприйнятливості на малюнку\(\PageIndex{3}\) базується на малих умовах сигналу, тоді як моделювання призначене для великого сигналу і включає гармоніки. Можна очікувати, що частота коливань, розрахована за допомогою аналізу гармонічного балансу, буде відрізнятися від частоти, отриманої при аналізі малих сигналів. Розглянемо\(\Gamma_{d}\) криві на малюнку\(\PageIndex{4}\). (Генерація цих даних зайняла багато симуляційних прогонів і не враховувала гармоніки.) Величина\(\Gamma_{d}\) зменшується у міру збільшення рівня прикладеного сигналу. Таке обертання не є бажаним і означає, що сприйнятливість активного пристрою залежить від амплітуди. Це відповідає величині негативної провідності активного приладу, що стає меншим. Зверніть увагу, що також є невелике обертання, що\(\Gamma_{d}\) вказує на те, що сприйнятливість активного пристрою також змінюється в міру збільшення рівня сигналу. Це означає, що частота коливань буде залежати від амплітуди коливання. Крім того, застосований сигнал, який використовується для обчислення\(\Gamma_{d}\) на різних рівнях потужності, не є фактичним коливальним сигналом.

Виноски

[1] Файл проекту середовища проектування: Reflection_Oscillator.emp.