5.5: Генератор, керований напругою (VCO)

У цьому розділі описані особливі проблеми при проектуванні СВЧ ГУН. Основна проблема походить від резонаторної мережі, яка зараз втрачається через використання елемента настройки, який, на жаль, має низький рівень\(Q\). Майже у всіх випадках елементом настройки є варактор, зворотно-зміщений pn-перехід або діод Шотткі, який має значний послідовний опір на мікрохвильових частотах. Це означає, що повинні бути використані повні умови Курокава для стабільних коливань, а також ці умови повинні бути виконані в діапазоні настройки генератора і під час запуску.

5.5.1 Процедура проектування

Широкосмуговий ГУН є ключовим елементом в системі зв'язку і зазвичай використовується для приводу змішувача, щоб дозволити вибрати різні смуги частот, просто змінюючи частоту коливань. Конструкція широкосмугового ГУН є відносно складною, при цьому питання одночасного коливання на декількох частотах, фазового шуму та енергоефективності викликають першочергове занепокоєння. У акумуляторному пристрої зв'язку потужність, отримана ГУН, є значною часткою загальної потужності, споживаної переднім кінцем РФ.

Конструкція ГУН будується на стандартній процедурі проектування генератора, яка відповідає зворотному коефіцієнту відбиття активного пристрою\(1/\Gamma_{d}\), до коефіцієнта відбиття танка або резонатора контуру\(\Gamma_{r}\), так що\(\Gamma_{r} = 1/\Gamma_{d}\) тільки при коливаннях. Це ускладнюється на мікрохвильових частотах, оскільки паразитарні ємності є значними, і для пом'якшення їх ефекту потрібні спеціальні стратегії проектування. Необхідні стабільні умови коливань повинні бути досягнуті протягом усього діапазону настройки, зберігаючи постійну вихідну потужність та низький фазовий шум.

Дві схеми ГУН показані на малюнку\(\PageIndex{1}\). Схема на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а) є генератором загальної бази зі зворотним зв'язком, що забезпечується базовим індуктором\(L_{B}\), представляючи негативну провідність і малу індуктивність шунта на випромінювачі. Резонансний контур, що містить\(C_{R}\) і\(L_{R}\) представляє або ємність, або індуктивність на частоті коливань, і скасовує сприйнятливість, представлену активним пристроєм. Резонансний контур має немізерно малу провідність через втрати в резонаторі. В ідеалі сприйнятливість активного пристрою не залежить від амплітуди, однак паразити транзистора ускладнюють ситуацію, так що ця сприйнятливість також має амплітудну залежність. Резонатор налаштовується через змінну

Малюнок\(\PageIndex{1}\): ГУН з перебудовуваним резонатором, що містить\(C_{R}\) і\(L_{R}\). \(L_{\text{choke}}\)є радіочастотним розімкнутим ланцюгом і\(C_{B}\) є коротким замиканням РФ.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Генератор зворотного зв'язку загального затвора/бази з використанням мереж зворотного зв'язку типу PI: (а) генератор FET загального затвора; і (б) генератор BJT на загальній основі.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Перетворення осцилятора фігури\(\PageIndex{2}\) у форму стандартного генератора зворотного зв'язку Кольпітта: (а) перший етап перетворення заміна\(L_{\text{choke}}\) s з RF розімкнутими ланцюгами,\(C_{B}\) заміна\(R_{F}\) коротким замиканням; і (б) остаточна форма зворотного зв'язку (порівняти з схемами на малюнках 5.2.2 (а) і 5.2.3 (б)). \(C_{1}\)поєднує індуктивність\(L_{r}-C_{r}\) резонатора і ємнісну сприйнятливість, введену приладом паразитики. \(C_{2}\)походить здебільшого від ємності колектора-випромінювача.

ємність, як правило, варактор.

Найбільш поширеною топологією генератора відбиття мікрохвильовки з одним транзистором є генератор Colpitts BJT/HBT із загальною базою або аналогічний генератор FET із загальним затвором, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\). Розглянемо генератор BJT на малюнку\(\PageIndex{2}\) (b). Це називається загальною базовою конфігурацією, хоча вона є лише приблизною, як буде видно, коли простежується шлях потоку радіочастотного сигналу. Паралельна\(L_{R}-C_{R}\) комбінація називається резонатором, але вона резонансна нижче (або вище) частоти коливань, тому на частоті коливань це фактично конденсатор (або індуктор), але з величиною нахилу допуску проти частоти, яка менше, ніж у згорнутого конденсатора (або індуктор). \(^{1}\)Проектування схилу сприйнятливості важливо для отримання успішної роботи в якості ГУН. Таким чином, однією з цілей\(L_{R}\) є\(\partial B_{r}/\partial\omega\) можливість вибору в дизайні. Базова\(L_{B}\) індуктивність з'єднує вихід активного пристрою на колекторі з входом на випромінювачі. Таким чином, ця схема є загальним базовим генератором Колпітта (еквівалентність проілюстрована на малюнку\(\PageIndex{3}\)).

Паразитні і конструктивні елементи (особливо\(L_{B}\) і компенсуючі конденсатори) в активній мережі можуть вимагати, щоб резонансна мережа представляла індуктивність. Поки умова Курокава буде виконана, коливання буде стабільним. Конструкція ГУН вимагає значної гнучкості.

Малюнок\(\PageIndex{1}\) (b) являє собою схему диференціального генератора, реалізованого за допомогою МОП-транзисторів, де резонатор містить пару змінних ємностей,\(C_{R}\) s, і пару індукторів, s. дроселі,\(L_{R}\) s, є короткими замиканнями при постійному\(L_{\text{choke}}\) струмі, але блокують радіочастотні струми. Конструкція на чіпі має багато обмежень, і не можна очікувати, що можна отримати таку ж продуктивність, як і при гібридному дизайні.

5.5.2 Управління мультиколиванням та фазовим шумом

Умова коливання для генератора стабільного відбиття повинна бути переглянута та обговорена стосовно ГУН. Посилаючись на генератор відбиття на малюнку 5.3.1, умова генератора Курокава для стабільного (одночастотного) коливання становить [11]

\[\label{eq:1}\left.\left(\frac{\partial G_{d}}{\partial V}\frac{\partial B_{r}}{\partial\omega_{0}}-\frac{\partial B_{d}}{\partial V}\frac{\partial G_{r}}{\partial\omega_{0}}\right)\right|_{V=V_{0},\omega=\omega_{0}}>0 \]

де індекс\(0\) відноситься до робочої точки і\(V_{0}\) являє собою амплітуду коливань на межі розділу активної і резонаторної мереж. Активна мережа включає в себе елементи, додані до активного пристрою в основному для компенсації паразитів. Якщо умова в Рівнянні не\(\eqref{eq:1}\) виконується, то генератор може одночасно коливатися на декількох частотах або бути хаотичним.

Досягнення одночастотного коливання може бути проблемою для конструкції генератора з фіксованою частотою, але особливо складним завданням для ГУН, оскільки умова повинна бути виконана в діапазоні налаштування. Складною конструкцією є те, що з ГУН мережа резонатора втрачає, так що умова Курокава не спрощується, як це стосується генератора з фіксованою частотою, див. Розділ 5.3.1. Тоді умова спрощується через високий\(Q\) резонатор генератора з фіксованою частотою, де терміни в умові коливань Курокави зникають через те, що\(G_{r}\approx 0\).

У проектуванні ГУН процедура проектування повинна бути простою, і це відкриває простір для проектування, щоб забезпечити оптимізацію інших характеристик, таких як мінімізація фазового шуму та споживання енергії постійного струму. Одним з аспектів бажаної процедури проектування генератора є вибір топології, яка призводить до ефективного сприйнятливості пристрою, який, наскільки це можливо, не залежить від амплітуди сигналу (тобто\(\partial B_{d}/\partial V |_{V =V_{0}}\approx 0\)) та навантаженої провідності резонатора, яка не залежить від частоти (тобто\(\partial G_{r}/\partial\omega_{0}|_{\omega=\omega_{0}}\approx 0\)). Тоді критерій стабільного коливання набагато простіше.

\[\label{eq:2}\left.\left(\frac{\partial G_{d}}{\partial V}\right)\left(\frac{\partial B_{r}}{\partial\omega_{0}}\right)\right|_{V=V_{0},\omega=\omega_{0}}>0 \]

те, що набагато легше задовольнити в дизайні. Це рівняння таке ж, як спрощені критерії, розроблені для генератора з фіксованою частотою, але тепер є дві додаткові вимоги до проектування, тобто\(\partial B_{d}/\partial V |_{V =V_{0}}\approx 0\) і\(\partial G_{r}/\partial\omega |_{\omega =\omega_{0}}\approx 0\).

Посилаючись на загальну основу ланцюга малюнка\(\PageIndex{3}\) (а), елемент в основі\(L_{B}\), індукує негативну провідність на межі розділу з\(L_{R}-C_{R}\) резонатором [18]. Він також індукує індуктивну сприйнятливість, а з активною ємністю пристрою та іншими конденсаторами загальна сприйнятливість, представлена активною мережею, є або індуктивною, або ємнісною. Особливістю схеми на малюнку\(\PageIndex{3}\) (а) є те, що\(L_{R}-C_{R}\) резонатор ізольований від навантаження

Рисунок\(\PageIndex{4}\): Вимоги до\(\Gamma_{d}\) стійких коливань\(\Gamma_{r}\) і до них отримані від Рівняння\(\eqref{eq:2}\) з припущеннями, що лежать за виведенням рівняння (тобто,\(\partial B_{d}/\partial V|_{V =V_{0}}\approx 0\) і\(\partial G_{r}/\partial\omega_{0}|_{\omega =\omega_{0}}\approx 0\)). Локус\(\Gamma_{r}\) - для збільшення частоти. Кілька локусів показані для\(1/\Gamma_{d}\) показані на різних частотах. Стрілкові локуси\(1/\Gamma_{d}\) призначені для збільшення частоти.

і тому навантаження мало впливає на частоту коливань. Вихід транзистора моделюється як шунтуюче з'єднання джерела струму, провідності та сприйнятливості. Таким чином, природно розглядати генератор як генератор негативної провідності. Встановлено, що за бажанням ця топологія призводить до негативної провідності, яка зменшується за величиною зі збільшенням рівня коливань. Інший спосіб заявити про те ж саме питання полягає в тому, що\(L_{r}-C_{r}\) резонаторна мережа не містить всього реактивного опору, який слід призначити\(C_{1}\) в простому осциляторі Колпітта. Тепер\(\partial G_{d}/\partial V|_{V =V_{0}}\) у\(\eqref{eq:2}\) Рівняння позитивне. (Тобто\(G_{d}\) стає менш негативним у міру збільшення величини коливального сигналу.) Таким чином, для стабільного коливання,\(\partial B_{r}/\partial\omega |_{\omega =\omega_{0}}\) повинні бути позитивними. Умови стабільного коливання, використовуючи спрощення конструкції, що призвели до Рівняння\(\eqref{eq:2}\), потім, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\). Ця цифра вказує на те, що якщо\(\Gamma_{d}\) є ємнісним (\(1/\Gamma_{d}\)знаходиться у верхній половині площини), то\(\Gamma_{r}\) повинен бути індуктивним, тоді як якщо\(\Gamma_{d}\) індуктивний (\(1/\Gamma_{d}\)знаходиться в нижній половині площини), то\(\Gamma_{r}\) повинен бути ємнісним.

На НВЧ-частотах паразитарні реакції транзистора значні і тому активний пристрій не має незалежної сприйнятливості на рівні сигналу (тобто\(\partial B_{d}/\partial V|_{V =V_{0}}\) є кінцевим). Частково це пов'язано з тим, що паразитарні ємності транзистора залежать від напруги. Це також пов'язано з реактивним елементом зворотного зв'язку, який використовується для отримання негативної провідності. Паразитарні елементи додатково ізолюють негативну вихідну провідність транзистора від порту активної мережі, що взаємодіє з резонатором. В результаті може знадобитися введення компенсаторних елементів, щоб перевести поведінку активного пристрою в правильну форму. Це буде представлено в тематичному дослідженні наступного розділу. Суть полягає в тому, що проектування для\(\partial B_{d}/\partial V|_{V =V_{0}}\approx 0\) є основним завданням. Менш значною проблемою є спроектувати резонатор, щоб він мав необхідну властивість провідності (тобто\(\partial G_{r}/\partial\omega |_{\omega =\omega_{0}}\approx 0\)).

5.5.3 Осцилятор негативного опору

Вищезазначене обговорення стосується генератора негативної провідності, в якому величина негативної провідності пристрою зменшується з амплітудою сигналу. Крім того, генератор негативного опору може бути реалізований за допомогою конденсатора послідовно з випромінювачем. Це призводить до моделі генератора, в якій негативний опір знаходиться послідовно з опором навантаження та послідовним резонансним контуром. Стабільне коливання цього генератора вимагає, щоб величина негативного опору зменшувалася, оскільки сигнал коливань збільшується в розмірах. Однак важко реалізувати негативний опір, який зменшується за величиною в міру збільшення рівня сигналу і одночасно досягти реактивного опору, незмінного за рівнем сигналу. Таким чином, краще використовувати зворотний зв'язок для створення негативної провідності шунтування сприйнятливості. Конструкція стійкого генератора негативного опору досить складна і майже завжди уникає.

5.5.4 Резюме

З низьким\(Q\) резонатором ГУН процедура проектування зовсім відрізняється від процедури для генератора з фіксованою частотою, який має високий\(Q\) резонатор. Концепція дизайну ГУН на основі центрального відбиття - це розробка активної мережі, що представляє майже незалежну від напруги сприйнятливість (тобто\(\partial B_{d}/\partial V|_{V =V_{o}}\approx 0\)) та незалежну від частоти негативну провідність (\(\partial G_{d}/\partial\omega |_{\omega =\omega_{0}}\approx 0\)). Як тільки це буде досягнуто, можна використовувати звичайний підхід до проектування осцилятора відбиття, а резонатор розроблений таким чином\(\partial G_{r}/\partial\omega |_{\omega =\omega_{0}}\approx 0\). Дизайн - це і мистецтво, і наука. Іноді задачу потрібно спростити, щоб дизайнер зміг концептуалізувати та синтезувати необхідну схему. Зазвичай це найкращий підхід до досягнення мікрохвильових схем, які мають майже оптимальну продуктивність. Просто оптимізації даної топології недостатньо. Правильна топологія повинна бути синтезована в першу чергу.

Вимоги до запуску коливань ще не розглядалися, і вони будуть розглянуті в наступному прикладі проектування ГУН.

Виноски

[1] Базовий індуктор\(L_{B}\) може бути відрегульований так, що до резонатора подається або ємнісна, або індуктивна сприйнятливість. Як буде видно, стабільні коливання можуть бути досягнуті будь-яким способом.