5.10: Резюме

Last updated
Save as PDF

Page ID: 34169

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цей розділ присвячений дизайну двох категорій мікрохвильових осциляторів: генераторів фіксованої частоти та VCO. Всі НВЧ-генератори можна вважати підсилювачем з мережею зворотного зв'язку з підсилювачем, що встановлює амплітуду коливань, і мережею зворотного зв'язку, яка встановлює частоту коливань. Крім того, майже всі мікрохвильові генератори можна розглядати як осцилятори відбиття, в яких активний пристрій з відповідним зворотним зв'язком представляє негативний опір або еквівалентно негативну провідність лінійної частотно-селективної ланцюга. Чи використовується конструкція, заснована на негативній провідності або негативному опорі, залежить від того, який опір або провідність зменшуються в міру збільшення рівня сигналу. Оскільки транзистори, по суті, є джерелами струму, керованими напругою, і струм має тенденцію насичуватися на високих вихідних рівнях, природний погляд полягає в тому, щоб розглядати генератори на основі транзисторів як мають негативну провідність, яка зменшується за величиною зі збільшенням рівня сигналу. При негативній провідності відбиття осциляторів частина або вся мережа зворотного зв'язку з'являється у вигляді лінійної двухполюсной, тобто однопортової, ланцюга паралельно з негативною провідністю від активного пристрою. Цю двухклемную схему часто називають резонаторної або танковою схемою.

У розділі представлено два тематичні дослідження конструкції осцилятора. Це дозволило проілюструвати проектні рішення, які не могли бути представлені алгоритмічно. Хоча в дослідженнях дизайну розглядаються загальні конструкції Колпітта, принципи застосовуються до інших типів осциляторів. Тим не менш, ядро осцилятора загального базу/загального стоку Colpitts виявилося, що дає мікрохвильові VCO із зоряною продуктивністю. RFIC обов'язково використовують диференціальні схеми, але навіть тоді вони зручно сконструйовані як осцилятори негативної провідності. Розгляд проблеми проектування як взаємопов'язаних однопортових схем значно спрощує компроміси конструкції, і тому полегшує досягнення оптимального ГУН.

Конструкція ГУН є найскладнішою з мікрохвильових конструкцій зі значними компромісами низького фазового шуму, стабільності, широкого діапазону настройки, швидкого включення перехідного процесу, високої вихідної потужності та високої ефективності. Кілька десятиліть тому осцилятори з фіксованою частотою були найбільш поширені. Завдяки цим мережа зворотного зв'язку включає в себе\(Q\) високорезонансний елемент, що призводить до того, що фазовий шум на коливальному сигналі є незначним майже у всіх мікрохвильових додатках. Високочастотний\(Q\) резонатор генераторів фіксованої частоти значною мірою забезпечує одну частоту роботи, а бажаний вихід постійної амплітуди забезпечується за рахунок забезпечення активного пристрою надходить насичення. З ГУН стабільності досягти не так просто. Стабільність тут відноситься до генератора, що виробляє синусоїду однієї частоти і постійної амплітуди.

У VCO резонатор майже завжди відносно низький\(Q\), оскільки він повинен бути змінним. Тоді основною проблемою в конструкції генератора є фазовий шум, що з'являється на вихідному сигналі. Управління фазовим шумом є складним, оскільки походження фазового шуму недостатньо відомі, і тому фізично засновані моделі пристроїв, які дозволять точно визначити фазовий шум у комп'ютерному моделюванні радіочастотної схеми, недоступні. Для неконкурентних VCO існує багато джерел шуму, крім внутрішнього фазового шуму активного пристрою, які домінують над фазовим шумом вихідного сигналу. Наприклад, відомо, що вгору-перетворення низькочастотного шуму та понижаюче перетворення гармонічного шуму виробляють фазовий шум генератора. Однак, як тільки ці джерела фазового шуму зведені до мінімуму в конструкції, залишається внутрішній компонент фазового шуму. Саме цей фазовий шум, властивий активним пристроям, викликає занепокоєння конкурентного дизайну ГУН. Хоча походження внутрішнього фазового шуму в добре розроблених осциляторах не повністю зрозумілі, існують найкращі практики, які мінімізують зв'язок зовнішнього шуму з коливальним сигналом. Зовнішній шум на низьких частотах буде перетворений вгору, якщо не буде обережним. Хорошою практикою проектування є усунення низькочастотних шумів від джерела живлення та від джерела напруги настройки для VCO. Деякі більш конкретні рекомендації:

Гарне заземлення потрібно при розв'язці конденсаторів між живленням і землею.
Слід приділити увагу шляху повернення сигналу для джерела напруги живлення та налаштування, щоб уникнути загальної муфти імпедансу. Будь-який шум на настроювальній напрузі в ГУН призведе до фазового шуму на виході ГУН. У мікросмужковій схемі лише мінімальний метал на мікросмужковому шарі повинен бути видалений плаваючим металом, з'єднаним із землею через кілька переходів. Це пригнічує режими підкладки, мінімізує паразитарне зчеплення та мінімізує електротермічні пасивні інтермодуляційні спотворення.
Вихід генератора повинен керувати резистивним навантаженням, і зазвичай використовується резистивна колодка (тобто атенюатор) з подальшим смуговим фільтром. Це зменшує вплив навантаження на частоту коливань. Також прийнято ізолювати контур резервуара від навантаження, як це було помічено в тематичних дослідженнях, представлених у цьому розділі.
Внутрішні шляхи генератора повинні бути якомога меншими, щоб мінімізувати зв'язок шуму з навколишнім середовищем.

ГУН може бути включений у фазовий контур, який додатково зменшує фазовий шум і блокує генератор до низькочастотної високостабільної частотної опорної частоти. Частота коливань потім контролюється дробовим поділом частоти в фазовому контурі.