Radioprojekt 2005 Dubbelbalanserad mixer och oscillator Philips SA 612

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Radioprojekt 2005 Dubbelbalanserad mixer och oscillator Philips SA 612"

Johanna Viktoria Jonasson
för 5 år sedan
Visningar:

1 Radioprojekt 2005 Dubbelbalanserad mixer och oscillator Philips SA 612 Handledare Göran Jönsson Grupp 7 Niklas Göransson e98ng Viktor Nilsson e01vn

2 Abstract For this project we have choosen to work with Philips Double-Balanced Mixer and Oscillator, SA 612, to construct the high frequency part of a FM-reciver. The work has mainly consisted of the construction of the input match network, the design of a Clapp oscillator network and the tuning and verification of the above. 2

3 ABSTRACT 2 1 INLEDNING 4 2 PHILIPS SA VAL AV KRETS INGÅNGSSTEGET OSCILLATORN UTGÅNGEN 7 3 MÄTNINGAR 8 4 RESULTAT OCH SLUTSATSER 9 5 ERKÄNNANDE 10 6 REFERENSER 10 BILAGOR 11 1 KRETSSCHEMA 11 3

4 1 Inledning När man skall konstruera en radiomottagare vid en given frekvens så finns det en mängd parametrar och byggblock som skall dimensioneras. Delar som antennförstärkare, ingångssteg och filter med rätt prestanda kontra pris går sällan att köpa som färdiga block. Oscillatorn och blandaren kan man däremot köpa färdiga, vilka oftast klarar ett ganska brett frekvensband och således en mängd olika tillämpningar. I vårt projekt så har vi valt att bygga en rundradiomottagare för FM-bandet kring en sådan krets, nämligen Philips SA 612. Uppgiften har bestått i att göra ett anpassningsnät för ingången samt att konstruera ett Clapp-nät till oscillatordelen. 2 Philips SA Val av krets Figur 1: Blockschema, SA 612 Det var inte helt enkelt att hitta en krets som passade tillämpningen. Hos olika tillverkare finns kretsar innehållande fler eller färre byggblock i en komplett radiomottagare. Kretsen till den här mottagaren borde innehålla en blandare och en oscillator eller åtminstone delar av dessa. Inte alla kretsar är heller anpassade för att användas till rundradio. Exempelvis kan oscillatorfrekvensen avvika från den eftertraktade. Genom att studera datablad för olika kretsar föll valet till slut på Philips SA612 innehållande en blandare i form av en Gilbertcell och delar av en oscillator. Den klarar av insignaler med frekvens upp till 500MHz och lokaloscillator signaler upp till 200MHz. FM radiobandet ligger vid MHz och mellanfrekvensen efter blandaren är 10.7MHz. Därmed passar kretsen tillämpningen bra. I tillämpningen byggdes en Clapp-oscillator av de interna oscillatordelarna och ett yttre nät dimensionerat för att oscillatorn skulle generera lämplig frekvens. 4

5 SA612 har två utgångar och kan kopplas så att en balanserad utgång erhålles. För att ansluta en antenn till ingången på förstärkaren används en kapacitiv tapp. Detta för att dels inte belasta ingången samt för att ge optimal impedansanpassning. På utgången finns däremot inget anpassningsnät då mellanfrekvensförstärkaren inte har en 50Ω ingång 2.2 Ingångssteget Figur 2: Ingångsstegets ekvivalenta kretsschema Insignalen till kretsen spänner över frekvensområdet MHz, det vill säga en bandbredd på 20MHz. Ingången kan som det syns i figur 2 modelleras som en resistans på 1.5kΩ parallellt med en kapacitans på 3pF. Signalkällan till den här kretsen är antingen ett ingångsteg eller en antenn, till vilka båda vi har valt att anpassa oss som om de är 50Ω. Anpassningsnätets uppgift blir alltså att anpassa ett 50Ω motstånd till ett 1.5kΩ kring en centerfrekvens på 98MHz samt med en 3dB bandbredd på 20MHz. Räkningarna blir som följer: Q = f o / B 3dB = 98 /20 " 5 Spolen, 134nH har ett Q - värde på 120, vilket ger en parallellresistans på 10k# Den totala resistansen i kretsen R tot R tot = L $Q $2 $ % $ f 0 = " 800# Den totala kapacitansen i kretsen C tot ' Q ) C tot = =1.9885e &11 " 20pF ( R tot $2 $ % $ f + *) C 1 = 3C 2, fås av resistoranpassningskravet C 1 = 76pF C 2 = 25.3pF 5

6 2.3 Oscillatorn SA612 innehåller delar av en oscillator i form av en transistor samt ett par biaseringsresistorer. Alternativt kan en extern oscillatorsignal matas in. Till tillämpningen behövdes en varierbar oscillator signal mellan antingen 98,7- och 118.7MHz eller mellan och 97.3MHz beroende på om low- eller high-side injection används. Det mest praktiska i det här fallet blev att använda den inbyggda oscillatorn i en Clapp konfiguration med variabel kapacitans för att styra oscillationsfrekvensen. High-side injection används. Figur 3: Clapp Oscillator. Om C 3 << än C 1 och C 2 kommer denna att uteslutande avgöra svängningssfrekvensen. Eftersom de flesta trimkondensatorer har ett litet varierbart område utnyttjades detta. Oscillation fås genom villkoren: X 1 + X 2 + X 3 = 0 (Barkhausens kriterium) β = X 2 +X 3 / X 3 > 1 De tre reaktanserna identifieras lättast genom att rita den generaliserade oscillatormodellen för kretsen. Figur 4: Återkopplingsnät för en oscillator Där: X 1 = L + C 3 X 2 = C 2 X 3 = C 1 6

7 I databladet för kretsen fanns en testkoppling i form av en Colpitt-oscillator med motsvarande C 1 = 5.6pF och C 2 = 22pF. För att lätt kunna trimma kretsen med C 3 valdes fem gånger de föreslagna kapacitanserna och ett godtyckligt värde på L. C 3 beräknades sedan med hjälp av sambandet X 1 + X 2 + X 3 = 0 som en funktion av de andra samt randfrekvenserna. Det kan tilläggas att flertalet olika värden på L provades i formeln innan lämpliga värden på C 3 erhölls. Dessa beräkningar gav L = 480nH C 1 = 27pF C 2 = 100pF f-min = 88MHz -> ->C 3 10pF L = 480nH C 1 = 27pF C 2 = 100pF f-max =108MHz-> ->C 3 5.7pF Kontroll av återkopplingsfaktorn: β = (C 1 + C 2 ) / C Här har vi förutsatt att den kapacitiva tappen är obelastad och eftersom kretsen svängde så finns det ingen anledning att tro att sambandet inte var uppfyllt. En trimkondensator, varierbar mellan 2 och 10 pf valdes som C 3. För att verifiera lokaloscillatorns frekvens användes först en så kallad sniffer, det vill säga en fältprobe som består av en luftlindad spole i ändan på en koaxialkabel. Sniffern används för att för inte belasta oscillatorkretsen under mätningen. Eftersom utgången inte är balanserad fungerade det dock bättre att titta på oscillatorsignalen direkt på utgången. Med en skärmad koaxialkabel slipper man dessutom störsignaler, exempelvis andra radiokanaler vilka sniffern annars lätt plockar upp. Det upptäcktes att oscillationsfrekvensen kunde varieras mellan ca 85-och 115MHz med denna koppling. Genom att byta ut spolen mot en med induktansen 680nH kunde denna frekvens justeras ytterligare lite nedåt och low-side injection användas. 2.4 Utgången Kretsen erbjuder konstruktören en balanserad utgång, vilket leder till att det brus som genereras av kretsen kan minskas. Vi valde dock att inte använda oss av denna, eftersom den IF-krets som kopplas till utgången är bestyckad med ett keramiskt bandpassfilter med en centrumfrekvens på 10.7MHz, vilket kommer att dämpa det mesta av bruset. 7

8 3 Mätningar Figur 5: Blandningsprodukten med tillhörande brus Mätningar på kretsen gjordes med en spektrumanalysator. Insignal var en med signalgenerator genererad signal vid 107MHz (Motsvarande Radio city vilken kan tas emot med högst effekt i labsalen). Drivspänningen (VCC) till kretsen var 5 volt. RF, Insignalnivå LO, Lokaloscillatornivå IF, Mellanfrekvensnivå Brusgolv vid ca 100dBm. 57dBm vid 107MHz dBm vid 96.36MHz -41dBm vid 10.7MHz Conversion Gain för blandaren: G, conversion: IF / RF = 16dB Enligt datablad 17 db vid 45MHz. 8

9 4 Resultat och slutsatser Flertalet problem dök upp under detta projekt. Det första var upptäckten av att SA612 inte innehöll ett förstärkande steg på ingången. Kretsen fungerar trots detta bra som rundradiomottagare. Att rita kretskortslayouten visade sig även det vara svårare än trott. Jordplan och jordpunkter krävde en del justering av den ursprungliga ritningen. Det största felet i den ursprungliga ritningen var dock de två mindre seriekopplade spolarna i oscillatorn som på något sätt motverkade varandra. Efter att ha bytt ut de flesta komponenter i nätet utan att oscillatorn började svänga ersattes dessa två med en dubbelt så stor spole istället. Oscillatorn fungerade därefter utmärkt. Att parasiteffekter kunde göra så stor skillnad från teorin var också en ny erfarenhet. Alla beräkningar i oscillatorn var gjorda för att generera en LO signal högre än RF signalen i frekvens d.v.s. highside injection. Efter ihoplödning av kretsen visade det sig dock att med en mindre justering genererade den en signal lägre i frekvens och lowside injection användes istället i blandaren. Det var en stor fröjd när vi till sist kunde koppla ihop hela mottagaren och lyssna på radio. Tyvärr så blev inte kanalväljaren speciellt lättmanövrerad, det är tämligen svårt att hitta kanalerna när man vrider runt på den variabla kapacitansen. Detta hade man kunnat förbättra genom att köpa en variabel kapacitans som passade oscillatornätverket bättre. 9

10 5 Erkännande Ett speciellt tack för hjälpen med detta projekt vill vi rikta till Göran Jönsson, lektor vid instutitonen för elektrovetenskap Lunds tekniska högskola. Lars Hedenstjerna bidrog med snabb och bra service vad det gällde att framställa kretskortet och förtjänar därmed ett tack ifrån oss. 6 Referenser 1 Datablad för Philips SA 612, 2 L Sundström, G Jönsson and H Börjeson, Radio Electronics, Department of Electroscience

11 Bilagor 1 Kretsschema Variabel C 2-10pF pF 680nH +5V 27pF UT SA pF IN 76pF 134nH 11

Relevanta dokument

Spänningsstyrd Oscillator

Spänningsstyrd Oscillator Referat I det här projektet byggs en delkrets till frekvensneddelare för oscilloskop som inte har tillräcklig bandbredd för dagens höga frekvenser. Kretsen som byggs är en spänningsstyrd