Spänningsstyrd Oscillator

Transkript

1 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 Clapp-oscillator som ska oscillera på ett kontrollerat sätt i frekvensspannet 50 till 100 MHz Peter Persson E05 Christoffer Cederberg E06 Handledare: Göran Jönsson Institutionen för Elektro- och informationsteknik Lunds Tekniska Högskola VT2010

2 Innehållsförteckning Inledning Design Oscillatorn Biasering Svängning Avstämningsnät Buffertsteg Filter Anpassningsnät Konstruktion Mätningar Oscillator Buffertsteget Filter Anpassningsnät Resultat Teori mot praktik Erkännande Referenser... 8 Appendix A Biasering... 9 Appendix B Svängningskriterium Appendix C Avstämningsnät Appendix D Filterdesign Appendix E Kretsschemat

3 Inledning Idén till det här projektet kom fram när vi behövde mäta högfrekventa signaler med ett gammalt oscilloskop. Men då oscilloskopets bandbredd var otillräcklig behövs något som blandar ner frekvensen på signalen till det område oscilloskopet klarar av. I figur 1 syns ett enkelt blockschema vilket beskriver hur konstruktionen är tänkt. Figur 1: Blockschema över frekvenneddelare För att få klart projektet inom utsatt tid fokuserar vi på att endast bygga de fyra blocken som är markerade. Då båda oscillatorerna ska anslutas till en blandare är det tänkt att alla blocken som hör till RF- respektive LO-signalen, konstrueras lika vad gäller biasering och utamplitud. Den enda skillnaden på de fyra övre och de fyra undre blocken kommer vara frekvensspannet, då de översta ska konstrueras för MHz och de under för MHz. 1. Design Projektet består av fyra olika byggblock. Först konstrueras en oscillator för det givna frekvenserna MHz, denna kopplas sedan till ett buffertsteg för att anpassa utsignal, förstärkt eller dämpad. Efterföljande steg är ett filter som dämpar övertoner och till sist går signalen igenom ett anpassnings/fördelningsnät för vidare inkoppling till mixer- och prescaler. 1.1 Oscillatorn För att enkelt kunna styra frekvensen på oscillatorn valdes en Clapptopologi. Transistorn BFR520 [3] valdes då den har de karakteristiska egenskaperna som söks. Denna är kopplad i gemensam kollektor vilket ger en låg utimpedans för att minska lastens inverkan på oscillator. 2

4 1.1.1 Biasering Figur 2: Biaseringsnät till transistorn För att kunna få oscillatorn att fungera på valt arbetsområdet behövs ett biaseringsnät till transistorn. En biaseringsström I C =6mA valdes för att få ett sving över transistorn på 3 V vilket medför g m =231mA/V. Då vi har ett β 0 på 100 ger det att I B =60µA, för att vara på säkra sidan valdes sedan I D =1mA. Uträkningarna för resistorerna finns i Appendix A Svängning Figur 3: Oscillatormodell För att kunna få kretsen att självsvänga på ett kontrollerat sätt krävs det att vissa kriterier är uppfyllda. I enlighet med Barkhausens svängningskriterium krävs att Aβ är 1, men i praktiken är det bra att detta är något större, för att säkerställa oscillering. Det beräknade Aβ blev 1,46. För beräkningar hänvisas till Appendix B 3

5 1.2 Avstämningsnät Figur 4: Schema över avstämningskretsen till dioden För att få den spänningsstyrda kapacitansdioden BB152 [2] att variera mellan det önskade kapacitanserna 21 pf till 47 pf konstruerades ett spänningsdelningsnät där backspänningen över dioden ställs med hjälp av en potentiometer. Se Appendix C för uträkningarna. 1.3 Buffertsteg Figur 5: Buffertsteg 4

6 Ett buffertsteg i GE-konfiguration med varierbar förstärkning designades för att kunna välja rätt nivå på signalen till mixern. För komponentvärden se Appendix E. 1.4 Filter Figur 6: 5:e ordningens lågpassfilter I filterberäkningarna dyker ett stort problem upp. Då filtret ska klara av att dämpa första övertonen minst 15dB behövs ett väldigt snävt filter. Bland annat för att detta kan vara svårt att konstruera bestämde vi oss för att ändra frekvensintervallet på oscillatorn till MHz då detta inte påverkar anordningen som kretsen ska användas till. Resultatet blir då att första störande överton ligger på ett så stort avstånd från grundfrekvensen att ett 5:e ordningens filter skulle räcka. Komponentvärdena för filtret blir: Komponent Uträknat värde Verkligt värde L 1 24,6 nh 27 nh C 1 25,8 pf 27 pf L 2 79,6 nh 82 nh C 2 25,8 pf 22 pf L 3 24,6 nh 27 nh Tabell 1: Komponentvärden för filter Se appendix D för filterberäkningen. 5

7 Figur 7: Graf över dämpningen i filtret I figuren ovan syns dämpningen från filtret i frekvensintervallet MHz. Vid frekvensen 320 MHz där vår första överton ligger erhålls en dämpning på 20 db vilket är något bättre än kravet i specifikationen. 1.5 Anpassningsnät För att kunna ta ut olika nivåer på signalerna används ett resistansnät. Hela paketet ses som en last på 50 Ω Figur 8: Anpassningsnät 6

8 2. Konstruktion Kretsschemat för hela projektet ritades upp och simulerades och vi kunde se att oscillatorn svängde för givna frekvenser samt att filtret dämpade de oönskade signalerna. Därefter gjordes en layout i ett cadprogram, efter etsningen av kortet löddes komponenterna dit. Se appendix E för kretsschemat. Figur 9: Layouten till oscillatorn 3. Mätningar 3.1 Oscillator En spektrumanalysator kopplades på utgången och följande mätningar gjordes: Frekv (MHz) Effekt (dbm) Backspänning* (V) Backspäning* ~ späningen över dioden. 3.2 Buffertsteget Med buffertsteget i serie med oscillatorn uppmättes nedanstående värden: Frekv (MHz) Effekt (dbm) Backspänning (V) Max* Min* X X X X Max* ~ maximal förstärkning Min* ~ minimal förstärkning 7

9 3.3 Filter Vi har tyvärr inte fått filtret att dämpa som vi har planerat för, antagligen beror det på missanpassningar när vi mäter. 3.4 Anpassningsnät Fungerar som beräknat. 4. Resultat Resultaten från mätningarna var bättre än väntat. Då bara oscillatorn mättes fick vi den att svänga mellan frekvenserna 166 till 240 MHz, vilket var en större bandbredd än det vi hade räknat på, dock var den lite förskjuten men genom att ändra lite på de fasta kondensatorerna kan man få ner frekvensen ytterligare 6 MHz och på så vis hamna närmare specifikationen på MHz. När vi anslutit bufferten till oscillatorn och utförde samma mätningar fick vi en ännu oscillation som stämde bättre med vår givna specifikation, då den oscillerade mellan 152 MHz till 220 MHz. Mätningarna från filter var dock inte som förväntat då det inte betedde sig som väntat. Detta beror antagligen om en missanpassning i ingången eller utgången på kretsen vilket gjorde att den inte dämpade korrekt. 4.1 Teori mot praktik När projektet skissades upp var tanken att oscillatorn skulle svänga mellan MHz. Men då detta skulle kräva ett stort filter för att kunna dämpa övertoner valde vi att höja frekvensspannet då detta inte påverkade användningen av kretsen. Teoretiska uträkningar och simuleringar visade att filtret skulle dämpa våra oönskade signaler, men när vi undersökte filtret gav det inte den önskade effekten. Detta är säkerligen en effekt av missanpassning i ingångs- eller utgångsresistansen till filtret. 5. Erkännande Göran Jönsson för genomgående hjälp med projektet. Lars Hedenstjerna för hjälp med etsningen av kortet. Fredrik Cederberg för beställningen av komponenterna till kretsen. 6. Referenser [1] L. Sundström, G. Jönsson and H. Börjeson, Radio Electronics, 2004 [2] Datablad för BB152 URL: [3] Datablad för BFR520 URL: 8

10 Appendix A Biasering Variabler Teoretiska värden Verkliga värden V CE 3 V 3 V I C 6 ma 6,3 ma I D 1 ma 1 ma R 1 2,4 kω 2,4 kω R 2 9,6 kω 10 kω R 3 1,5 kω 1,5 kω Tabell 2: Biasering Resistorerna beräknades ut med hjälp av formlerna: 9

11 Appendix B Svängningskriterium Figur 10: Oscillatormodell X 1 =D 1 +L 1 +C 3 X 2 =C 5 X 3 =C 4 10

12 Appendix C Avstämningsnät Beräkning av kapacitansen C D1 Beräkning av matningsnätet till kapacitansen 11

13 Appendix D Filterdesign Ett udda filter ger enligt Butterworth tabell normaliseringsvärdena: L 1 =0.618 C 1 =1.618 L 2 =2.000 C 2 =1.618 L 3 =0.618 Med ett R s på 50 Ω och en centerfrekvens på 200 MHz erhålls komponentvärdena: Komponent Uträknat värde Verkligt värde L 1 24,6 nh 27 nh C 1 25,8 pf 27 pf L 2 79,6 nh 82 nh C 2 25,8 pf 22 pf L 3 24,6 nh 27 nh Tabell 3: Komponentvärd för filter 12

14 13 Appendix E Kretsschemat