Lokaloscillator för FM-rundradiobandet 98,7-118,7 MHz Andreas Claesson, E00 & Robin Petersson, F00 Handledare: Göran Jönsson Radioprojekt ETI041 Lunds Tekniska Högskola 23 februari 2005 Referat: Denna rapport beskriver designen av en lokaloscillator som ska ingå i en komplett radiomottagare för FM-rundradiobandet 88108 MHz. Oscillatorn är en VCO (Voltage Controlled Oscillator) där frekvensen varieras med spänningen på en VCO-ingång.
Innehåll 1 Inledning 2 2 Utförande 2 2.1 Specikation............................. 2 2.2 Kretslösning.............................. 2 2.2.1 Biasering........................... 3 2.2.2 Resonanskrets........................ 3 2.2.3 Filter............................. 4 2.3 Veriering............................... 4 3 Resultat 5 3.1 Simulering............................... 5 3.2 Veriering............................... 6 4 Sammanfattning 8 5 Erkännande 8 1
1 Inledning För att ställa in frekvensen i en radiomottagare krävs en lokaloscillator som blandar ner RF-signalen till en mellanfrekvens. Mellanfrekvensen som används i detta fallet är 10,7 MHz och lokaloscillatorn är designad för high-side injection, dvs oscillatorn blandar ner signalen från en högre frekvens. Radiomottagaren ska kunna ta emot signaler mellan 88108 MHz vilket innebär att lokaloscillatorns frekvensområde blir 98,7118,7 MHz. 2 Utförande 2.1 Specikation Uppgiften går ut på att konstruera en lokaloscillator. Kraven på denna är att övertonerna ska ligga minst 16 db under grundtonen och inga ickeharmoniska svängningar får överstiga -70 dbc. Uteekten skall vara minst 8 dbm. 2.2 Kretslösning Oscillatorns grundkoppling är en Clapposcillator. Efter oscillatorn nns ett buffertsteg för att förhindra att belastningen påverkar resonansfrekvensen och efter det ett lågpasslter för att dämpa övertonerna. Filtret är ett Chebyshevlter av tredje ordningen och detta valdes pga dess branta karakteristik. Oscillatorn är spänningsstyrd och det löses genom att sätta en spänningsstyrd kapacitansdiod i resonanskretsen. Figur 1: Det slutliga kopplingsschemat 2
2.2.1 Biasering Först bestämdes arbetspunkten för transistorn, och följande värden valdes Detta ger V CC = 12V V CE = 7, 5V I C = 3mA R 4 = R 7 = V CC V CE 12 7, 5 = = 1, 5kΩ I C 0, 003 Dessutom gäller I D I B varför I D = I C valdes. Figur 2: Biaseringsnät för oscillator och buertsteg Sedan beräknades resistanserna i biaseringsnätet till R 3 = R 6 = V CC V BE I C R E 12 0, 7 0, 003 1500 = = 2, 27kΩ I D 0, 003 R 2 = R 5 = V B = V BE + I C R E 0, 7 + 0, 003 1500 = = 1, 73kΩ I D I D 0, 003 2.2.2 Resonanskrets Figur 3 visar karakteristiken för den spänningsstyrda kapacitansdioden C var. Denna i kombination med induktansen L 1 bestämmer resonansfrekvensen i kretsen. 3
Figur 3: Karakteristik för kapacitansdiod BB619 C var = 20 pf ligger mitt i diodens linjära område och därför anpassades mittfrekvensen till detta värde. Induktansen i resonanskretsen beräknades till f 0 = 1 2π 1 L 1 L 1 C var (2π 110 10 6 ) 2 = 104pH 20 10 9 vilket gäller om (C var heter D 1 i gur 1) C 3 C var, C 4 C var 2.2.3 Filter Filtret är ett Chebyshevlter av tredje ordningen med gränsfrekvenserna f 1 = 119MHz, f 2 = 140MHz Detta gav de relativa komponentvärdena (från tabell) L 2 = L 3 = 2, 0236, C 5 = 0, 9941 som ger de absoluta komponentvärdena 2.3 Veriering L 2 = L 3 = R S L 50 2 = 2, 0236 = 0, 14µH ω 0 2π 119 106 C 5 = 1 C 1 5 = ω 0 R S 2π 119 10 6 0, 9941 = 26, 59pF 50 På oscillatorns utgång sitter en BNC-kontakt som kopplades in till en spektrumanalysator. Ett spänningsaggregat användes för att mata kretsen med 12 V samt för att ge olika styrspänningar till VCO-ingången så att oscillationsfrekvensen kunde varieras. 4
När den teoretiska konstruktionen provades upptäcktes framför allt att uteffekten var alldeles för låg. För att åtgärda detta sänktes först R 4 och R 7 för att driva mer ström genom transistorerna. Då ökades alltså I C från 3 ma till ca 40 ma. Eftersom det då öt väsentligen mer ström genom transistorn ökade dess förstärkning. Oscillatorn blev då betydligt mer känslig för störningar och utsignalen blev väldigt oren. Därför sänktes också C 3 och C 4 för att återfå en ren utsignal. När dessa sänktes så ökade också uteekten markant. Resonansfrekvensen ändrades dock och L 1 ck ökas (ganska mycket) för att få rätt frekvensområde igen. Detta upprepades och olika värden provades för att uppnå optimalt resultat. 3 Resultat 3.1 Simulering Efter ganska mycket provande och funderande så fungerade äntligen simuleringen. Det såg bra ut i datorn och komponenterna kunde varieras för att undersöka hur det påverkade resonansfrekvens och uteekt. Även om simuleringen var till ganska stor hjälp i början så stämde det inte helt med verkligheten. Komponentvärdena ck ntrimmas i efterhand med hjälp av papper och penna samt lite sunt förnuft. Till slut fungerade konstruktionen och uppfyllde specikationen. Figur 4: Den färdiga kretskonstruktionen Avkopplingskondensatorn vid spänningsmatningen sitter direkt på spänningsaggregatet och syns ej i gur 4. 5
3.2 Veriering Figur 5 visar uteekten för hela det aktuella frekvensområdet. Figur 5: Uteekten över hela frekvensområdet I guren benner sig Marker 1 vid 98,7 MHz som är den lägsta frekvensen och visar där 8,02 dbm vilket är precis på gränsen för att uppfylla specikationen. Deltamarker 1 visar att det skiljer 1,43 db i uteekt mellan lägsta och högsta frekvens i området. Figur 6 visar grundton och första överton samt eektskillnaden mellan dessa. Figur 6: Grundton och första överton Deltamarker 1 visar att det skiljer 20,15 db mellan grundton och första 6
överton vilket mer än väl uppfyller specikationen. Figur 7 visar oscillatorns långtidsstabilitet. Figur 7: Oscillatorns långtidsstabilitet Mätningen är gjord under ca 20 min och i guren har oscillatorn drivit runt 10 khz vilket kan anses som klart godtagbart. Tilläggas kan att oscillatorn är extremt känslig för temperaturväxlingar så denna mätning är gjord i rumstemperatur utan yttre påfrestningar. Figur 8 visar hur oscillatorns frekvens varierar kraftigt vid kylning med kylspray. Figur 8: Oscillatorn driver i frekvens vid nedkylning Figuren visar att oscillatorn driver ungefär 500 khz vid nedkylning (ganska kraftig sådan). 7
4 Sammanfattning Projektet har varit mycket spännande och intressant. Hela konstruktionskedjan har kunnat följas från kretslösning och beräkning via simulering till konstruktion och veriering. Detta ger en mycket god helhetsuppfattning om hur det går till att designa en del av ett radiosystem. 5 Erkännande Vi vill tacka Göran Jönsson för all hjälp och alla goda råd som vi fått på vägen. Även de två konsulterna från Sony Ericsson, Johan Cederquist och Filip Jörgensen, har varit till hjälp och kommit med förslag och glada tillrop. 8
Referenser [1] Börjeson, H. Jönsson, G. Sundström, L., Radio Electronics, Lund (2004) [2] Young, Paul H., Electronic Communication Techniques, Pearson Prentice Hall (2004) 9