Xem mẫu
- HộiHội
Thảo Quốc
Thảo QuốcGia
Gia2015
2015về
về Điện Tử, Truyền
Điện Tử, ThôngvàvàCông
Truyền Thông CôngNghệ
Nghệ Thông
Thông Tin Tin (ECIT
(ECIT 2015)
2015)
Thit K và Ch To B Dao ðng VCO Băng S
Rng Mt Octave
Nguyn Tn Nhân
B Môn Vô Tuyn, Khoa Vin Thông II,
Hc Vin Công Ngh Bưu Chính Vin Thông cơ s Tp. H Chí Minh
Email: tannhan2000@yahoo.com
Abstract—Bài vit này trình bày phương pháp thit k và ch to mt
b dao ñng ñiu khin ñin áp bng phương pháp phn x, hot
ñng băng S có ñ rng mt octave2GHz ñn 4GHz. Mch s Power
dng transistor BJT cu hình cc base chung ni trc tip xung ñt
ñ to ngun ñin tr âm, kt hp vi diode bin dung gi vai trò như supply
b cng hưng. Ngun cung cp 12 Volts và 5Volts, mc ra nm
trong khong 14,5 dBm ñn 17,5 dBm và nhiu pha 60dBc/Hz cách
sóng mang 10kHz.
Resonator Active device Matching net
I. GII THIU
ΓR
Các b dao ñng VCO là mt b phn không th thiu
trong các máy ño, ra ña và h thng thông tin vô tuyn như các ΓIn
máy phân tích ph, phân tích mng vô hưng, phân tích mng
vector, máy thu phát ña băng… Thách thc ln nht ñi vi Hình 1. Mô hình mch dao ñng ñin tr âm.
các k sư thit k các b dao ñng là ñ sch pha ñưc ñánh
giá bng ñ nhiu pha nht là các b dao ñng VCO có di tn II. THIT K
hot ñng rng, thưng hai ch tiêu này ngưc nhau. Trưc ñây
trong thit b truyn thng ñ ñt ñưc các mc tiêu trên, các Mô hình dao ñng phn x gm có các thành phn trình bày
nhà sn xut thưng dùng dao ñng YIG – Yttrium Iron Garnet trên Hình 1, khi cp ngun, phn t tích cc ñ to ngun
– mt loi vt liu st t ñc bit, khó ch to, kích thưc ln ñin tr âm, b cng hưng xác lp tn s dao ñng ca mch
nên giá thành rt cao dù chúng có ñ tuyn tính tt. và mng phi hp tr kháng ngõ ra. Nhm ñt ñưc di tn
trên, mi phép tính phi ñưc thc hin ti tn s gia di:
Trong bài này trình bày phương pháp thit k và ch to f 0 = 2 × 4 = 2.828 MHz.
mt b dao ñng VCO có di tn rng mt octave nhm khc
phc các yêu cu trên vi vt liu, linh kin thông dng, kích ð mch dao ñng khi ñng ñưc phi tha ñiu kin sau
thưc nh và ñc bit là giá thành r. [3], [4]:
Dao ñng phn x thc cht là dao ñng s dng ngun
ñin tr âm to ra t linh kin tích cc ñ bù li suy hao ca b Γ*R × Γ In ≥ 1, (1)
cng hưng ñã ñưc trình bày nhiu trong các tp chí chuyên *
trong ñó, Γ là h s phn x liên hip phc ca b cng
R
ngành; ñc bit Silver J. P. [1]. Phương pháp thit k tn dng
hưng và Γ In là h s phn x ngõ vào ca phn t tích cc;
ñc tính không n ñnh ti ưu vn có ca linh kin tích cc
ñưc chn ngay ti tn s thit k; ñng thi s dng cu hình ñây chính là S11 .
cc base chung trc tip ni ñt ñ nâng phm cht n ñnh Nói cách khác, ta có th vit li phương trình (1) như sau:
nhit ca mch. Mch cũng có vài hn ch như phi dùng
ngun ñôi, nhiu pha và ñ tuyn tính thp, tuy nhiên d dàng 1 1
khc phc các hn ch trên ñưc trình bày trong phn kt lun. Γ*R ≥ = , (2)
Γ In S11
Mch ñưc xây dng trên tham s S tín hiu nh ca linh
kin, tuy nhiên vì s dng phn mm AWR [2], nên có th s
hay biên ñ S11 và S22 phi ln hơn và h s n ñnh K phi
dng phương pháp cân bng hài ñ mô phng tuyn tính cũng nh hơn ñơn v, ñng thi ñ mch d khi ñng ti thiu biên
như phi tuyn. ñ S11 ≥ 1, 2 [5].
Phn còn li ca bài báo ñưc t chc như sau: trong phn Mc ñích to dao ñng là làm cho linh kin tích cc hot ñng
II, chúng tôi miêu t phương pháp thit k. Trong phn III, trong min bt n ñnh ca chúng. Như vy phi xét hot ñng
chúng tôi thc hin các thc nghim và ño th. Cui cùng, các ca linh kin cu hình ñưc chn có tha mãn hay không,
kt lun ca bài báo ñưc trình bày trong phn IV. nu không, phi kt hp vi các linh kin th ñng bên ngoài
102
ISBN: 978-604-67-0635-9 102
- HộiHội
Thảo Quốc
Thảo QuốcGia
Gia2015
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thông vàCông
Thông và CôngNghệ
Nghệ Thông
Thông TinTin (ECIT
(ECIT 2015)
2015)
ñ ñưa linh kin vào vùng bt n ñnh bng cách phân tích ma B. Phân tích phi tuyn
trn tham s S tín hiu nh ca nó. Trong thit k này, Phân tích tuyn tính ch cho bit hot ñng gn ñúng ca
transistor 2SC4226 [6] ca CEL – California Eastern mch dao ñng, ñ bit chính xác ph ngõ ra, h s nhiu
Laboratories ñưc s dng làm phn t tích cc ñ to ñin pha... chúng ta cn phân tích mô hình phi tuyn bng phương
tr âm,b cng hưng dùng hai diode bin dung BB833 [7] ca pháp cân bng hài. ðu tiên cũng dùng phn mm AWR ñ
Infineon ni ñu lưng nhau dùng ñiu khin tn s VCO. xác ñnh ñim phân cc cho transistor như trên Hình 3. Các
ñin tr =R1 140 , R = 2 120 kt hp vi các ngun
A. Phân tích tuyn tính
VC = 12 V và VE = −5 V , gii hn dòng và to ñin th
T bng tham s S ca transistor ñim phân cc
Vc = 10 (V), I c = 30 (mA); t ñó chúng ta xây dng cu hình VCE ≈ 10 V và I C = 29,8 mA .
BC cho transistor và s dng AWR mô phng tuyn tính ta Vì Γ R ≈ 1∠ − 82, 08 nên b cng hưng phi có tính thun
nhn ñưc kt qu cho các tham s S11 , S22 và h s ñnh K dung kháng ñ cng hưng vi ñin cm ngõ vào ca linh
như trên Hình 2. Trong ñó ta thy = S11 1.535 > 1 , kin tích cc; giá tr dung kháng xác ñnh trên Smith
=S22 1.483 > 1 và K = −0, 6733 < 1 có giá tr gn ti ưu ti chart 51, 76 . Giá tr t ñin tương ng:
tn s 2,828GHz. Như vy phn t tích cc s dao ñng nu
vào cc E ca nó mt b cng hưng thích hp và ngõ ra kt 1 1
C= =
cui R=
L 50 [1]. 2π × f × X C 2π × 2828 × 106 × 51, 76 (3)
= 1, 09 ( pF ) .
Vì S11∠82.08 nên t (2) ñơn gin là ñt mt phn t cng
hưng ñ có h s phn x Γ R ≈ 1∠ − 82, 08 vào cc E DCVS
ID=V2
DCVS
ID=V1
V=5 V
transistor thì mch s dao ñng.
V=12 V
S parameter
1.6 0.5 CAP CAP
CAP
2.828 GHz |S(1,1)| (L) ID=C4 ID=C2
ID=C3
C=100 pF
1.535 C=1 pF C=330 pF
Linear IND
ID=L1
IND
ID=L2
L=47 nH L=47 nH
1.4 |S(2,2)| (L) 0.2
Linear
2.828 GHz
1.483 K() (R)
1.2 -0.1
Linear RES
ID=R1
RES
ID=R2
R=140 Ohm R=120 Ohm
PORT
SUBCKT CAP P=1
ID=S3 ID=C1 Z=50 Ohm
C=100 pF
1 -0.4 NET="NE85630/CEL"
2.828 GHz
E
C
3 2
-0.6733
B
OSCAPROBE 1
0.8 -0.7 CAP
ID=C5 ID=X1
Fstart=1 GHz MSUB
C=1.09 pF
Fend=5 GHz Er=4.6
Fsteps=200 A H=0.75 mm
Vsteps=30 T=0.017 mm
Rho=1
0.6 -1 Tand=0.025
ErNom=4.6
VIA1P Name=SUB1
1 2 3 4 5 ID=V5
VIA1P
ID=V4
D=0.8 mm D=0.8 mm
Frequency (GHz) H=0.75 mm
T=0.017 mm
H=0.75 mm
T=0.017 mm
RHO=1 RHO=1
Hình 2a. Biên ñ S11 , S22 và K. Hình 3. Mch dao ñng tn s xác ñnh 2.828 MHz.
S Ang Spectrum
200 25
2.828 GHz DB(|Pharm(PORT_1)|)[*,*] (dBm)
2.828 GHz 20 16.92 dBm OSC
82.08 Deg
100 15
Power output (dBm)
5.656 GHz
8.683 dBm
10
0
5
2.828 GHz
-97.56 Deg 0
8.484 GHz
-100 -5.515 dBm 11.31 GHz
Ang(S(1,1)) (Deg) -5 -7.677 dBm
Linear
Ang(S(2,2)) (Deg)
Linear -10
-200 0 5 10 14
1 2 3 4 5 Frequency (GHz)
Frequency (GHz)
Hình 4a. Ph ngõ ra b dao ñng.
Hình 2b. Pha tương ng ca S11 và S22 .
103
103
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Vì mô hình ca diode bin dung thc hin tn s thp, nên
Phase_noise các ñin cm ký sinh ca dây ni t chip diode ñn chân hàn
10
linh kin LS = 2, 2 nH , ñt ni tip vi ñin cm ngõ vào phn
0
t tích cc 2,9 nH kt hp vi ñin cm l xuyên thông [8]. Do
-20 ñó, ñin cm toàn phn ca mch vào là
Phase noise [dBc/Hz]
-40 0.01 MHz
-59.38 dB L∑ = 2,9 nH + 2, 2 nH + 0, 2 nH = 5, 3nH. (5)
-60
Giá tr t cng hưng s là: 0,59 pF tương ng vi ñin th
-80
phân cc cho hai diode 14,94 V.
-100
Mch cng hưng, phn t tích cc kt hp vi b mô
-120 phng cân bng hài AWR to VCO hoàn chnh ñưc trình bày
.0001 .001 .01 .1 1 trên Hình 6 (xem ñu trang k tip) và Hình 7 cho kt qu mô
Frequency
phng di tn b dao ñng theo ñin th ñiu khin.
Hình 4b. Nhiu pha.
Kt qu trên Hình 7 cho thy tn s ngõ ra thay ñi t 1.921
MHz ñn 4.045 MHz khi ñin th ñiu khin bin ñi tương
Sau khi ni t ñin có giá tr 1,09 pF vào cc E và mô ng t 6V ñn 35V. Quan h này tương ñi tuyn tính vi
phng. Kt qu trên Hình 4 là ph tn ngõ ra và nhiu pha ca KVCO ≈ 70 MHz/V .
b dao ñng. Mc ñin ngõ ra ti thành phn căn bn
16,92dBm, hài bc hai 8, 683dBm , hài bc ba −5,515dBm
V TUNE
và nhiu pha 59,38 dBc t v trí lch sóng mang 10 KHz. 5
35 V
Trong phn tip theo, ta tính toán dao ñng VCO có tn s 4.045 GHz
kim soát bng diode bin dung. T mch dao ñng tn s c 4
Frequency (GHz)
ñnh, ñin cm ngõ vào tương ñương: 14.94 V
2.828 GHz
3
1 1
=L =
ω 2C (2π f ) 2 × C 2
1 6V
OSC_FREQ()[*,X] (GHz)
= (4) 1.921 GHz
OSC
(2π × 2828 ×106 ) 2 ×1, 09 × 10−12 1
≈ 2,9 ( nH ) .
6 16 26 35
Volts (V)
Như vy, bây gi nu thay th t ñin có giá tr xác ñnh
bng diode bin dung ta s ñưc mt b dao ñng có tn s
kim soát bng ñin th VCO. ðng thi ñ ci thin ñ tuyn Hình 7. Tn s ngõ ra b dao ñng VCO theo ñin áp ñiu khin.
tính và gim ñin th ñiu khin; ta s dng cp diode bin III. THC NGHIM VÀ ðO TH
dung BB833 ni –lưng ñu lưng cho b cng hưng. Trên hình
Hình 5 là kt qu mô phng ñin dung ca chúng theo ñin áp
ñiu khin.
Linear Cv vs Voltage
5
4
Capacitance (pF)
3
2
14.94 V
0.5865 pF
1
6V
1.367 pF
0
0 10 20 30 40
Voltage (V)
Hình 8. Mch dao ñng VCO thc t.
Hình 5. ðin dung theo ñin áp ca hai diode BB833 ni –back to
back.
104
104
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
DCVS DCVS
ID=V2 ID=V1
V=5 V V=12 V
CAP
CAP CAP
ID=C3
ID=C4 ID=C2
C=100 pF
C= 1 pF C=330 pF
IND IND
ID=L1 ID=L2
L=47 nH L=47 nH
RES RES
ID=R1 ID=R2
R=140 Ohm R=120 Ohm
PORT
SUBCKT CAP RES P=1
ID=S3 ID=C1 ID=R3 Z=50 Ohm
NET="NE85630/CEL" C=100 pF R=1 Ohm
SUBCKT
E
C
ID=S2 100 3 2
NET="BB833"
B
1
RES
ID=R4
R=10000 Ohm
200
200
A
DCVSS OSCAPROBE
ID=V3 SUBCKT MSUB
ID=X1
VStart=14.94 V ID=S1 Er=4.6
Fstart=1 GHz VIA1P
VStop=14.94 V NET="BB833" H=0.75 mm
Fend=5 GHz ID=V4
VStep=0 V T=0.017 mm
Fsteps=200 D= 0.8 mm Rho=1
CAP Vsteps=30 H= 0.75 mm Tand=0.025
ID=C5 T= 0.017 mm ErNom=4.6
C=330 pF 100 RHO=1 Name=SUB1
VIA1P
ID=V5
D= 0.8 mm
H=0.75 mm
T= 0.017 mm
RHO=1
Hình 6. Mch dao ñng VCO rng mt Octve.
Bng 1: So sánh ch tiêu, kt qu mô phng và thc nghim b dao ñng.
Tham s Ch tiêu Mô phng Thc nghim ðơn v
ðin th ngun
VC 12 ± 0,5 12 12 ± 0,5
VE 5 ± 0,5 5 5 ± 0,5 Volts
VCONT (635) ± 0,5 635 (635) ± 0,5
Dòng ngun 30 29,8 30,3 mA
Di tn 24 1,921 – 4,045 1,860 – 3,980 GHz
Công sut ngõ ra 16 16,92 13,4 dBm
Nhiu pha 10KHz 60 59,38 46,4 dBc/Hz
Hài 30 25,6 x dBc
105
105
- HộiHội
Thảo Quốc
Thảo Gia
Quốc 2015
Gia 2015vềvềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThông và Công
Thông và CôngNghệ
NghệThông
ThôngTinTin (ECIT
(ECIT 2015)
2015)
Mch dao ñng VCO ñưc thc hin bng phn mm Sprint
layout trên nn FR4. Transistor 2SC4226 ñóng trong v
SOT343, diode bin dung BB833 ñóng v SOD323, các cun
cn cao tn RFC và t ñin dáng kích thưc 0805. Hình 8
trình bày bo mch thc hin cui cùng trong ñó kt hp mch
suy hao 10dB, lc thông thp có tn s ct f cut −off = 4,5GHz
và mch MMIC ERA6, mc ñích cách ly ti và bo ñm mc
ra khong 40 mW.
Kt qu ño th di tn thp hơn mt ít so vi thit k
1860 MHz − 3980 MHz . Trên Hình 9 và 10, mc ñin ngõ ra
ti tn s 2.828 MHz là 13, 4 dBm , vi suy hao ngoài 25dB ,
nhiu pha 46, 4 dBc/Hz ti v trí lch vi sóng mang
10 ( kHz ) . Các giá tri này thp hơn so vi giá tr mô phng
Hình 10a. Nhiu pha ca mch dao ñng.
tương ng 3,52 dB và 13dB .
Bng 1 (xem trang trưc) cho kt qu thc t ño ñưc so vi
ch tiêu kỳ vng và kt qu mô phng.
I. KT LUN
Tin trình thit k và thc hin mch dao ñng VCO băng
tn S rng mt octave ñưc trình bày và kt qu ñt thc
nghim ñưc: Di tn 1860 MHz − 3980 MHz tương ng vi
ñin áp ñiu khin thay ñi t 6 ( V ) − 35 ( V ) , mc RF ngõ ra
13, 4 ( dBm ) và nhiu pha 46, 4 ( dBc/Hz ) . So vi mc tiêu ñ
ra, kt qu ño ñt thc t có di tn thp hơn kt qu mô phng
4% do ñin cm, ñin dung ký sinh ca các ñim hàn chân linh
kin không ñưc ñưa vào trong mô hình. Mc RF ngõ ra thp
hơn giá tr mô phng 3,5dB vì s dng vt liu nn FR4 có suy
Hình 10b. Nhiu pha ca mch dao ñng.
hao tương ñi ln δ = 0, 025 ; và cui cùng, diode bin dung có
h s phm cht thp R = 3, 6 nên nhiu pha thp hơn TÀI LIU THAM KHO
s
[1] Silver J. P. Reflection Oscillator Design Tutorial, www.rfic.co.uk, E
13dB so vi kt qu mô phng. ð khc phc ngun ñôi ta có mail: John@rfic.co.uk.
th dùng mt chip ñi ñin ñ to ra ñin áp 5V t ngun [2] Cornelis J. Kikkert, RF Electronics Design and Simulation, James Cook
University, Townsville, Queenland, Australia, 2013.
chính 12V và dùng ngun ñin áp quét ñưc sa dng bù s
phi tuyn ca tn s VCO theo ñin áp ñiu khin nhm có ñ [3] Guillermo Gonzaler, Microwave transistor amplifiers Analysis and
design, 2nd Edition, Pretice Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey,
tuyn tính yêu cu. Tóm li, kt qu chính xác có th ñt nu United State of America, 1984.
có ñưc vt liu, linh kin phù hp và mô hình ñưc xây dng [4] David M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd Edition, John Wiley &
ñy ñ. Sons, Inc., New york, United State of America,1998.
[5] Sebnem Seckin Ugurlu “Dielectric resonator oscillator design and
realization at 4,25GHz” ELECO 7th 2011 International Conference on
Electrical and Electronics Engineerng, pp 185188. 14 December,
Bursa, Turkey, 2011.
[6] NEC’s NPN Silicon High Frequency Transistor, NE856 Series.
California Eastern Laboratories, 2005.
[7] Silicon Tuning Diodes, Edition 20110615 Published by Infineon
Technologies, AG 81726 Munich, Germany.
[8] Rowan Gilmore, Les Besser, Practical RF Circuit Design for Modern
Wireless Systems, Artech House, Inc., 685 Canton Street, Norwood, MA
02062, paper 373374, volume I, 2003.
Hình 9. Ph ngõ ra.
106
106
nguon tai.lieu . vn