X-bandı negatif dirençli osilatör tasarımı
Zeng Wenyi, Yang Hao, Dai Zhiwei
(Pekin Yeni Nesil İletişim RF Çip Teknolojisi Anahtar Laboratuvarı, Mikroelektronik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Pekin 100029)
Negatif direnç salınımı teorisine dayanarak, bir X-band negatif dirençli osilatör tasarlanmıştır.Tasarım, osilatörün çalışma verimini artırmayı ve ikinci harmonik bastırmayı güçlendirmeyi amaçlamaktadır. Transistörün DC önyargı durumu ile osilatörün çalışma verimliliği arasındaki ilişkiyi inceleyerek, uygun bir DC öngerilim durumunun seçilmesi osilatörün çalışma verimliliğini artırır. Çıkış eşleştirme ağına 1/8 çalışma dalga boyunda bir bölüm yükleyin ve ikinci harmoniği etkili bir şekilde bastırmak için uygun bir DC engelleme kapasitörü seçin. Gerçek ölçüm sonuçları, X bandı negatif dirençli osilatörün 10.81 GHz'lik bir salınım frekansına, 8.02 dBm'lik bir çıkış gücüne, 48 dBc'lik ikinci bir harmonik bastırmaya ve 100 kHz ve 1 MHz'deki osilasyon frekansından sapan% 45'lik bir osilatör verimliliğine sahip olduğunu göstermektedir. Faz gürültüsü -91.90 dBc / Hz ve -123.43 dBc / Hz'dir. Gerçek ölçüm sonuçları, yukarıda bahsedilen tasarım yönteminin etkinliğini gösterir ve negatif dirençli osilatörlerin tasarımı için belirli bir referans anlamı sağlar.
Negatif direnç osilatörü; verimlilik; ikinci harmonik bastırma; faz gürültüsü; çıkış eşleştirme ağı
Osilatör, bir kablosuz iletişim sistemindeki bir çekirdek modüldür ve genellikle alıcı-verici için kararlı bir yerel taşıyıcı sinyal sağlamak için bir faz-kilitli döngü sisteminde kullanılır. Düşük faz gürültülü, yüksek verimli ve yüksek harmonik bastırmalı bir osilatörün nasıl tasarlanacağı, her zaman mikrodalga devre araştırmalarının odak noktası olmuştur. Düzlemsel mikrodalga osilatörün yüksek çalışma frekansı nedeniyle, rezonans ve eşleştirme için kullanılan mikroşerit hattı ağının boyutu genellikle küçüktür, bu nedenle minyatürleştirme ve düşük maliyet özelliklerine sahip olması, ilgili araştırmacıların dikkatini çekmiştir. Osilatörlerin temel bileşenleri olan bipolar transistörler ve alan etkili transistörler gibi aktif cihazlar, kararsız bölgelerde çalışmalarını sağlamak için doğru şekilde önyargılı ve pozitif geri besleme yaparak negatif direnç oluşturabilir ve böylece DC gücünü RF çıkış gücüne dönüştürür. Bu nedenle, düşük gürültülü, yüksek kazançlı ve düşük DC güç tüketimine sahip bir transistör seçmek, osilatörün faz gürültüsünü, çıkış gücünü ve çalışma verimliliğini iyileştirmeye yardımcı olacaktır. Temel dalganın yanı sıra, osilatörün çıkış sinyali de birden fazla harmonik bileşen içerir ve ikinci harmonik, tüm yüksek harmonikler arasında en yüksek güce sahiptir ve bu nedenle osilatör üzerinde en büyük etkiye sahiptir. Genellikle osilatörlerde kullanılan transistörler, ikinci harmoniğin belirli bir derecede bastırılmasına sahiptir, ancak bastırma etkisi genellikle ideal değildir.
Yüksek verimli, yüksek ikinci harmonik bastırma osilatörü, mobil iletişim sistemlerinin pil ömrünü uzatmak ve son filtreler için gereksinimleri azaltmak için faydalıdır. Bu yazıda, osilatörün ve ikinci harmonik bastırmanın çalışma verimini amaçlayan, osilatörün yüksek verimini ve yüksek ikinci harmonik bastırmayı elde etmek için sırasıyla transistör DC önyargı durumundan ve çıkış eşleştirme ağından makul seçim ve tasarım yapılmıştır.
1.1 Negatif direnç osilatörünün prensip analizi
Tipik bir çift bağlantı noktalı transistör osilatör devresi modeli Şekil 1'de gösterilmektedir. Transistör negatif dirençli osilatörlerde, ortak kaynak veya ortak geçit transistörlerinin kararsız bir bölgede çalışmasını sağlamak için genellikle pozitif geri besleme kullanırız ve ardından transistörün girişinden görülen negatif direnci büyütmek için uygun bir terminal ağı seçeriz. Transistörün girişinden görülen Zin empedansının:
Şekil 1 İki bağlantı noktalı transistör osilatör devresi
Rezonans ağının empedansı ZL:
Bunların arasında Rin, transistör giriş empedansının gerçek parçasıdır Zin, Xin, Zin'in hayali parçasıdır, RL, rezonant ağ empedansının gerçek parçasıdır ZL ve XL, ZL'nin hayali parçasıdır.
Pratik uygulamalarda, rezonans ağının empedans ZL'si genellikle aşağıdakileri karşılayacak şekilde seçilir:
Rezonans ağı ile transistör arasında salınım meydana geldiğinde, çıktı eşleştirme ağı da salınım üretir.
1.2 Negatif dirençli osilatörün tasarımı ve simülasyonu
Şekil 2, negatif dirençli osilatörün şematik diyagramını göstermektedir. CELin NE3514 transistörü negatif direnç oluşturmak için kullanılır. NE3514 transistörü HJFET'tir (heterojonksiyon alan etkili transistör). Tipik DC çalışma koşullarında, bu transistörün kazancı 11 GHz civarında 12 dB'den daha büyüktür ve gürültü rakamı 0,4 dB'den azdır. Bu nedenle yüksek verimli ve düşük faz gürültülü osilatörlerin tasarımına uygundur. Transistör, ortak bir geçit yapısı benimser ve bir mikroşerit hattı bölümü ve transistörün kapısındaki toprak Cg'ye bir kapasite eklemek kararsızlığı artırabilir. Çıkış ucu, ikinci harmoniği etkili bir şekilde baskılayabilen 1/8 çalışma dalgaboylu açık devre eşleştirme modu ile yüklenir.
Şekil 2 Negatif dirençli osilatörün şematik diyagramı
Formül (1) ~ formül (4) 'e göre, rezonans ağının empedansı şunları sağlamalıdır:
1.2.1 DC önyargısının osilatörün çalışma verimliliği üzerindeki etkisi
Tablo 1, transistörün boşaltma kaynağı voltajı VDS = 2 V olduğunda osilatörün geçit kaynağı voltajı değişimi ile çalışma verimliliğinin karşılaştırma tablosunu göstermektedir. Tablo 1'den, geçit kaynağı voltajı arttıkça, osilatörün DC güç tüketiminin arttığı, ancak çıkış RF gücünün önemli ölçüde değişmediği ve bunun da çalışma verimliliğinde bir düşüşe neden olduğu görülebilir.
Tablo 2, transistörün geçit kaynağı voltajı VGS = -0,5 V olduğunda osilatörün boşaltma kaynağı voltajı değişimi ile çalışma verimliliğinin karşılaştırma tablosunu göstermektedir. Tablo 2'den görülebileceği gibi, VDS = 1.5 V ve VDS = 2 V olduğunda transistörün verimliliğinin daha yüksek olduğu görülmektedir.Gerçek PCB kartının parazitik kayıpları ile direnç ve kapasitans hesaba katıldığında, gerçek RF çıkış gücü simülasyon sonucundan ve DC güç tüketiminden daha düşük olacaktır. Çok düşük bir önyargı durumu da transistörün başlatılmasını zorlaştıracaktır. Yukarıdaki faktörler göz önüne alındığında, bu makalede seçilen transistörün DC yanlılık durumu VGS = -0,5 V, VDS = 2 V şeklindedir.
1.2.2 Osilatörlerin ikinci harmonik bastırmasını iyileştirme yöntemleri
Şekil 3, çalışma dalga boyunun 1 / 8'i ile yüklenmiş bir açık hat çıkış eşleştirme ağının şematik diyagramıdır ve Şekil 4, yüke bir DC engelleme kapasitöründen geçen çıktı eşleştirme ağının şematik bir diyagramıdır. S parametresi simülasyonunu kendilerine taşımak için ADS simülasyon yazılımını kullanın, simülasyon sonucu Şekil 5'te gösterildiği gibi gösterilir.
Şekil 3 DC engelleme kapasitörsüz çıkış eşleştirme ağının şematik diyagramı
Şekil 4 DC engelleme kapasitörlü çıkış eşleştirme ağının şematik diyagramı
Şekil 5'teki noktalı çizgiden, Şekil 3'teki çıktı eşleştirme ağının, çalışma dalgaboyunun açık yolunun 1 / 8'i ile ikinci harmoniği yaklaşık 15 dBc bastırdığı görülebilir. Analiz, 1/8 çalışma dalgaboyu açık hattının, ikinci harmonik frekanstaki 1/4 dalga boylu açık çizgiye eşdeğer olduğunu, yani zemine bir bant geçiren filtreye eşdeğer olduğunu ve böylece ikinci harmoniği etkili bir şekilde bastırdığını göstermektedir.
Şekil 5 Ağ S parametresi simülasyonuyla eşleşen 1/8 çalışma dalgaboyu çıkışı yük
Şekil 4'teki DC engelleme kapasitörünün simülasyonu Murata'nın web sitesi tarafından sağlanan modeli kullanır, farklı kapasitörler seçer ve Tablo 3'te gösterildiği gibi temel frekansta ve çift frekansta empedansı elde etmek için ADS simülasyonunu kullanır. Temel frekansta en küçük empedans değerine ve çift frekansta en büyük empedans değerine sahip 0,5 pF kapasitans, çıkış DC engelleme kondansatörü olarak seçilir. Şekil 5'teki düz çizgiden, DC engelleme kapasitörlü çıktı eşleştirme ağının ikinci harmoniği daha etkili bir şekilde bastırabildiği, böylece ikinci harmoniğin bastırılmasının 25 dBc'den daha fazlasına ulaştığı görülebilir. Analiz, kondansatörün temel frekansa yakın öz rezonansının burada kullanıldığını, böylece temel frekansın neredeyse hiç kayıpsız geçebileceğini ve kondansatörün kendi kendine rezonans frekansı kapasitörün kendi kendine rezonans frekansından yüksek olduğunda, kondansatörün parazitik endüktansının önemli bir rol oynadığını ve empedansının frekansla birlikte arttığını göstermektedir. Artış, empedansı ikinci harmonik frekansta büyütür ve böylece ikinci harmonik bastırmayı güçlendirir.
Osilatörün harmonik dengesini simüle etmek için ADS'de ortak simülasyon işlevini kullanın Simülasyon sonuçları Şekil 6'da gösterilmektedir. Simüle edilmiş salınım frekansı 10.97 GHz, çıkış gücü 8.685 dBm ve ikinci harmonik bastırma 46.187 dBc'dir.
Şekil 6 Harmonik denge simülasyonu
2 Test sonuçları ve analizi
Şekil 7, osilatörün fiziksel görüntüsüdür, tüm PCB kartının boyutu 19 mm x 20 mm'dir ve test sonuçları sırasıyla Şekil 8 ve Şekil 9'da gösterilmiştir.
Şekil 7 Negatif direnç osilatörünün fiziksel resmi
Şekil 8 Salınım frekansı ve ikinci harmonik bastırmanın ölçülen sonuçları
(A) 100 kHz'lik salınım frekansından sapan faz gürültüsü
(B) Salınım frekansından sapan 1 MHz faz gürültüsü
Şekil 9 Ölçülen faz gürültüsü
Geçide uygulanan voltaj VGS = -0,5 V ve drenaja uygulanan voltaj VDS = 2 V olduğunda, ölçülen çalışma akımı 7 mA'dır. Osilatörün DC güç tüketimi yalnızca 14 mW'dir. Şekil 8, salınım frekansının 10.81 GHz, çıkış gücünün 8.02 dBm, ikinci harmonik bastırmanın 48 dBc ve osilatörün çalışma verimliliğinin% 45 olduğunu göstermektedir.
Spektrum analizörünün faz gürültüsü formülüne göre:
PN (f), frekans sapmasındaki (dBc / Hz) faz gürültüsü olduğunda, P, salınım frekansında f salınım frekansından sapan güç değerinin çıkış gücüne oranıdır, RBW çözünürlük bant genişliğidir ve C, spektrum analizörünün düzeltme faktörüdür. Genellikle 2,5 dB olarak alınır.
Şekil 9'daki test sonuçlarıyla birleştirildiğinde, salınım frekansından sapan 100 kHz ve 1 MHz'deki faz gürültüsü sırasıyla -90.19 dBc / Hz ve -123.43 dBc / Hz olarak hesaplanabilir.
Tablo 4, bu makalede tasarlanan osilatör ile referanstaki osilatör arasındaki performans karşılaştırmasını göstermektedir (referans 2014-2015). Makalede önerilen yöntemle tasarlanan osilatörün çalışma verimliliği ve ikinci harmonik bastırma açısından büyük avantajlara sahip olduğu karşılaştırma sonuçlarından görülebilmektedir.
3 Sonuç
Negatif direnç salınımı teorisine dayanarak, bu makale ADS simülasyon araçlarını kullanarak bir X-bandı negatif direnç osilatörü tasarladı. Osilatör, iş verimliliğini artırma ve ikinci harmonik bastırma perspektifinden tasarlanmıştır. Transistör DC önyargı durumu ile osilatörün çalışma verimliliği arasındaki ilişkinin simülasyon çalışması yoluyla, uygun bir transistör DC önyargı durumu seçmek, osilatörün çalışma verimliliğini önemli ölçüde artırır. Transistör çıkışı eşleşen ağ yapısının makul tasarımı sayesinde, açık devrenin çalışma dalga boyunun 1 / 8'i ile yüklenen çıkış eşleştirme ağının ikinci harmoniği etkili bir şekilde bastırabildiği bulunmuştur. Uygun bir çıkış DC engelleme kapasitörünün seçilmesi, temel frekansta maksimum çıkış gücünü sağlarken ikinci harmonik bastırmayı daha da güçlendirebilir. Nihai gerçek ölçüm sonuçları, yukarıdaki yöntemin etkinliğini doğrular ve yüksek verimli, yüksek ikinci harmonik bastırma osilatörlerinin tasarımı için iyi bir yol gösterici önem sağlar.
Referanslar
Chi Baoyong, Yu Zhiping, Shi Bingxue. CMOS radyo frekansı entegre devre analizi ve tasarımı Pekin: Tsinghua University Press, 2006: 367.
HUANG WC, ZHOU JY, CHEN P. Dairesel boşluklu substrat entegre dalga kılavuzu çift modlu bant geçiren filtre kullanan X-bant düşük fazlı gürültüsüz çalışan osilatör .IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2015, 25 (1): 40-42 .
APTE A M, PODDAR A K, RUDOLPH M, ve diğerleri.Yeni bir düşük faz gürültülü X-bant osilatörü. IEEE Microwave Magazine, 2015, 16 (1): 127-135.
MCSPADDEN JO, LU F, KAI C.Yüksek verimli Ku-bant osilatörler.Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri Üzerine IEEE İşlemleri, 1998, 46 (10): 1566-1571.
Zhou Wenjun, Zhang Xuefeng, Chen Jianxin. Derin ikinci harmonik bastırmalı düşük faz gürültülü radyo frekansı osilatörü. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2015, 39 (4): 477-482.
XUE Q, SHUM K M, CHAN C H. Kompakt bir mikroşerit rezonant hücre içeren yeni osilatör IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2001, 11 (5): 202-204.
CHEN J X, LAU K W, CHAN K Y, ve diğerleri.Çift taraflı paralel şeritli itme-çekme osilatörü IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2008, 18 (5): 335-337.
David M. Pozar Mikrodalga Mühendisliği (Üçüncü Baskı) Pekin: Elektronik Endüstrisi Yayınevi, 2006: 503-504.
Wu Cheng. Spektrum analizörünün faz gürültüsü ölçümünde uygulanması Ölçüm teknolojisi, 2007, S1: 44-48.
CAO X, TANG ZX, SU CJ, et al.Modern kablosuz iletişim sistemlerinde ASIW'ye dayalı bir X-bandı negatif direnç osilatörünün tasarımı // IEEE17th International Conference on Computational Science and Engineering.Chengdu, Çin, 2014: 881 -883.
Li Boqiong, Yang Hao, Lu Yonggang Kademeli empedans saç tokası rezonatörüne dayalı X-bandı osilatörünün tasarımı.Katı Hal Elektroniğinde Araştırma ve İlerleme, 2014, 34 (2): 146-151.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
