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