یک نوسان ساز تنظیم شده با واراکتور با ویژگی های تنظیم خطی

روش طراحی پیشنهادی برای تأکید بر خطی بودن تنظیم یک نوسانگر تنظیم شده با واراکتر

ویژگی فنی

یک نوسان ساز تنظیم شده با واراکتور با ویژگی تنظیم خطی

Munkyo Seo، Joo-Yeol Lee و Kyung-Kuk Lee LG Electronics Inc. سئول، کره

دانشگاه ملی سانگ ووک نام سئول سئول، کره

در مناطق خاصی از کاربردهای مایکروویو مانند رادارهای FMCW، مدولاتورهای FM و مدارهای حلقه قفل فاز (PLL)، عملکرد سیستم زمانی افزایش می یابد که فرکانس یک نوسانگر کنترل شده با ولتاژ (VCO) نسبت به ولتاژ کنترل آن خطی باشد. 1،2 اگرچه نوسانگرهای تنظیم شده با YIG خطی بودن خوب و همچنین محدوده تنظیم گسترده ای دارند، سرعت تنظیم پایین آنها مفید بودن آنها را محدود می کند. از سوی دیگر، نوسانگرهای تنظیم شده با واراکتور (VTO)، از تنظیم با سرعت بالایی برخوردار هستند، اگرچه خطی بودن آنها از نوسانگرهای تنظیم شده با YIG پایین تر است. بنابراین، بهبود خطی بودن VTOها موضوع تحقیقات زیادی بوده است. به عنوان مثال، پترسون، پروفیل دوپینگ وارکتور 3 را پیشنهاد می کند که می تواند خطی تنظیم باند وسیع را با مدارهای نوسانگر تنظیم شده سری ارائه کند. E. Marazzi، و همکاران. از تکنیک CAD 4 برای بهینه سازی شبکه های خطی با توپولوژی از پیش تعیین شده استفاده کنید. D. Kajfez 5 از نمایش قطب صفر شبکه های بدون تلفات و تکنیک سری تیلور به منظور بررسی امکان تنظیم خطی استفاده کرد. در برخی موارد، خطی سازهای خارجی می توانند راه حل باشند، اگرچه مشکلات جدیدی مانند مصرف انرژی اضافی، امپدانس ورودی کمتر و پهنای باند تنظیم باریکتر را ایجاد می کنند. 7

در این مقاله، یک رویکرد عملی برای طراحی VTOهای خطی ارائه شده است که بر انتخاب بهینه یک واکتور و طراحی شبکه کوپلینگ آن تمرکز دارد. از آنجایی که خطی بودن تنظیم یک VTO عمدتاً توسط رابطه ولتاژ به ظرفیت یک وراکتور و همچنین شبکه کوپلینگ آن تعیین می شود، انتخاب یک وارکتور و طراحی یک شبکه کوپلینگ برای دستیابی به خطی بودن تنظیم مورد نظر حیاتی است. نتایج اندازه گیری دو VTO 4. 3 گیگاهرتز نیز به عنوان مثال گنجانده شده است.

شکل 1 شماتیک کلی نوسانگر تنظیم شده با وارکتور.

استخراج یک مدل VTO ساده شده

شماتیک یک VTO پرکاربرد در شکل 1 نشان داده شده است. 6 خازن در ترمینال امیتر، C_E، یک حلقه بازخورد مثبت را به همراه ظرفیت انتشار Emiter از Q1 تشکیل می دهد. مقاومت منفی ایجاد شده توسط Q1 ، که برای حفظ یک نوسان پایدار لازم است ، می تواند با تغییر C کنترل شود_Eواد6 لیتر_سر , C_Sو سی_V(v) با هم به عنوان یک طنین انداز مؤثر عمل می کنند که با کنترل V می توان واکنش آن را تغییر داد_اهنگوادخازن اتصال ، ج_S، نه تنها جریان جریان DC بین Varactor و Q1 را مسدود می کند ، بلکه کنترل پهنای باند تنظیم را نیز فراهم می کند.

شکل 2 مدار معادل ترانزیستورهای دو قطبی مایکروویو بسته بندی شده.

شکل 3 مدل VTO ساده شده.

شکل 2 یک مدار معادل کلی از یک ترانزیستور دو قطبی بسته بندی شده است ، که در آن خازن تخلیه پایه به جمع آوری برای سادگی مورد غفلت قرار می گیرد. اگر r_p>1/ w c_pفرض شده است ، که در فرکانس بالا معتبر است ، r_pهمچنین می توان مورد غفلت قرار گرفت. پس از حذف مدار تعصب و جایگزینی Q1 توسط مدار معادل آن ، یک مدل VTO ساده بدست می آید (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است) ، که در آن فقط عناصر واکنشی که مسئول تعیین فرکانس نوسان هستند ، گنجانده شده است. جف_Tو من_Tتوسط

القاء انگلی ، مانند القاء ویا و القاء سرب از واکتور که در اینجا در نظر گرفته نشده است ، اگر مقادیر واقعی آنها شناخته شده باشد یا قابل تخمین باشد ، ممکن است به معادله 2 نیز برسد. ظرفیت VARACTOR ، ج_V(v) ، تابعی از ولتاژ کنترل ، v است و می تواند به صورت بیان شود

C_j0= خازن اتصال صفر-تعصب v_j= اتصال داخلی پتانسیل M = ضریب درجه بندی تعیین شده توسط مشخصات دوپینگ ، به طور کلی از 0. 5 تا 2

روش طراحی با توجه به تنظیم خطی تنظیم

فرکانس رزونانس مدل VTO ساده به عنوان آورده شده است

همانطور که در معادله 4 ، W نشان داده شده است₀(v) یک تابع غیرخطی از V است ، و بنابراین ، به طور کلی ، منحنی تنظیم یک خط کاملاً مستقیم نخواهد بود. اول ، دو مورد شدید در نظر گرفته می شود:

w ₀(v) تقریب می یابد

و بنابراین ظرفیت VACACTOR فقط فرکانس رزونانس را به همراه L تعیین می کند_Tواداین می تواند مورد محدود کننده برای یک باند پهنای باند باشد و استفاده از یک واکتور اتصال بیش از حد با M = 2 منجر به یک خط مستقیم خواهد شد.

w ₀(v) تقریباً توسط معادله 6 آورده شده است که در آن یک واکتور اتصال بیش از حد با M = 1 منحنی تنظیم را خطی می کند.

در این حالت ، فرکانس نوسان عمدتا توسط c تعیین می شود_T، که بسیار کوچکتر از C است_V(v) ، در نتیجه یک باند باریک VTO.

در حالت کلی بین دو حدی که ذکر شد، ضریب درجه بندی بهینه، M، بین 1 و 2 خواهد بود، به این معنی که یک وارکتور اتصال بیش از حد با M ≥ 1 برای دستیابی به بهترین خطی بودن در یک پیکربندی VTO ضروری است.. همچنین معادله 4 نشان می دهد که منحنی تنظیم به طور کامل توسط چهار پارامتر مدار L مشخص می شود_T C_T , C_T /C_j0 , V_jو M، تا زمانی که مدل VTO صحیح باشد. اهداف طراحی - فرکانس مرکزی، پهنای باند و خطی بودن تنظیم - باید با تنظیم این پارامترها برآورده شوند. اگرچه تعداد پارامترهای طراحی بیشتر از تعداد اهداف طراحی است، اما رویه طراحی واقعی کمتر از آنچه به نظر می رسد انعطاف پذیر است، زیرا طراح مدار عموماً کنترل فردی بر C ندارد._j0 , V_jو M. این مقادیر به محض انتخاب یکی از لیست وارکتورهای موجود ثابت می شوند.

L_T C_Tو سی_T /C_j0را می توان بر حسب فرکانس مرکزی f بیان کرد_c، پهنای باند تنظیم BW، V_jو M، با ارزیابی معادله 4 در فرکانس های شروع و توقف نوسان. V₁و V₂به ترتیب ولتاژهای تنظیم شروع و توقف هستند

اگر الزام طراحی f_cو BW داده شده است، معادله 7 اجازه می دهد تا یک منحنی تنظیم کامل با یک وارکتور خاص با ارزیابی معادله 4 در چندین ولتاژ کنترل به دست آید. به منظور محاسبه خط مستقیم مناسب (BSL) یک منحنی تنظیم واقعی، یک برنامه صفحه گسترده همه منظوره ممکن است مفید باشد. مقادیر واقعی V_jو M از دیتاشیت ها می توان استفاده کرد یا V_jممکن است در مقداری معرف، یعنی 2 ثابت شود، و محاسبات با مقادیر مختلف M برای یافتن ضریب درجه بندی بهینه تکرار شوند. پس از انتخاب یک وارکتور مناسب، C_Tو من_Tرا می توان از معادله 7 پیدا کرد، بنابراین طراحی اولین گذر را تکمیل می کند.

شکل 4 اثر ظرفیت بسته بندی وارکتور بر روی منحنی تنظیم.

تا به حال، ظرفیت پکیج varactor، Cp، نادیده گرفته شده است. به موازات وارکتور متصل است. اگرچه این ظرفیت کوچک است، معمولاً بسته به ساختار بین 0. 1 تا 0. 2 pF متغیر است، اما گاهی اوقات تأثیر غیر قابل چشم پوشی بر خطی بودن دارد. در ناحیه فرکانس بالا منحنی تنظیم، ظرفیت وراکتور به حداقل خود نزدیک می شود و ظرفیت پکیج وراکتور یک حد پایین تر از ظرفیت کل وراکتور را تعیین می کند. این به نوبه خود، حد بالایی را بر منحنی تنظیم تحمیل می کند. شکل 4 این وضعیت را به همراه اثر C نشان می دهد_T، که حد پایین فرکانس نوسان را ایجاد می کند. اثر C_Tاگر بهینه M با ارزیابی مکرر معادله 4 انتخاب شود ، در واقع جبران می شود ، فقط به این دلیل که تابعی از C است_Tوادتأثیر C_P، از طرف دیگر ، می توان با یک عنصر القایی اضافی جبران کرد (س_V) در سراسر واکتور ، همانطور که در طرح کلی RF شکل 5 نشان داده شده است. این القاء شیب واکنش واکتور را شیوع تر می کند زیرا فرکانس به فرکانس رزونانس نزدیک می شود ، بنابراین منحنی تنظیم مقعر را به سمت بالا شکل می دهد ، همانطور که در بخش بعدی مشاهده می شود.

شکل 5 مدار معادل RF ساده شده از VTO 4. 3 گیگاهرتز.

نتایج طراحی و اندازه گیری

براساس روال ذکر شده در بخش قبلی ، یک VTO 4. 3 گیگاهرتز طراحی شده است. پارامترهای ادویه واکتورهای مورد نظر در جدول 1 ذکر شده است. با نیاز طراحی f_c= 4. 3 گیگاهرتز و BW = 160 مگاهرتز ، همراه با پارامترهای وارکتور ذکر شده ، L_T C_Tو سی_T /C_j0با استفاده از معادله 7 برای هر وارکتور محاسبه شد. در مرحله بعد ، منحنی های تنظیم با معادله 4 محاسبه شد و انحراف آنها از BSL های مربوطه در شکل 6 نشان داده شده است. از آنجا که این طرح متعلق به یک باند باریک VTO است که پهنای باند کسری آن 3. 7 درصد است ، انتظار می رود M بهینه نزدیک به 1 باشد. 1SV284 (M = 1. 03) کوچکترین انحراف را از BSL به دست می آورد و 1SV280 (M = 0. 981) بهترین نتیجه دوم را می دهد. لشکر_Tمحاسبه شده به 3. 9 و 7. 88 NH و C_Tبه ترتیب 37/0 و 0. 185 PF برای 1SV284 و 1SV280 بود. لشکر_T= 3. 9 NH به مقدار بسیار کمی L منجر می شود_سر، از آنجا_Tآیا مجموع القاء در طول مسیر طنین انداز همانطور که توسط معادله 2 نشان داده شده است. بنابراین ، 1SV280 با وجود خطی کمی بدتر از 1SV284 ، سرانجام انتخاب شد ، زیرا در این حالت ، l_T= 7. 88 NH یک مقدار مطلوب تر است.