Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave

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!

Thit K và Ch To B Dao ðng VCO Băng S

Rng Mt Octave

Nguyn Tn Nhân

B Môn Vô Tuyn, Khoa Vin Thông II, Hc Vin Công Ngh Bưu Chính Vin Thông cơ s Tp H Chí Minh

Email: tannhan2000@yahoo.com

Abstract—Bài vit này trình bày phương pháp thit k và ch to mt

b dao ñng ñiu khin ñin áp bng phương pháp phn x, hot

ñng  băng S có ñ rng mt octave2GHz ñn 4GHz Mch s

dng transistor BJT cu hình cc base chung ni trc tip xung ñt

ñ to ngun ñin tr âm, kt hp vi diode bin dung gi vai trò như

b cng hưng Ngun cung cp 12 Volts và 5Volts, mc ra nm

trong khong 14,5 dBm ñn 17,5 dBm và nhiu pha 60dBc/Hz cách

sóng mang 10kHz



I GIITHIU Các b dao ñng VCO là mt b phn không th thiu

trong các máy ño, ra ña và h thng thông tin vô tuyn như các

máy phân tích ph, phân tích mng vô hưng, phân tích mng

vector, máy thu phát ña băng… Thách thc ln nht ñi vi

các k sư thit k các b dao ñng là ñ sch pha ñưc ñánh

giá bng ñ nhiu pha nht là các b dao ñng VCO có di tn

hot ñng rng, thưng hai ch tiêu này ngưc nhau Trưc ñây

trong thit b truyn thng ñ ñt ñưc các mc tiêu trên, các

nhà sn xut thưng dùng dao ñng YIG – Yttrium Iron Garnet

– mt loi vt liu st t ñc bit, khó ch to, kích thưc ln

nên giá thành rt cao dù chúng có ñ tuyn tính tt

Trong bài này trình bày phương pháp thit k và ch to

mt b dao ñng VCO có di tn rng mt octave nhm khc

phc các yêu cu trên vi vt liu, linh kin thông dng, kích

thưc nh và ñc bit là giá thành r

Dao ñng phn x thc cht là dao ñng s dng ngun

ñin tr âm to ra t linh kin tích cc ñ bù li suy hao ca b

cng hưng ñã ñưc trình bày nhiu trong các tp chí chuyên

ngành; ñc bit Silver J P [1] Phương pháp thit k tn dng

ñc tính không n ñnh ti ưu vn có ca linh kin tích cc

ñưc chn ngay ti tn s thit k; ñng thi s dng cu hình

cc base chung trc tip ni ñt ñ nâng phm cht n ñnh

nhit ca mch Mch cũng có vài hn ch như phi dùng

ngun ñôi, nhiu pha và ñ tuyn tính thp, tuy nhiên d dàng

khc phc các hn ch trên ñưc trình bày trong phn kt lun

Mch ñưc xây dng trên tham s S tín hiu nh ca linh

kin, tuy nhiên vì s dng phn mm AWR [2], nên có th s

dng phương pháp cân bng hài ñ mô phng tuyn tính cũng

như phi tuyn

Phn còn li ca bài báo ñưc t chc như sau: trong phn

II, chúng tôi miêu t phương pháp thit k Trong phn III,

chúng tôi thc hin các thc nghim và ño th Cui cùng, các

kt lun ca bài báo ñưc trình bày trong phn IV

Resonator

Power supply

Matching net

In

Γ

Active device

R

Γ

Hình 1 Mô hình mch dao ñng ñin tr âm

II THIT K

Mô hình dao ñng phn x gm có các thành phn trình bày trên Hình 1, khi cp ngun, phn t tích cc ñ to ngun ñin tr âm, b cng hưng xác lp tn s dao ñng ca mch

và mng phi hp tr kháng ngõ ra Nhm ñt ñưc di tn trên, mi phép tính phi ñưc thc hin ti tn s gia di:

0 2 4 2.828

ð mch dao ñng khi ñng ñưc phi tha ñiu kin sau [3], [4]:

R In

Γ ×Γ ≥ (1) trong ñó, *

R

Γ là h s phn x liên hip phc ca b cng hưng và ΓIn là h s phn x ngõ vào ca phn t tích cc;  ñây chính là S 11

Nói cách khác, ta có th vit li phương trình (1) như sau:

*

11

R

In S

Γ (2) hay biên ñ S và 11 S phi ln hơn và h s n ñnh K phi 22

nh hơn ñơn v, ñng thi ñ mch d khi ñng ti thiu biên ñ S ≥11 1,2 [5]

Mc ñích to dao ñng là làm cho linh kin tích cc hot ñng trong min bt n ñnh ca chúng Như vy phi xét hot ñng ca linh kin  cu hình ñưc chn có tha mãn hay không, nu không, phi kt hp vi các linh kin th ñng bên ngoài

ñ ñưa linh kin vào vùng bt n ñnh bng cách phân tích ma

trn tham s S tín hiu nh ca nó Trong thit k này,

transistor 2SC4226 [6] ca CEL – California Eastern

Laboratories  ñưc s dng làm phn t tích cc ñ to ñin

tr âm,b cng hưng dùng hai diode bin dung BB833 [7] ca

Infineon ni ñu lưng nhau dùng ñiu khin tn s VCO

A. Phân tích tuyn tính

T bng tham s S ca transistor  ñim phân cc

10

c

V = (V), I = c 30(mA); t ñó chúng ta xây dng cu hình

BC cho transistor và s dng AWR mô phng tuyn tính ta

nhn ñưc kt qu cho các tham s S , 11 S và h s  ñnh K 22

như trên Hình 2 Trong ñó ta thy S =11 1.535 1> ,

22 1.483 1

S = > và K = −0,6733 1< có giá tr gn ti ưu ti

tn s 2,828GHz Như vy phn t tích cc s dao ñng nu

vào cc E ca nó mt b cng hưng thích hp và ngõ ra kt

cuiR =  [1] L 50

Vì S ∠11 82.08 nên t (2) ñơn gin là ñt mt phn t cng

hưng ñ có h s phn x Γ ≈ ∠ −R 1 82,08 vào cc E

transistor thì mch s dao ñng

Frequency (GHz)

S parameter

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

-1 -0.7 -0.4 -0.1 0.2 0.5

2.828 GHz 1.483

2.828 GHz -0.6733

2.828 GHz 1.535 |S(1,1)| (L)

Linear

|S(2,2)| (L) Linear K() (R) Linear

Hình 2a Biên ñ S , 11 S và K 22

Frequency (GHz)

S Ang

-200

-100

0

100

200

2.828 GHz -97.56 Deg

2.828 GHz 82.08 Deg

Ang(S(1,1)) (Deg)

Linear

Ang(S(2,2)) (Deg)

Linear

Hình 2b Pha tương ng ca S và 11 S 22

B. Phân tích phi tuyn

Phân tích tuyn tính ch cho bit hot ñng gn ñúng ca mch dao ñng, ñ bit chính xác ph ngõ ra, h s nhiu pha chúng ta cn phân tích mô hình phi tuyn bng phương pháp cân bng hài ðu tiên cũng dùng phn mm AWR ñ xác ñnh ñim phân cc cho transistor như trên Hình 3 Các ñin tr R =1 140, R =2 120 kt hp vi các ngun 12V

C

V = và V = − E 5V , gii hn dòng và to ñin th 10V

CE

V ≈ và I = C 29,8mA

Vì Γ ≈ ∠ −R 1 82,08 nên b cng hưng phi có tính thun dung kháng ñ cng hưng vi ñin cm ngõ vào ca linh kin tích cc; giá tr dung kháng xác ñnh trên Smith chart 51,76 Giá tr t ñin tương ng:

( )

6

1,09 pF

C

C

f X

=

(3)

DCVS V=12 V DCVS

RES ID=R1 R=140 Ohm

RES ID=R2 R=120 Ohm

CAP ID=C1 C=100 pF

CAP ID=C2 C=330 pF CAP ID=C3 C=100 pF CAP

ID=C4 C=1 pF

IND ID=L1 L=47 nH

IND ID=L2 L=47 nH

VIA1P D=0.8 mm H=0.75 mm T=0.017 mm RHO=1

VIA1P D=0.8 mm H=0.75 mm T=0.017 mm RHO=1

A

OSCAPROBE ID=X1 Fstart=1 GHz Fend=5 GHz Fsteps=200 Vsteps=30

CAP ID=C5

H=0.75 mm T=0.017 mm Rho=1 Tand=0.025 ErNom=4.6 Name=SUB1

1 2 3

SUBCKT ID=S3 NET="NE85630/CEL"

PORT P=1 Z=50 Ohm

Hình 3 Mch dao ñng tn s xác ñnh 2.828 MHz

Frequency (GHz)

Spectrum

-10 -5 0 5 10 15 20 25

11.31 GHz -7.677 dBm

8.484 GHz -5.515 dBm

5.656 GHz 8.683 dBm

OSC

Hình 4a Ph ngõ ra b dao ñng

.0001 001 01 1 1

Frequency

Phase_noise

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

10

0.01 MHz

Hình 4b Nhiu pha

Sau khi ni t ñin có giá tr 1,09 pF vào cc E và mô

phng Kt qu trên Hình 4 là ph tn ngõ ra và nhiu pha ca

b dao ñng Mc ñin ngõ ra ti thành phn căn bn

16,92dBm, hài bc hai 8,683dBm , hài bc ba 5,515dBm−

và nhiu pha 59,38 dBc t v trí lch sóng mang 10 KHz

Trong phn tip theo, ta tính toán dao ñng VCO có tn s

kim soát bng diode bin dung T mch dao ñng tn s c

ñnh, ñin cm ngõ vào tương ñương:

( )

(2 ) 1 (2 2828 10 ) 1,09 10 2,9 nH

L

×

=

≈

(4)

Như vy, bây gi nu thay th t ñin có giá tr xác ñnh

bng diode bin dung ta s ñưc mt b dao ñng có tn s

kim soát bng ñin th VCO ðng thi ñ ci thin ñ tuyn

tính và gim ñin th ñiu khin; ta s dng cp diode bin

dung BB833 ni –lưng ñu lưng cho b cng hưng Trên hình

Hình 5 là kt qu mô phng ñin dung ca chúng theo ñin áp

ñiu khin

Voltage (V)

Linear Cv vs Voltage

0

1

2

3

4

5

14.94 V 0.5865 pF

6 V

1.367 pF

Hình 5 ðin dung theo ñin áp ca hai diode BB833 ni –back to

Vì mô hình ca diode bin dung thc hin  tn s thp, nên các ñin cm ký sinh ca dây ni t chip diode ñn chân hàn linh kin L = S 2,2 nH, ñt ni tip vi ñin cm ngõ vào phn t tích cc 2,9 nH kt hp vi ñin cm l xuyên thông [8] Do

ñó, ñin cm toàn phn ca mch vào là

2,9nH 2,2nH 0,2nH 5,3nH

Giá tr t cng hưng s là: 0,59 pF tương ng vi ñin th phân cc cho hai diode 14,94 V

Mch cng hưng, phn t tích cc kt hp vi b mô phng cân bng hài AWR to VCO hoàn chnh ñưc trình bày trên Hình 6 (xem ñu trang k tip) và Hình 7 cho kt qu mô phng di tn b dao ñng theo ñin th ñiu khin

Kt qu trên Hình 7 cho thy tn s ngõ ra thay ñi t 1.921 MHz ñn 4.045 MHz khi ñin th ñiu khin bin ñi tương

ng t 6V ñn 35V Quan h này tương ñi tuyn tính vi 70MHz/V

VCO

Volts (V)

V TUNE

1 2 3 4 5

35 V 4.045 GHz

6 V 1.921 GHz

14.94 V 2.828 GHz

OSC_FREQ()[*,X] (GHz) OSC

Hình 7 Tn s ngõ ra b dao ñng VCO theo ñin áp ñiu khin

III THC NGHIM VÀ ðO TH

Hình 8 Mch dao ñng VCO thc t

DCVS ID=V1 V=12 V DCVS

ID=V2 V=5 V

DCVSS

ID=V3

VStart=14.94 V

VStep=0 V

RES ID=R1 R=140 Ohm

RES ID=R2 R=120 Ohm

RES ID=R3 R=1 Ohm CAP

ID=C1 C=100 pF

CAP ID=C2 C=330 pF

CAP ID=C3 C=100 pF CAP

ID=C4 C=1 pF

IND ID=L1 L=47 nH

IND ID=L2 L=47 nH

RES ID=R4 R=10000 Ohm

VIA1P D=0.8 mm H=0.75 mm T=0.017 mm RHO=1 VIA1P

D=0.8 mm H=0.75 mm T=0.017 mm RHO=1

A OSCAPROBE ID=X1 Fstart=1 GHz Fend=5 GHz Fsteps=200 Vsteps=30 CAP

ID=C5 C=330 pF

MSUB H=0.75 mm T=0.017 mm Rho=1 Tand=0.025 ErNom=4.6 Name=SUB1

100

200

SUBCKT ID=S1 NET="BB833"

100

200

SUBCKT ID=S2 NET="BB833"

1

2 3

SUBCKT ID=S3 NET="NE85630/CEL"

PORT P=1 Z=50 Ohm

Hình 6 Mch dao ñng VCO rng mt Octve

Bng 1: So sánh ch tiêu, kt qu mô phng và thc nghim b dao ñng

ðin th ngun

VC

VE

12 ±0,5

5 ±0,5 (635)±0,5

12

5 635

12 ±0,5

5 ±0,5 (635)±0,5 Volts

Di tn 2  4 1,921 – 4,045 1,860 – 3,980 GHz

Mch dao ñng VCO ñưc thc hin bng phn mm Sprint

layout trên nn FR4 Transistor 2SC4226 ñóng trong v

SOT343, diode bin dung BB833 ñóng v SOD323, các cun

cn cao tn RFC và t ñin dáng kích thưc 0805 Hình 8

trình bày bo mch thc hin cui cùng trong ñó kt hp mch

suy hao 10dB, lc thông thp có tn s ct f cut off− =4,5GHz

và mch MMIC ERA6, mc ñích cách ly ti và bo ñm mc

ra khong 40 mW

Kt qu ño th di tn thp hơn mt ít so vi thit k

1860MHz 3980MHz− Trên Hình 9 và 10, mc ñin ngõ ra

ti tn s 2.828MHz là 13,4dBm, vi suy hao ngoài 25dB ,

nhiu pha 46,4dBc/Hz ti v trí lch vi sóng mang

( )

10 kHz Các giá tri này thp hơn so vi giá tr mô phng

tương ng 3,52dB và 13dB

Bng 1 (xem trang trưc) cho kt qu thc t ño ñưc so vi

ch tiêu kỳ vng và kt qu mô phng

I KTLUN Tin trình thit k và thc hin mch dao ñng VCO băng

tn S rng mt octave ñưc trình bày và kt qu ñt thc

nghim ñưc: Di tn 1860MHz−3980MHz tương ng vi

ñin áp ñiu khin thay ñi t 6 V 35 V( )− ( ), mc RF ngõ ra

13,4 dBm và nhiu pha 46,4 dBc/Hz So vi mc tiêu ñ ( )

ra, kt qu ño ñt thc t có di tn thp hơn kt qu mô phng

4% do ñin cm, ñin dung ký sinh ca các ñim hàn chân linh

kin không ñưc ñưa vào trong mô hình Mc RF ngõ ra thp

hơn giá tr mô phng 3,5dB vì s dng vt liu nn FR4 có suy

hao tương ñi ln δ =0,025; và cui cùng, diode bin dung có

h s phm cht thp R = s 3,6 nên nhiu pha thp hơn

13dB so vi kt qu mô phng ð khc phc ngun ñôi ta có

th dùng mt chip ñi ñin ñ to ra ñin áp 5V t ngun

chính 12V và dùng ngun ñin áp quét ñưc sa dng bù s

phi tuyn ca tn s VCO theo ñin áp ñiu khin nhm có ñ

tuyn tính yêu cu Tóm li, kt qu chính xác có th ñt nu

có ñưc vt liu, linh kin phù hp và mô hình ñưc xây dng

ñy ñ

Hình 9 Ph ngõ ra

Hình 10a Nhiu pha ca mch dao ñng

Hình 10b Nhiu pha ca mch dao ñng

TÀI LIU THAM KHO

[1] Silver J P Reflection Oscillator Design Tutorial, www.rfic.co.uk, E mail: John@rfic.co.uk

[2] Cornelis J Kikkert, RF Electronics Design and Simulation, James Cook University, Townsville, Queenland, Australia, 2013

[3] Guillermo Gonzaler, Microwave transistor amplifiers Analysis and design, 2 nd Edition, Pretice Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey, United State of America, 1984

[4] David M Pozar, Microwave Engineering, 2nd Edition, John Wiley & 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 185188 14 December, Bursa, Turkey, 2011

[6] NEC’s NPN Silicon High Frequency Transistor, NE856 Series California Eastern Laboratories, 2005

[7] Silicon Tuning Diodes, Edition 20110615 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 373374, volume I, 2003