Folien

Oszillatoren
 Roland Küng 2013
1
Motivation
Nicht nur HF!
auch
ADC Takt
Prozessor Clock
USB Clock….
2
Motivation
13 MHz RFID
Präzise Frequenz mit hoher Leistung
versorgt passive Etiketten mit
Energie und Takt
3
Motivation
4
Oszillatoren
Oszillatoren mit konstanter Frequenz
(Frequenz-, Zeitnormale)
-
Gesteuerte Oszillatoren
(Modulatoren, VCO)
RC- Oszillatoren
LC- Oszillatoren
Quarz-, Keramik- Oszillatoren
SAW- Oszillatoren
Delay-Line - Oszillatoren
5
Gedanken-Experiment Feedback
+
Mitkopplung:
( v in + β ⋅ v out )A = v out
A c (s) =
A(s)
1 - A(s) • β(s)
+
Schwing-Bedingung:
A(s) • β(s) = 1
Barkhausen
StabilitätsKriterium:
| A(j ω0 ) • β(j ω0 ) | = 1
Im [A(j ω0 ) • β(j ω0 )] = 0
6
Theorie und Praxis
A(s) • β(s) < 1
Pole liegen in LHE
A(s) • β(s) > 1
Pole liegen in RHE
>1 Bedingung erfüllen bis WunschAmplitude erreicht wird, dann
erzwingen für die Grundwelle ω0:
A(s) • β(s) = 1
Pole liegen auf jω-Achse
Ausgang für möglichst unverzerrte Schwingung:
Praktisch umsetzbar durch:
Auskopplung im frequenz-selektiven Teil
Nachfilterung
Regelung
Limiter
7
Soft-Limiterschaltungen
-0.6V
+
0.6V
einfacher Soft-Limiter
Für vd < 0.3V an D1,D2: A(s)β(s) > 1 machen
Amplitude wächst. D1,D2 beginnen zu leiten
bis sich A(s)β(s) = 1 einstellt für s = jω0
v 0peak ≈ 3R 5
0.3...0.6
R3 + R 4
;
≈ 2.2
R3
R5
Simulation empfohlen
aktiver präziser Soft-Limiter
Schaltung dient als Teil von A(s).
Gain -K0
Slope 1 Rf /R1 > K0
Slope 2 Rf ⁄⁄R4/R1 < K0
v Opeak
 R4 
R4
= L+ = V
+ 0.6 1 +

R5
 R5 
8
Verstärker-Regelung
Wienoszillator
Barkhausen: Av = 3
2.
n-Kanal JFET
wird hochohmiger,
wenn Gate Spannung
negativer wird.
Gain sinkt
1.
Spitzenwertgleichrichter
für negative Spitzen
3.
zu Beginn Av > 3 (VR1 + RFET < 5 kΩ)
regelt sich auf Av = 3, RFET = 5 kΩ
Einfache Regelung mit steuerbarem Widerstand (JFET, selbstleitend)
Amplitude ist ungenau je nach FET Kennlinie
9
RC-Oszillatoren, Typ Wien
Bestimmung Schleifenverstärkung VS
VS ( s) = A(s) ⋅ β(s)
Identifikation und Separation A(s) und β(s)….. nicht immer ganz einfach
Feedback an Stelle aufschneiden wo (fast) kein Strom fliesst
Hilfe:
oder
Stelle die von einer Spannungsquelle gespeist wird
A(s)
 R2 


1
Zp
= 1+ R2 
V s (s) = 1+  ⋅
 R1  Zp + Zs  R1  3 + sCR + 1
sCR
β(s)
10
RC-Oszillatoren, Typ Wien
Schleifenverstärkung VS
1 + R2
R1
 R2 
Zp
=
V s = 1+  ⋅
+
 R1  Zp Zs 3 + sCR + 1
sCR
Feedback Netzwerk und VS ist Bandpass !
va/vo
Barkhausen:
V s ( jω) = 1 =
2.
3 + jωCR +
1
jωCR
1.
Re = 1
R
1+ 2
R1
1=
3
1 + R2
R1
Im = 0
R2 = 2
R1
ωo CR =
1
ωo CR
ωo =
1
CR
i.A. zuerst
Im = 0
auswerten
11
RC-Oszillatoren, Typ Phaseshift
Schleifenverstärkung VS
v1
v0
R2
R
=1
VS ( jω) =
1
1
1
1− 5 2 2 2 − j
(6 − 2 2 2 )
ωRC
ωRC
ωRC
−
Barkhausen:
Re=1
Im=0
ωo =
1
6 ⋅ RC
Gain = -29
Op-Amp: R2/R = 29
FET:
gm·RD = 29
Note: Design for RD << R
12
RC-Oszillatoren, Typ Phaseshift
Gain = -8.33
f0 = 2.76 kHz
Annahme: RG belastet C nicht wesentlich
13
RC-Oszillatoren, Typ Phaseshift
Gain = -8.33
f0 = 2.76 kHz
Annahme: RG belastet C nicht wesentlich
Barkhausen lösen durch überlegen: Jedes RC Glied arbeitet bei 600 Phase
Aus Bode-Diagramm:
ω0 ⋅ RC = tan(60 0 )
RC-Glied Phase 600 bei :
2πf0 =
Gain pro RC-Glied bei 600:
1
2
3
RC
14
Quadratur-Oszillator
1
2
1
2
1
v
o1 v o 2
⋅
=⋅
= - 2 2 2 =1
Vs =
s
⋅
RC
s
⋅
2
RC
s CR
v x v o1
Softlimiter
non-inv. Integrator
inv. Integrator
ω0 =
1
RC
Rf = 2 ⋅ R − ∆
vo2
vo1
15
LC-Oszillatoren
für hohe Frequenzen: LC-Kreise
vo
Av = =
vi
β( f o ) =
R1 + R 2
R2
Rp
R3 + Rp
Rp: Resonanzwiderstand
Parallelschwingkreis
0o
1
fo =
2π LC
0o Parallelresonanz
( + )
Rp
| V S ( f0 ) |=| A ⋅ β |= R1 R2
R2 (R3 + Rp )
R // R 3
Q= p
ω0L
OpAmp spielt Limiter, Parallelkreis mit Güte Q filtert Grundwelle aus
16
LC-Oszillatoren
hohe Frequenzen: OpAmp durch Transistor (BJT, FET) ersetzt
Radio Frequency Choke = High Impedance Load >> RL
Parallelschwingkreis:
C1 und L1 von T1
Trafo: -N2 / N1
Rin
BJT-Gain: -gmRL
Load RL = Rin Trafo
BJT 1800
Trafo 1800 @ Parallelresonanz
Famous “Meissner”
ω0 =
1
L1C1
gmRL = N1 / N2
17
LC-Oszillatoren
klassischen (galv. getrennten) Trafo ersetzen
kapaz. Trafo
Ind. Trafo
1800
1800 Parallelresonanz
1800
1800 Parallelresonanz
Famous “Hartley ” (links) und “Colpitts” (rechts)
f0 ?
Note: BJT ohne Arbeitspunkt gezeichnet
18
LC-Tank Methode
Guter Oszillator besitzt einen LC-Kreis oder Resonator mit hoher Güte = Tank
Ermittlung der Resonanzfrequenz:
(RL)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
LC- Kreis in Schaltung ermitteln
Energie pendelt in diesem Tank
Ströme nach aussen sind klein
Tank herausschneiden
Resonanzfrequenz berechnen
Dämpfung berechnen
ω0 =
1
L ⋅ C1 C2
C1 + C2
C2
= gmRL
C1
19
Clapp Oszillator
C3 typ. << C1, C2
1
LC
1 1 1 1
=
+ +
C C3 C1 C2
ωo =
Lets try to find f0
20
Quarz
Reaktanz
fp
fs
Serieresonanz: f s =
1
2π Lis Cis
Parallelresonanz:
1
Cis Cip
fp =
Cx =
2π Lis Cx
Cis + Cip
Lis (H)
Cis (pF)
Ris
Cip (pF)
Q≈
ω0L is
Ris
> 1000
Tuning XL:
- durch Serie-C f0
- durch Parallel-C f0 ↓
21
Oszillatoren mit Quarzen
Note: Phasenangaben sind max. Werte!
Rs = Ris
Rp = RisQ2
L
Rolle des Quarz :
• Quarz ist variabler L- Ersatz oder frequenzselektives Rs, Rp
• Quarz gleicht Phasenfehler des Verstärkers aus
22
Quarz-Oszillatoren
Quarz: L-Ersatz
a)
b)
c)
a) Pierce (Colpitts in Emitter-Schaltung)
b) Colpitts in Kollektor-Schaltung
c) Colpitts in Basis-Schaltung
d) Version mit CMOS Inverter
d)
23
Quarz in Clock-Oszillatoren (µC, DSP…)
Quarz montiert
Gehäuse, PCB:
C0 =
Colpitts (Pierce):
C a Cb
+ Cq
C a + Cb
Formeln für Oszillator
mit Lastkapazität CL:
fosc
C tot = C0 + CL
1
fser =
2π LC
1
C
=
= fser 1 +
C tot
C C
2π L tot
C tot + C
Lastkapazität (kapaz. Trafo):
Belastung des Quarzes in der Schaltung mit CL
CL setzt sich aus C1 und C2 in Serie zusammen
CL =
C1C2
C1 + C2
24
Namen sagen nichts
Colpitts in Emitterschaltung
b
c
∈
Colpitts in Kollektorschaltung
Colpitts in Kollektorschaltung
c
∈
b ∈
c
Pierce
Colpitts in Basisschaltung
c
b
Colpitts
Clapp
Colpitts in Emitterschaltung
∈
b
c
∈
b
Butler
Modified
Butler
Gate
Colpitts in Emitterschaltung
Wichtig ist die Rolle des Quarzes
Option: go to Chapter Osc Prod
25
Quarz-Oszillatoren
Lets try to find
Quartz mode
and
Oszillator Type
26
Quarz-Oberton
Filterung
LC-Kreis
2.
Q
3.
Hartley Basisschaltung mit L C1 für Frequenzen > 200 MHz
1.
2.
3.
4.
! Explizit Oberton Quarze benutzen (optimiert)
LC-Oszillator aufbauen, Resonanz f0LC ≈ Oberton-Frequenz
Stück Draht der Rückführung durch Quarz ersetzen
Ev. Ziehkapazität C3 in Serie für Frequenzabgleich
27
Voltage Controlled Oscillator
VCO
1.
2.
3.
4.
5.
LC Oszillator oder Quarz-Oszillator
Tank erweitern durch Cvar
Kapazitätsdiode für Cvar verwenden
DC Spannungen Spule abkoppeln (C0, CC)
DC Spannung Kapazitäten definieren (RB, 220k)
C0, CC sind Koppelkondensatoren, als Kurzschluss behandeln
28
Phasenrauschen / Jitter
Neu:
Wellenform zittert in der Phase
Jitter
White noise
&
1/f noise
Wirkung :
• Fehler Abtastzeitpunkt
• zusätzlicher Rauschbeitrag
Power Density
LO
29
Phasenrauschen
Problematisch beim Mischen (inkl. Abtasten in ADC, DAC)
has Phase Noise
1. Beide Signale “übernehmen” den Jitter
2. Conversion Phase Noise Amplitude Noise:
Rote Anteil im IF-Filter Durchlassbereich reduziert SNR
30
Beispiel Radar
FMCW Radar
Sensitivity
depends on
Phase Noise
Auch zivile App: Steinschlag/Lawinen Detektion 31