oscil·lador vhf · amb un divisor de tensió com el de la figura podem modificar el valor des de 0...

OSCIL·LADOR VHF

MEMORIA CIRCUIT RF

CIRCUITS RF

LABORATORI DE COMUNICACIONS QT06

- 2 -

1. Introducció

Els paràmetres bàsics que caracteritzen una determinada font de senyal o oscil·lador fan referència a les seves dues variables d’interès: l’amplitud i la freqüència. Un oscil·lador ideal és un dispositiu que proporciona un senyal de la forma:

x(t) = Acos(Wo· t) amb amplitud i freqüència constants i que, per tant, el seu espectre correspon a dues deltes situades a (-fo) i (+fo). En un oscil·lador real no podem esperar un comportament idèntic a l’anterior, però sí un de similar amb lleugeres diferències. De forma general, podem considerar un oscil·lador real com un subsistema realimentat, amb un dispositiu actiu —normalment un transistor— més un circuit ressonant que es pot modelar com un circuit LC paral·lel amb pèrdues, al qual s’ha afegit una resistència negativa —dispositiu actiu— que les compensa. En el nostre cas, hem dissenyat un oscil·lador Colpitts a la banda de VHF a una freqüència central de 144 MHz controlat per tensió (VCO). La modulació és en freqüència modulada, a través d’un micròfon d’electret.

2. Disseny teòric del circuit.

2.1 Circuit de polarització Per al disseny del nostre oscil·lador farem servir com a element actiu un transistor BFR 91A, que té una freqüència de transició de 6 GHz i que ens permetrà treballar perfectament a la freqüència desitjada amb una potència raonable.. El circuit de polarització del transistor està format amb dues resistències a la base.


- 3 -

IcIb =β IcIe ≅

Vb = Vcc R2 / R1 +R2 , Va = Vbe + R3 Ic Condicions de disseny: Ic = 10 mA R3 = 390Ω R1 = 10KΩ Del datasheet del transistor obtenim Vbe = 0.6V Ve = 10mA 390 = 3.9V Vb = 3.9V + 0.6V = 4.5V Vb = Vcc / 2 = 4.5V R2 = 10 KΩ

2.2 Càlculs del circuit ressonant La configuració d’oscil·lador que hem utilitzat és la de Colpitts. El condensador C3, que s’inclou després de la bobina que forma el circuit ressonant, té la funció d’evitar que es curtcircuiti la tensió de base del transistor necessària per a la seva polarització. Analitzant el circuit s’observa que les resistències R1 i R2 polaritzen la base del transistor, i la resistència R3 limita el seu corrent d’emissor, i d’aquesta manera es fixa el punt de treball del transistor. La funció del condensador C4 és desacoblar en contínua la sortida de l’oscil·lador, i la del xoc L2 (bobina d’alta inductància) bloquejar el pas del senyal de radiofreqüència cap al circuit de polarització; finalment, els condensadors C5 i C6 s’encarreguen de filtrar la tensió de polarització.


- 4 -

Utilitzarem un diode varicap BB204 y calcularem los valores de C1, C2 y L1.

La freqüència d’oscil·lació ve donada per l’expressió:

eqCLf

⋅⋅⋅=

1

02

1

π

On icap

eqCCC

Cvar21

111++=

De la corba del datasheet del varicap podem veure que per un rang de tensió d’1 a 9V, obtenim una variació de capacitat de 23 a 55pf. 30pf a 5V. Condicions de disseny: Cvari. = 30pf C1 = C2 = 47pf Ceq = 13.17pf Fo = 144Mhz

nHnHC

fL

eq

o 10012.982

12

1 ≈=

⋅⋅=

π

Pel condensador de pas de RF C4, considerarem una impedància de sortida de 50Ω, ja que una antena presenta esta impedància.

pFpFMHz

CRC

Fc 2222.21144502

1

2

14 ≈=

⋅⋅⋅=→=

ππ

El condensador C3 és l’encarregat d’impedir el pas de CC al circuit de la base perquè mantingui la seva polarització, però deixa passar la radiofreqüència fins el varicap.

nFnFMHzj

CZ 2.113.11442

101 3 ≈=

⋅=⇒=

π

La inductància L2 impedeix el pas de RF en l’alimentació del circuit a través del col·lector: Suposem una impedància elevada de l’ordre d’1MΩ:

12113.11442

112 CHCHmHmH

MHzj

MLLjwLZ ==≈=

⋅

Ω==⇒=

π


- 5 -

2.3 Càlculs de la tensió de control del varicap La tensió de control de freqüència prové d’un simple divisor de tensió. Del datasheet del BB204 podem veure que la corrent en inversa es molt petita. D’aquesta manera l’impedància d’entrada seria aproximadament la següent:

Ω=== MnA

V

I

VR 180

50

9

Amb un divisor de tensió com el de la figura podem modificar el valor des de 0 a 9 v.

Això suposa tenir una corrent fixa de polarització d’1.8 mA, que no representa cap problema davant el consum total del circuit.

mAK

VpolI 8.1

5

9)( =

Ω=

El condensador C8 es per filtrar possibles interferències de radio freqüència, escollim un valor adequat, 10nf. Aquesta tensió (Vcont) s’injecta a un dels diodes del BB204 per controlar la capacitat del circuit LC i així modificar la freqüència de l’oscil·lador. 2.4 Circuit modulador d’audio Consisteix en un micròfon d’electret (o condensador) polaritzat i desacoblat de la tensió continua a través d’un condensador de pas. El potenciòmetre P2 és pel control de guany de la modulació.


- 6 -

El valor del potenciòmetre es de 50K ≈ 47K que és l’impedància característica que s’utilitza en entrada d’audio. El condensador l’hem calculat per un filtre passa alt a una freqüència de 0.5Hz :

≅=Ω

= ufHzK

C 36.65.0·50·2

17

π4.7uf⇒ 0.67Hz

La tensió de sortida d’aquest circuit es connecta a l’altre diode dels dos diodes del BB204. Al modificar aquesta tensió es modifica la capacitat del circuit ressonant i es modula l’oscil·lador en FM amb l’audio del micròfon. 3.1 Esquema del circuit complet

3.2 Llistat de components

Nom Característica Tipus Encapsulat T1 BFR91 SMD TRANSISTOR RF M236 D1 BB204 DIODE VARICAP DOBLE TO-92 M1 MICRÒFON TIPO ELECTRET (DE CONDENSADOR) metàl·lic Resistències Nom Valor Tipus Tolerància R1 10 k ¼ W 5% R2 10 k ¼ W 5% R3 270 ¼ W 5% R4 10 k ¼ W 5%


- 7 -

Condensadors Nom Valor Tipus C1 47 pF Ceràmic tipus disc C2 47 pF Ceràmic tipus disc C3 1.2 nF Ceràmic tipus disc C4 22 pF Ceràmic tipus disc C5 10 nF Ceràmic tipus disc C6 10 uF x 25V Electrolític C7 4.7 uF x 25 V Electrolític Potenciòmetres Nom Valor Tipus P1 5K Multivoltes vertical P2 50K Multivoltes vertical Xoc RF i bobina Nom Valor Tipus CH 1 1000 uH Inductàncies fixes (xocs) tipus resistència

CH2 1000 uH Inductàncies fixes (xocs) tipus resistència

L1 100 nH 2 voltes de filferro de coure envernissat d’1mm2 de secció , sobre un nucli d’aire de 5mm de diàmetre i 3mm de separació entre espires.

3. Disseny del circuit imprès.

Per al disseny del nostre Layout hem utilitzat el sofware: FreePcb. Per a dur a terme aquest disseny hem analitzat per a cada component el “pattern” que necessita, un cop ja havíem adquirit els components necessaris. Les consideracions que hem tingut en compte a l’hora de fer el disseny són les següents:

• Comprovar que es pugui fer forats allà on hi vagi un component THT (amb potes).

• Comprovar que els forats siguin lleugerament més grans que el diàmetre de la pota del component per a que es pugui insertar.

• Comprovar que al voltant del forat hi quedi suficient marge de coure per a poder soldar-hi la pota del component amb comoditat (entre 1 i 2 mm. de gruix de coure al voltant del forat).

• Comprovar que totes les pistes tenen continuïtat i que les connexions són correctes.

• Comprovar que l’orientació dels components és correcta • Pistes d’un gruix mínim de 2mm. i màxim de 5mm. • Distància mínima entre pistes: 1mm.


- 8 -

I un cop fet el layout ens queda de la següent manera:

En aquesta imatge podem veure les capes superior i inferior. La capa inferior (en vermell) és la que té la massa i és on hi haurem de posar tots els components excepte el transistor que és de muntatge SMD . A la capa superior (en verd) és on hi trobem totes les pistes. En la següent figura només hi observem la capa superior per poder distingir millor les diferents pistes i els forats pels components:


- 9 -

4. Paràmetres característics

• Rang de freqüències d’operació

fmax = 170.5 MHz i amb una potència de 9dBm. fmin= 133.5 MHz i amb una potència de 10.8dBm. Per a la freqüència nostra d’interès (144MHz) la potència que trobem és de 12.4dBm.

• Distorsió harmònica L’oscil·lador opera de forma no lineal i, a causa d’aquesta peculiaritat, l’oscil·lador no ens generarà només un to pur a la freqüència fonamental, sinó que a més tindrem un seguit d’harmònics d’amplituds decreixents. Per poder especificar la seva idealitat en termes d’amplitud, s’ha de mesurar el nivell de potència dels seus harmònics respecte al fonamental, magnitud que s’expressarà en dBc (dB to carrier), tal com s’indica a la següent figura:

Quan l’interès està a trobar l’efecte global de tots els harmònics, parlem del concepte de distorsió harmònica total (THD), magnitud que s’expressa en percentatge (%) i que es defineix de la manera següent:

on A1 és l’amplitud en volts del fonamental, A2 és l’amplitud en volts del primer harmònic i An ho és del n harmònic.


- 10 -

S’ha de tenir en compte que aquestes mesures corresponen a valors de tensió i, per tant, són magnituds lineals. Això vol dir que si fem la mesura dels harmònics a partir de l’analitzador d’espectre obtindrem valors de potència en escala logarítmica (dBm) i, per tant, serà necessari convertir-los a lineal (W). Així la distorsió harmònica també la podrem expressar en funció de les potències en W P1, P2, P3, Pn, del fonamental i dels seus harmònics, de la forma:

Com més petit sigui el valor de la distorsió harmònica, millor serà la qualitat de l’oscil·lador. En el nostre cas ens trobem amb el següent nivell d’harmònics:

P1 12.4dBm = 17.3 mW P2 11 dBm = 12.5 mW P3 4.2 dBm = 2.63 mW P4 -6.4 dBm = 0.22 mW P5 -10.8 dBm = 0.08 mW P6 -5.6 dBm = 0.27 mW P7 -8.6 dBm = 0.13 mW

Per tant tenim una distorsió harmònica de:

%6.953.17

13.027.008.022.063.25.12100(%) =

+++++=TDH

Com podem observar tenim un nivell de distorsió harmònica bastant elevat. Això és degut a que els nostres harmònics tenen una potència comparable amb la del fonamental. Aquest efecte és normal ja que no tenim cap filtre a la sortida i el transistor es pot utilitzar a alta freqüència. Segons l’utilitat que se li vulgui donar a l’oscil·lador serà necessari posar un filtre per disminuir la distorsió harmònica.

• Puresa espectral Encara que els aspectes anteriors de distorsió harmònica lligats amb el soroll d’amplitud són importants per definir la qualitat d’un oscil·lador, sens dubte tenen molt més interès tots els relacionats amb el soroll de fase. Les pertorbacions que experimenti la fase del senyal proporcionat per un oscil·lador són les que ens permetran definir-ne l’estabilitat i molt especialment la qualitat de l’espectre que generen. La puresa espectral d’un oscil·lador és una indicació de la seva qualitat, o també podem dir que és una mesura del seu grau d’idealitat. Si l’espectre d’un oscil·lador ideal és d(f-fo), llavors la puresa espectral d’un oscil·lador real serà una indicació de com el seu espectre s’aproxima al de la delta ideal.


- 11 -

Per quantificar aquest concepte de puresa espectral es fa servir la mesura del soroll de fase, que s’anomena soroll per analogia amb el soroll tèrmic, però s’hi afegeix el qualificatiu de fase pel fet que actua sobre la fase (o freqüència) d’un senyal sinusoïdal; així el soroll de fase correspon a la mesura de les inestabilitats a curt termini de la freqüència de l’oscil·lador i que, igual que el soroll tèrmic, és un variable aleatòria, amb un tractament estadístic diferent del gaussià, que li és propi. La mesura de soroll de fase correspon al paràmetre L (f), que s’especifica com el quocient entre la potència de soroll d’una banda lateral mesurada en una amplada de banda d’1 Hz i situada en un offset de freqüència f des de la portadora, respecte a la potència de la portadora.

relació que, expressada en forma logarítmica en dBc (dB to carrier), correspon a la diferència de potències en dBm entre la potència de la portadora i la potència de soroll de la banda lateral.

En el cas del nostre oscil·lador ens trobem amb les següents mesures:

1. PN= -49.7 dBm/Hz per una f= 2KHz

L(f) = 62.1 dBc 2. PN= -76.5 dBm/Hz per una f= 5KHz

L(f) = 88.9 dBc

3. PN= -86.9 dBm/Hz per una f= 10KHz

L(f) = 99.3 dBc


- 12 -

• Estabilitat de freqüència El concepte d’estabilitat de freqüència fa referència a les derives de llarg termini que experimenta la freqüència d’un oscil·lador real. Aquestes derives poden tenir dependència amb la temperatura, amb l’envelliment dels components electrònics de l’oscil·ladors amb les fluctuacions de la tensió d’alimentació i amb d’altres factors similars. Les mesures d’estabilitat es realitzen mitjançant freqüencímetres o comptadors, o bé també utilitzant com a patró el propi analitzador d’espectres. Cal dir que l’estabilitat en freqüència de l’oscil·lador de l’aparell de mesura sempre ha de ser millor que la del dispositiu que volem mesurar o, si no, la mesura és errònia. L’estabilitat s’especifica en ppm (parts per milió) de variació respecte a la freqüència nominal d’oscil·lació, en funció del paràmetre de què es tracti: marge de temperatures, períodes de temps, (hores, mesos, etc.), o també qualsevol combinació d’ells.

Variació de la freqüència respecte la tensió d’alimentació. Mesures de laboratori (realitzades a 144Mhz y sense modulació): Tensió (V) 9 8 7 6 5 4 3 2 Freqüència (MHz) 144 143.96 143.90 144 144.11 144.35 144.53 144.25

Com veiem a la taula la variació de freqüència respecte la tensió és molt petita i no segueix cap relació lineal. A la pràctica tindrem una variació d’1V aproximadament que correspon a 40 KHz. Amb menys de 2V deixa d’oscil·lar.

Variació de freqüència amb la tensió d’alimentació = =61.144

40E

MHz

KHz277.77ppm / volt

Respecte a la variació amb el temps hem comprovat que al cap de 10 minuts l’oscil·lador ha tingut una variació de 10KHz.

Variació de freqüència respecte el temps = 61.144

10E

MHz

KHz= 6.944ppm / minut


- 13 -

5. Muntatge del circuit Hem soldat tots els components amb les potes el més curtes possible per evitar problemes de curt circuits i d’inestabilitats. La bateria l’hem muntat al circuit imprès. El circuit finalitzat ha quedat de la següent manera:

Especificacions tècniques Paràmetre Valor Unitat Observacions

Freqüència 133.5 - 170.5 MHz Rang màxim

Potència 12.4 dbm A 144 MHz

Puresa espectral 62.1 dbc A 2 KHz

Distorsió harmònica 95.6 % Sense filtre de sortida

Estabilitat/temps 6.944 ppm Per minut

Estabilitat/tensió 277.77 ppm Per volt

Consum 15.5 mA A 144 MHz y 9V

Alimentació 1.8 - 15 V 9 volts nominal

Autonomia (bateria) 35 hores A 15mA fins 7V bateria

Abast 250 m Antena 1/4 d’ona a l’aire lliure

Mida 107 x 68 mm Mida circuit imprès


- 14 -

6. Bibliografia Radio freqüència : una introducció experimental / Jordi Berenguer Sau http://www.duracell.com/oem/Pdf/new/1604_US_CT.pdf http://www.ortodoxism.ro/datasheets/philips/bb204.pdf http://www.ortodoxism.ro/datasheets/vishay/85031.pdf http://www.uoguelph.ca/~antoon/circ/circuits.htm

oscil·lador vhf · amb un divisor de tensió com el de la figura podem modificar el valor des de 0...

Documents