RF MİKROELEKTRONİK OSİLATÖRLER

Transkript

1 RF MİKROELEKTRONİK OSİLATÖRLER

2 PERFORMANS PARAMETRELERİ: FREKANS ARALIĞI Bir RF osilatörü çıkış frekansı ayarlanabilecek şekilde tasarlanmalıdır. Ayarlanabilir frekans aralığını şu iki faktör belirler. Kullanıldığı sistemin ihtiyacı. İhtiyacın üzerine eklenen hata payı. Bu pay sıcaklık değişimi ya da üretimde oluşan hatalar gibi sebeplerle oluşan frekans kaymalarını karşılayabilmek için eklenmelidir.

3 PERFORMANS PARAMETRELERİ: Örnek: FREKANS ARALIĞI 2.4 GHz ve 5 GHz kablosuz internet bantlarında çalışan direkt çevrim alıcısı tasarlanmak istenmektedir. İki frekansıda tek bir osilatörün karşılaması istenirse osilatörün frekans aralığı ne olmalıdır.

4 PERFORMANS PARAMETRELERİ: FREKANS ARALIĞI Çözüm: Şekildeki gibi bir alıcı devresi kullanılırsa 2.4 GHz bandı için 4.8 GHz f LO 4.96 GHz olur. Toplamda 4.8 GHz den 5.8 GHz e kadar bir frekans aralığı gerekir.

5 PERFORMANS PARAMETRELERİ: Çıkış voltajının Genliği ve Yük Sürebilme Mikserlerdeki anahtarlama transistörlerinin tamamen açılıp kapanabilmelerini sağlamak için osilatörlerin büyük genlikte sinyal üretmeleri gerekmektedir. Ayrıca çok düşük genlikli sinyaller osilatörlerin kendi gürültülerinin etkisinin artmasına sebep olmaktadırlar. Osilatörlerin şekilde görüldüğü gibi birkaç mikser ve frekans sentezleme devresinden oluşan çoklu yükleri sürmesi gerekebilir.

6 PERFORMANS PARAMETRELERİ: Faz Gürültüsü ve Çıkış Dalga Şekli İdeal osilatörün frekans spektrumu impulstur. Fakat osilatörün içindeki elemanların gürültüleri bu spektrumun genişlemesine sebep olur. Bu tip gürültüye faz gürültüsü denir. LO sinyalinin keskin şekilde değişmesi mikser anahtarlamasının hızlı gerçekleşmesini sağlar. Bu sayede mikserin çevrim kazancı yüksek kalır. Keskin geçişler frekans sentezleme devreleri içinde avantajlıdır. Bu sebeple osilatör sinyalinin ideal hali kare dalgadır. Gerçekte ise kare dalga elde etmek çok zordur.

7 PERFORMANS PARMATERELERİ: Kaynak Hassasiyeti ve Güç Tüketimi Bir osilatörün çıkış frekansı kaynak voltajına bağlı olarak değişebilir. Bu durumda kaynak voltajının gürültüsü osilatör çıkışına faz gürültüsü olarak yansır. Bu istenmeyen bir durumdur. Osilatörün ve bağlı tampon devrelerinin kaynaktan çekmiş oldukları gücün bir kısmı gürültüye dönüştüğünden bu gücün fazla olması da istenmeyen bir durumdur.

8 GERİBESLEME YÖNTEMİ Bir osilatör negatif geribeslemeli bir yükseltici olarak düşünülebilir. Bu durumda toplam transfer fonksiyonu aşağıdaki gibi olur. Bu fonksiyonun paydası sıfır olduğunda osilasyon başlar. Osilasyonun başlaması için küçük bir gürültü sinyali yeterlidir.

9 GERİBESLEME YÖNTEMİ Şekilde görülen negatif geri besleme devresinden de anlaşılacağı gibi osilasyonu başlatan gürültü sinyali geri besleme hattının herhangi bir noktasında olabilir.

10 ω = ω 1 civarında Y/X H(jω 1 ) = -1 olduğu ω = ω 1 frekansı civarında H(jω) yı Taylor serisi olarak aşağıdaki gibi yazabiliriz. H(jω 1 ) = -1 olduğundan

11 BARKHAUSEN KRİTERİ Osilasyonun başlaması için geribesleme hattından A noktasına geri dönen sinyalin A noktasındaki orijinal sinyalle aynı fazda olması gerekir. Bunun içinde yukarıda verilen kriterlerin sağlanması gerekir. Negatif beslemenin fazı sabit 180 dereceyken transfer fonksiyonu frekansa bağımlıdır.

12 NEDEN H(jw 1 ) = 1 Sinyalin geribesleme hattı üzerinden attığı her turda genliğinin sürekli artabilmesi için tur kazancının en az bir olması gerekir. H(jω 1) = 1 bu yüzden başlatabilme şartı olarak da bilinir. H(jω 1 ) > 1 olduğu zaman yine osilasyon başlar ve tam osilasyona ulaşmak daha kısa sürer.

13 VOLTAJ SALINIM ÖRNEĞİ Aşağıda görülen devre frekansında giriş sinyali ile sürülürse çıkış dalgalarını çiziniz. Giriş sinyalinin yeterince yüksek olduğunu varsayarsak M1 ve M2 tam anahtarlama yapabilirler. DC de her iki koldan da Iss/2 akım geçer. O halde her bir koldaki akım Iss/2 ortalama değer ve Iss tepe değerine sahip kare dalga olur.

14 TEK PORT YÖNTEMİ Osilatörler geri besleme yöntemiyle analiz edilebildiği gibi tek port yöntemi ilede analiz edilebilirler. Bu yöntemde kayıplı bir LC rezonatörün kaybı negatif dirence sahip bir yükseltici tarafından giderilerek kayıpsız devre elde edilmiş olur ve osilasyon sağlanır.

15 NEGATİF DİRENÇLİ DEVRE

16 KAYIPLI ENDÜKTÖR VE NEGATİF DİRENÇLİ DEVRE Önceki devreyi şekildeki gibi ifade ettiğimizde sadece bir endüktör bağlayarak rezonatör yapısı elde ederiz. Bu yapıda seri direnci paralel hale çevirerek negatif direncin değerini böylece osilasyon başlatma şartını buluruz. Osilasyon başlatma şartı:

17 AYARLANMIŞ OSİLATÖR LC ayarlanmış rezonatörlü yükselticiler kullanarak osilatör yapmak istiyoruz. Düşük freknasta, L 1 baskın olur Rezonans frekansında Yüksek frekansta V out /V in çok küçüktür ve (V out /V in ) -90 civarındadır Giriş ile çıkış arası faz 180 dir V out /V in düşer (V out /V in ) +90 Ye yaklaşır

18 AYARLI YÜKSELTİCİ KASKAD BAĞLANTISI İki tane LC yüklü yükseltici devresi şekildeki gibi bağlanırsa rezonansta toplam tur fazı 360 derece olduğundan osilasyonu başlatma için ilk şart sağlanmış olur. İkinci şart ise her bir basamağın voltaj kazancının karesi olan toplam tur kazancının rezonansta birden büyük olmasıdır.

19 ÇAPRAZ BAĞLI OSİLATÖR Az önce gösterilen devre aşağıdaki gibi de çizilebilir. Devrenin osilasyon frekansını C1 kapasitörü ve parazitik kapasitörlerin L1 endüktörü ile rezonansa girdiği frekans belirler. Bu devre için osilasyon sinyalinin büyüklüğü:

20 KAYNAK HASSASİYETİ Çapraz bağlı osilatörde kaynak voltajındaki herhangi bir gürültü X ve Y noktalarına direk yansır. Çünki herhangi bir DC akım endüktör üzerinden geçtiğinden kaynaktan X noktasına DC voltaj sıfırdır. X ve Y noktasının voltaj değerleri de C DB kapasitanslarını değiştirdiğinden osilasyonfrekansını değiştirir. Böylece kaynak gürültüsü faz gürültüsü haline dönmüş olur.

21 ÇAPRAZ BAĞLI OSİLATÖR: TEK PORT YÖNTEMİ g m1 = g m2 =g m Osilasyon başlangıç şartı:

22 ÜÇ NOKTA OSİLATÖRLERİ Tek port yönteminde gösterilen negatif direnç devresinin hiçbir ucu toprağa ya da kaynağa bağlı değildir. Bu sebeple aynı devre üç farklı şekilde yapılabilir. C 1 = C 2, olduğu durumda osilasyonun başlangıç şartı:

23 ÜÇ NOKTA OSİLATÖR: DİFERANSİYEL DEVRE Üç nokta osilatörlerin diğer bir sıkıntısı diferansiyel sinyal üretememeleridir. Bu durumu çözmek için iki osilatör şekildeki gibi bağlanabilir. Bu devrede R1 direnci yüksek tutulursa ortak mod sinyali önlenmiş olur.

24 VOLTAJ KONTROLLÜ OSİLATÖR Grafiğin eğimi (K VCO )VCO nun kazancı ya da hassasiyeti olarak bilinir. Birimi rad/hz/v dir.

25 MOS KAPSİTÖR İLE VCO Osilasyon frekansını değiştirmek için devrenin toplam kapasitansını değiştirebiliriz. Bunun için şekildeki devre kullanılabilir. Mv1 ve Mv2 transistörlerinin kapasitanslarının kontrol voltajına göre değişimleri grafikte verilmiştir. X ve Y noktaları VDD voltajındadırlar.

26 FREKANS ARALIĞI HESABI Mv1 ve Mv2 nin oluşturduğu değişken kapasitans C var << C 1 kabul edersek: KapasitansınC var1 denc var2, ye kadar değişebildiğini kabul edersek Ayarlanabilir frekans aralığı:

27 LC VCO MOS kapasitörlü VCO da ayarlı kapasitans bölgesinin tamamını kullanamamızın sebebi Mv1 ve Mv2 yi negatif voltajla besleyemememizdir. Bunu yapabilmek için X ve Y noktalarını VDD/2 ye çekmeyi deneyebiliriz. Bunun içinse akım kaynağını yukarı çekerek şekildeki devreyi oluşturabiliriz.

28 LC VCO Soldaki klasik VCO devresinde kapasitansın yarısı kullanılırken sağdaki LC VCO devresinde tamamı kullanılır. Fakat soldaki devrede akımdaki bir değişim X noktasındaki voltaja ΔV CM = (ΔI/2)r s olarak yansır, Sağdaki devrede ise ΔV CM = (ΔI/2)(1/g m ) olarak yansır. Tipik olarak 1/gm rs den çok büyük olduğundan sağdaki devre akım gürültüsünü daha fazla faz gürültüsüne çevirir.

29 KAPASİTİF BAĞLANTILI VCO Önceki gürültü problemini çözmek için şekildeki devre kullanılır. Bu devrede akım kaynağı klasik VCO da olduğu gibi aşağıdadır fakat Cs1 ve Cs2 kapasitörleri P ve Q noktalarını X ve Y noktalarından DC olarak ayırdığı için X ve Y VDD de iken P ve Q VDD/2 de kalabilir ve tüm kapasitans bölgesi kullanılmış olur.