Простой дизайн VCXO - работает на 3-й гармонике, мне нужна базовая частота
фрр
Считай это хобби-вопросом. (Как назвать хобби-проект на периферии вашей номинальной работы? Подлой работой?) Я хочу сказать, что я не профессионал в области проектирования EE.
Я был бы признателен за ваше мнение об осцилляторе Xtal, с которым я играю.
Короче говоря, в настоящее время я преследую прихоть, чтобы построить 25 МГц VCXO. Я мог бы купить один, но это было бы не так весело. И, поскольку я не люблю делать что-то проторенным путем, мне пришла в голову идея создать осциллятор на топологии нестабильного мультивибратора с крыльями бабочки (релаксационный осциллятор), который на самом деле получает свою функцию от двойного Временная задержка RC в логическом / прямоугольном поведении, а не в синусоидальном колебании ... во всяком случае, в его номинальной топологии.
Я выбрал эту топологию, потому что ценю ее симметрию, относительное превышение коэффициента усиления и тот факт, что два транзистора обеспечивают идеальный фазовый сдвиг на 360* (чисто положительная обратная связь). Может быть, я также являюсь пленником парадигмы, связанной с напряжением... ну ладно. Для меня топология слишком проста для понимания, чтобы ее игнорировать ;-)
Я решил поместить xtal между базами двух транзисторов с общим эмиттером, а не между их коллекторами. Подключенный между базами, xtal может работать при умеренной амплитуде переменного тока (подтверждено, в моем случае пиковое значение в пару сотен мВ), а базы будут представлять незначительную нагрузку, поэтому я смогу точно настроить воспринимаемую «емкость нагрузки». у кристалла (чтобы все было удобно), и это самая простая позиция в схеме, чтобы поддерживать достаточно приличную добротность.
На приложенной схеме вы можете видеть два кристалла, соединенных параллельно. Всегда припаян только один кристалл — я просто включил два посадочных места для кристаллов двух разных механических размеров. Я начал с 18 пФ C(L) XTAL (более крупного), и у меня в рукаве есть меньший 9 пФ C(L) XTAL.
В схеме вы увидите четыре варикапа/варактора, предназначенных для тонкой настройки. Варактор BB545 имеет емкость в диапазоне 2-20 пФ. Транзисторы BFR380 имеют около 1 пФ Cbe. Таким образом, если вы сделаете математику, вы обнаружите, что сеть конденсаторов вокруг Xtals довольно хорошо согласована (по емкости) как C (нагрузка) с xtal. Я могу припаять все четыре варактора для 18pF xtal или только два для маленького 9pF xtal. Оба Xtal имеют базовую частоту 25 МГц.
Что касается «перекрещивающихся RC-обратных связей», то первоначально я использовал эмпирическое правило, чтобы сделать их достаточно легкими для кварца (ESR = 30 Ом в резонансе) и для подтягиваний коллектора, а также «сделать свободный ход генератора» примерно при 25 МГц без установленного кварца. Что, как ни странно, действительно работает - я пробовал :-)
Я также включаю скриншот макета печатной платы.
Обратите внимание, что это соответствует предыдущей версии схемы, где обратные связи шли прямо к базам транзисторов, а не к выводам Xtal. Я не был уверен, куда пойти во время проектирования печатной платы, поэтому я расположил конденсаторы таким образом, чтобы можно было попробовать ту или иную конфигурацию. И в настоящее время я работаю с версией, показанной на схеме. Моя мотивация состоит в том, что это может привести к лучшей чистоте синусоиды на коллекторах. (Ой, а эмиттерные резисторы обозначены на печатной плате 50 Ом. На самом деле это просто проволочные перемычки.)
Перед подключением обратной связи я проверил правильность смещения постоянного тока транзисторов (при 2,6 В, примерно половина +5 В пост. тока) = соответствует моей симуляции постоянного тока в Qucs. И как только обратные связи подключены, осциллятор работает с первого зажигания :-)
Интересно, что я, вероятно, достиг разумного баланса с сопротивлениями обратной связи, так как осциллятор дает аккуратную синусоиды на выходе :-) И собственная амплитуда синусоиды Xtal, соответственно, ниже. Только нужное количество энергии через обратную связь, чтобы поддерживать колебания.
И единственное, что не так: он работает на частоте около 76 МГц = примерно 3-я гармоника базовой частоты Xtal :-)
Для меня это означает, что, учитывая частотную характеристику обратной связи, резонансный полюс 3-й гармоники xtal стал выше, чем его основной резонансный полюс. Генератор работает на частоте, где превышение коэффициента усиления контура максимально.
Что мне намекает на два возможных решения.
A) Мне все еще нужно, чтобы обратные связи были связаны по переменному току (развязаны по постоянному току). Так что мне нужны разделительные конденсаторы на месте. Но я мог бы значительно увеличить их емкость и, возможно, отрегулировать сопротивление, чтобы оставить его на экспериментально проверенном «уровне контурного усиления». Чтобы импеданс обратной связи не имел такого значительного спада во всем диапазоне рабочих частот Xtal (сделайте его более чисто резистивным). В моей исходной установке есть сопротивление 470 Ом последовательно с емкостным сопротивлением 630 Ом (на 75 МГц), т.е. что-то вроде 33-100 пФ последовательно с 1k - 1k2 Ом может помочь. То есть, если основной полюс на Xtal на самом деле выше, чем 3-я гармоника.
Б) Я мог бы попытаться поддержать основную частоту Xtal, превратив обратные связи в последовательно-резонансные LC-цепи. Сети RLC на самом деле. LC-контур в резонансе имеет более низкий импеданс, чем каждый компонент (L или C) по отдельности, но мне немного сложно оценить остаточное ESR... В то же время, учитывая мое текущее значение C 3,3 пФ, I' d должны использовать довольно большую катушку индуктивности для достижения резонанса на частоте 25 МГц. А именно 12 мкГенри. Стандартные ферритовые дроссели номиналом 12 мкГн имеют собственную резонансную частоту чуть выше 25 МГц, поэтому выбор правильного конденсатора для последовательного подключения может потребовать некоторых проб и ошибок... Я мог бы увеличить последовательный конденсатор примерно до 10 пФ и выбрать индуктор, который соответственно меньше, чтобы облегчить мою жизнь.
Или я мог бы выбрать тороидальный сердечник для коротковолнового использования и самостоятельно намотать катушку индуктивности. Может быть, я мог бы сделать две обмотки на общем тороидальном сердечнике и превратить эту перекрещивающуюся обратную связь в LC-резонаторы с противофазной связью, верно? :-)
Или я мог бы поместить LC-цепи в коллекторы...
Итак... :-) Любые комментарии приветствуются.
Прежде чем вы спросите: это тактовый генератор. Мне нужен разумный собственный джиттер/стабильность, отсюда стремление к высокой добротности и хорошей спектральной чистоте (что не обязательно является одной и той же целью). Мне также нужна возможность тонкой настройки любого отклонения частоты, следовательно, управляющий вход и варакторы. Оставим PLL в качестве следующего упражнения (отдельная задача). Оск питается от +5В, вырабатываемых каскадом 7808+7805 с 12В на входе (и кучей развязывающих конденсаторов).
Ответы (2)
рфдэйв
Иногда выбирают проторенный путь, потому что он работает. Почему бы вам не использовать простую топологию генератора Колпитса? У кристаллов есть неотъемлемая гармоническая проблема, так как они являются механическими устройствами, нечетные гармоники приходят с территорией. Если вы хотите подавить 3-ю гармонику, взгляните на относительный коэффициент усиления цепи на частоте 75 МГц против 25 МГц, вероятно, где-то усиление обратной связи у вас больше.
фрр
Что касается моей идеи превратить перекрещивающиеся RC-дорожки в RLC, я взглянул на некоторые практичные готовые дроссели и присущие им F(res), возникающие из-за паразитной емкости. И я попытался нарисовать эквивалентную схему в Qucs.
Я начал с катушки индуктивности 4,7 мкГн с частотой F(res) = 35 МГц, что соответствует примерно 4,4 пФ паразитной емкости. Это в сочетании с оригинальным резистором 470 Ом ограничивает обратную связь.
Что приводит к следующему графику тела:
Обратите внимание, что паразитная емкость подключена параллельно катушке индуктивности, а моя явная C в обратной связи — последовательно. Обратите внимание, что мой первоначальный RC-контур обратной связи был C = 3,3 пФ и R = 470 Ом, что на частоте 76 МГц дает около 1100 Ом. Если я попытаюсь построить практически осуществимую сеть LCR (используя катушку индуктивности с достаточно высоким внутренним значением Fres), мне, вероятно, придется использовать более высокое значение R, например, килоом, чтобы компенсировать близкое короткое замыкание в последовательной комбинации LC ( Я хочу, чтобы обратная связь оставалась слабой).
У меня также есть катушки индуктивности 1 мкГн с F(res) 100 МГц, если верить данным. Это будет означать около 2,2 пФ паразитной емкости. И, поэкспериментировав с смоделированной схемой, я пришел к выводу, что мне следует добавить еще один конденсатор 2,2 пФ параллельно катушке индуктивности (то есть вернуться к 4,4 пФ).
И вот:
До тех пор, пока я держал R низким, последовательный конденсатор маленьким, а катушка индуктивности невероятно большой, последовательный резонансный пик около 25 МГц был довольно резким. Но: как только я перешел на резистор 1 кОм, более реалистичную катушку индуктивности 1 мкГн и конденсатор серии 33 пФ, чтобы получить достаточно низкую частоту последовательного резонанса, пик последовательного резонанса стал довольно плоским и широким. На что я, пожалуй, не сильно возражаю, потому что это избавит меня от кропотливой тонкой настройки обратной связи.
Для меня забавным моментом является параллельно-резонансный ноль. Только с паразитной емкостью это было на частоте 100 МГц. Но, если бы я добавил немного дополнительной емкости параллельно, я мог бы указать ноль на чёртовой 3-й гармонике :-D на частоте 76 МГц. То есть - если боги помогут. Я хорошо знаю, что мои ветви обратной связи спрятаны в более широкую сеть конденсаторов вокруг Xtal, и я знаю, что это значит. Мне бы хотелось верить, что «индуктивная природа» Xtal будет хорошо сбалансирована с предварительно рассчитанной сетью конденсаторов вокруг, так что обратные связи будут сталкиваться с чистой «почти короткой» сетью Xtal, но я вспоминаю некоторые предыдущие эксперименты в Qucs. , со связанными резонаторами LC, и я знаю, что результаты были далеко не интуитивными :-)
Надеюсь, завтра я снова смогу как следует испачкать руки.
Если бы я действительно серьезно относился к настройке LC, мне пришлось бы поместить несколько LC-ячеек в части схемы с более низким импедансом (возможно, в цепи коллектора) — вот где я мог бы использовать катушки индуктивности с более низким значением и конденсаторы с более высоким значением. Я не думаю, что прибегну к этому, хотя :-)
===== РЕДАКТИРОВАТЬ: =====
Итак, я совершил еще одно или два погружения. Окончательная (вероятно) схема выглядит так:
Я обнаружил, что добавление соответствующих дросселей в обратные связи творит чудеса :-) Мне даже не пришлось добавлять параллельные конденсаторы (для тонкой настройки нуля для 3-й гармоники, как было предложено выше). Я также увеличил последовательные конденсаторы в обратных связях, чтобы они не благоприятствовали высоким частотам (если они достаточно велики, их реактивное сопротивление становится несущественным по сравнению с последовательными резисторами). Теперь с дросселями и увеличенными колпачками схема была слишком счастлива, чтобы колебаться на базовой частоте xtal :-) Я также попробовал, насколько высоко я могу подняться с последовательными резисторами обратной связи (R11, R12). Пока еще не было варакторов, схема радостно колебалась с резисторами 10k в обратных связях :-) Как только я добавил варакторы, мне пришлось отступить на 6k8, и когда я понял, что варакторы останавливаются, если я подаю напряжение меньше прибл. 300мВ на варакторы, я отступил дальше на 3к3. Тогда он запустится даже при V(tune) = 0 В.
И во время другой сессии, где мне удалось реализовать простую PLL (еще одна забавная сказка о том, как простое XOR выиграло у зарядного насоса 74HC4046), я заметил, что после некоторого прогрева генератор, кажется, теряет усиление - или, скорее, , может быть, он теряет Q. Рабочие точки постоянного тока остаются на месте: напряжения коллектора и базы такие же, как обычно, но схема постепенно теряет «стремление к колебаниям». Я, конечно, могу еще уменьшить R11 и R12, чтобы иметь больше «увеличения запаса» (за счет более уродливой формы выходного сигнала). Нет, АРУ добавлять не буду :-) Все же интересно, где же прячутся гремлины, и не портится ли что-то в схеме постепенно (необратимо). Это правда, что я, возможно, работаю с xtal при удвоенном размахе напряжения, которое в противном случае потребовалось бы для одного транзистора. Может быть - зависит от того, с какой схемой мы сравниваем. И я попытался найти некоторые определения Xtal «уровня возбуждения» - дано в ваттах, но измерено как переменный ток через Xtal, и никто не удосужился объяснить, означает ли уровень возбуждения «чистые потери энергии» (тепло) или это включает в себя «реактивную мощность», текущую туда и обратно в генераторе, включая внешние конденсаторы ... И, зная эффективную C (нагрузку) и среднеквадратичное напряжение (как видно на осциллографе), я могу рассчитать протекающий переменный ток между Xtal и C (нагрузка), поэтому мне не нужен токовый пробник для этого ... и, по-видимому, даже эта «реактивная мощность» не достигает номинального максимума кристалла в 1 мВт. То же самое с транзисторами и варикапами, они вроде не перегружены... это загадка.
Варикапы заставляли меня задуматься. В схеме приемника они работают с уровнями напряжения переменного тока в микровольтах. Здесь они должны выдержать пару сотен милливольт и ток около миллиампера. Что не выглядит большой проблемой, учитывая, что допустимый прямой постоянный ток составляет 20 мА на штуку... Кроме того, варикапы печально известны своей относительно плохой добротностью даже при низких уровнях сигнала. На 1 В от V (настройка) в нижней части (максимальная емкость) их «кривая передачи вольт-фарад» заметно нелинейна, что делает их еще более проблематичными в роли настроечного конденсатора.
Я забыл упомянуть, что в этой схеме Xtal может быть отклонен примерно на +/- 100 ppm от желаемого центра для диапазона V (настройки) 0..+5V. Который отлично работает с фазовыми детекторами 74HCT, которые я пробовал.
В любом случае сообщение в том, что я развлекаюсь :-) и мне, вероятно, следует закрыть тему здесь. Всем спасибо.
==== РЕДАКТИРОВАТЬ: ===
«Постепенное затухание добротности» могло быть просто холодным соединением в обратных связях переменного тока. Это не сработало, поэтому я выключил питание, пощупал омметром (у меня очень острые концы щупа) обратные связи, заметил подозрительные места, попробовал включить, снова работает нормально... Подретушировал подозрительные места. пятна с паяльной ручкой, включенной, работает нормально с тех пор...
Я помню, что схема однажды отреагировала «увеличением усиления», когда я коснулся кристалла пластиковой ручкой... или в какой-то момент я заметил, что один боковой узел коллектора (выходной) давал меньшую амплитуду, чем другой. Я буду следить за этим. Все это просто хак :-) Придется прогонять его с прикрепленным прицелом.
Свои прежние записи в тексте сохраняю "для протокола".
Кстати: какое-то время я был недоволен обертоном 75 МГц, просачивающимся во все мои измерения по всем направлениям, независимо от того, где пробники были подключены в любой момент времени. Пока я не обнаружил, что 75-мегапиксельный призрак исчезает, если я отсоединяю землю от одного из своих "прицелов". Их длина около 1 метра. Поди разберись :-) В этот момент я поставил ферритовое кольцо на каждый кабель зонда - и 75Meg ingress практически исчез.
========== РЕДАКТИРОВАТЬ ===========
Я, наконец, определил причину случайной странной асимметрии / затухания добротности: C10 (соединение Xtal с левыми варикапами), который представляет собой SMD 0603, имел одну непропаянную контактную площадку. Наверное, я просто забыл его припаять. Таким образом, контакт контакта C с площадкой печатной платы был несколько случайным и чувствительным к вибрации. Аааа... :-)
========== РЕДАКТИРОВАТЬ ===========
Еще одно дополнение, возможно, последнее: мой простой синтезатор с ФАПЧ (10 МГц -> 25 МГц) с этим VCXO отлично работает в качестве внешнего источника тактового сигнала для некоторых сетевых адаптеров i210. Я оставил их исходные 25 МГц xtals на месте (чтобы использовать их в качестве еще одного этапа пассивной фильтрации джиттера) и реализовал только слабую связь от моего источника 25 МГц к выводу «затворный вход» исходных кристаллов, так что мои 25 МГц sinewave только «мягко упирает» исходный кристалл в нужное положение во времени (фазе). Я снова использовал Qucs, чтобы оценить значения компонентов муфты (RLC). Результатом является отметка времени HW на уровне наносекунд при захвате пакетов с помощью Wireshark/TCPdump. Слабая связь работает, о чем свидетельствует тот факт, что управляемая ПО фазовая синхронизация PHC (дисциплинирующая внутреннюю временную базу с метками времени 1 ГГц) теперь сообщает о постоянном смещении частоты 0 ppb (и смещении времени 0 нс от PPS, что является еще одним входом). Одно это мало что говорит об остаточном джиттере в конце этого «каскада PLL», но, возможно, на самом деле все не так уж и плохо :-) Если бы я пытался в прошлом влиять на исходный xtal, касаясь его корпуса и окружающих живых булавки, я смог получить его примерно на 5-20 ppm (измерено с интервалом в 1 секунду), что будет означать сотни фемтосекунд в течение 1 такта (40 нс), что находится в пределах требуемого стабильность указана в техническом описании i210 (остаточное дрожание 1,5 пс). Да, моей плате PLL+VCXO требуется больше времени для ответа, но в то же время "
Я тут сильно отклоняюсь от темы. Я планирую создать «сообщение в блоге» в другом месте по этой более широкой теме, когда мой проект skunkworks будет завершен (или остановится из-за какой-то другой ловушки, из которых мне осталось столкнуться с несколькими).
Битональный нестабильный мультивибратор BJT, может кто-нибудь объяснить мне, как работает эта схема?
Нестабильный мультивибратор, не производящий прямоугольную волну на выходе, с использованием двух биполярных транзисторов.
генератор треугольных и прямоугольных импульсов
Добавление диодов в транзисторный нестабильный мультивибратор; Диоды Шоттки 1N5818 работают, а диоды 1N4148 - нет; не могу понять почему
Период для этого нестабильного мультивибратора (ни затворов с ограничительными диодами)
Частота нестабильного мультивибратора BJT увеличивается с напряжением
На сигнал ШИМ влияет подключение двигателя
Как выбрать номиналы базовых резисторов для нестабильного мультивибратора с низким рабочим циклом (<5%)?
Нестабильный мультивибратор не работает
КМОП частота колебаний
Джонатан С.
фрр
Джонатан С.
фрр