PRAKTIKUMSVERSUCH IM FACH MIKROWELLENTECHNIK CLAPP OSCILLATOR

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1 2011 Fachhochschule Aachen Mat. Nr PRAKTIKUMSVERSUCH IM FACH MIKROWELLENTECHNIK VERSUCH 3:: ADVANCED DESIGN SYSTEM SYST CLAPP OSCILLATOR

2 1. Einleitung Im Praktikumsversuch sollen ein Clapp Oszillator analysiert werden. Zielsetzung ist es, das Verständnis der Clapp Oszillator Schaltung durch Simulation in der Software ADS zu entwickeln. Agilent Advanced Design System eignet sich besonders um Schaltungsanalysen und Simulationen durchzuführen. 2. Aufgabenstellung zum Beispielprojekt In der Startleiste von ADS wird über den DesignGuide der Unterpunkt Oszillator gewählt. Im Projekt soll speziell der Clapp Oszillator bearbeitet werden. Hierzu sind acht Unterpunkte zu bearbeiten. - Fixed Frequency Oscillator (Oszillator mit fester Frequenz) - Single Frequency Phase Noise (Phasenrauschen für eine feste Frequenz) - Tuned Frequency Oscillator (Abstimmbarer Frequenz Oszillator) - Frequency Pulling (Fehlanpassung des Ausgangs) - Frequency Pushing (Schwankung der Versorgungsspannung) - Output Load Mapping (Abbildung der Ausgangsbelastbarkeit) - Input Load Mapping (Abbildung der Eingangslast) - Large Signal S-Parameter (Großsignal S-Parameter) 3. Durchführung 3.1 Oszillator mit fester Frequenz Die Oberfläche im Beispiel besteht aus einem Symbol (roter Rahmen), einem OscPort, der Strommessung sowie dem Abschlusswiderstand. Vres bezeichnet hierbei die Eingangsspannung und Vout die Ausgangsspannung. Zur Beschreibung der Komponenten bietet die Hilfefunktion einen guten Dienst. Der eingesetzte OscPort ist ein spezielles Bauteil, dass zur Oszillator Analyse verwendet wird. Der Port darf einmalig pro Oszillatorschaltkreis verwendet werden. Zur Simulation der Markus Dick Seite 2

3 Schaltung in der idealisierten Umgebung von ADS regt der OscPort den Oszillator an, was in der Praxis nicht notwendig ist. OscPort Strommessung Abschlusswiderstand Simulationseinstellung Symbol Abbildung 1: Simulationsbeispiel - Fixed Frequency Oszillator Zum Verständnis der Schaltung werden die Ports des Symbol in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: Symboldarstellung mit nummerierten Ports Durch anklicken der Symbole ist es möglich, in die Schaltung des Symbols zu wechseln. Das Symbol wird hauptsächlich zur besseren Lesbarkeit des Schaltplans und der Weiterverwendung in anderen Projekten verwendet. Markus Dick Seite 3

4 Pin 1 Pin 2 Pin 5 Pin 4 Pin 3 Abbildung 3: Schaltplan des Symbols Zu besseren Übersicht wird die Schaltung des festen Oszillators in Abbildung 4 zusammengefasst dargestellt. Der in rot gekennzeichnete Bereich zeigt den Schwingkreis und der blaue Bereich die Transistorverstärkerschaltung. Der feste Oszillator wird durch die Spule Lt des Schwingkreises eingestellt. Hierdurch ist, wie im Symbol gezeigt, ein Frequenzbereich von 0.5 bis 15 GHz einstellbar. Rout bezeichnet den Abschlusswiderstand und dient zur Anpassung. Zur Simulation wird ein Versorgungsspannung von Vcc = 5V und eine Frequenz f0 = 1GHz verwendet. Die Koppelkondensatoren C_Block entkoppeln die Gleichspannung und sind, wie die Spule L_Ein, als ideal anzunehmen. Markus Dick Seite 4

5 R2 R1 Vcc OszPort 2 Vref Schwing- L_Ein C_Block 1 Lt Ccp kreis C1 Ct 4 C_Block Re C_Block C2 Strommessung Rout =50 3 Vout Verstärker Schwingkreis Abbildung 4: Schaltung des Oszillators mit fester Frequenz Bei der Simulation ist im linken Bild, das Frequenz-Spektrum der Eingangs- und Ausgangsgröße (Vres = Eingang, Vout = Ausgang) über die Frequenz abgebildet. Im rechten Bild wird die Eingangs- und Ausgangsspannung über die Zeit dargestellt. Im Spektrum ist zu erkennen, dass die Spannung mit steigender Frequenz sinkt. Im Spannungsdiagramm ist das Schwingverhalten des Oszillators dargestellt. Im unteren Teil der Abbildung 4 wird durch die Strom- und Spannungsmessung der Leistungsverbrauch in Watt bzw. dbm, sowie die frequenzbestimmenden Bauteile (Lt und Ct) auf 5,128pF und 13,05nH berechnet. Abbildung 5: Simulationsergebnisse des Oszillators für eine fest Frequenzen von 1GHz Markus Dick Seite 5

6 3.2 Phasenrauschen für eine feste Frequenz In Abbildung 6 wurde das identische Symbol, wie im vorherigen Unterpunkt verwendet. Zur Simulation des Phasenrauschens wurde das Rauschen über den Frequenzbereich 10 Hz bis 1 MHz gewobbelt. Die Grundfrequenz fo wurde hierbei auf 1GHz gesetzt. Abbildung 6: Schaltung zur Simulation des Phasenrauschens In Abbildung 7 sind die Messergebnisse des Amplituden- und Phasenrauschen verdeutlicht. Die frequenzbestimmenden Bauteile (Lt und Ct) wurden zu 5,128pF und 13,05nH berechnet. In den Diagramen wurde das Phasen- und Amplitudenrauschen für Vres und Vout über den Wobbelbereich geplottet. Hieraus ergibt sich eine fallende Simulationskurve bei steigender Frequenz. Für eine Oszillatorfrequenz von 1 GHz werden die Simulationswerte tabellarische aus den Diagrammen der Phasenund Amplitudenrauschen dargestellt. Der größte signifikante Beitrag des Rauschens ergibt sich im Bereich von 15dB. Markus Dick Seite 6

7 Abbildung 7: Simulationsergebnisse des Phasen- und Amplitudenrauschen Markus Dick Seite 7

8 3.3 Abstimmbarer Frequenz Oszillator Bei dieser Simulation wird der Kondensator cv gewobbelt, wodurch sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises verändert. Abbildung 8: Schaltung des verstellbaren Oszillators Bild 1 zeigt das Verhältnis der Ausgangsleistung im Bezug auf die gewobbelte Kapazität. Hierbei ist ersichtlich, dass bei steigender Kapazität eine Leistungs Erhöhung stattfindet. Bild 2 zeigt den Zusammenhang, dass bei steigender Kapazität sich die Frequenz am Ausgang erhöht. Der Frequenzfehler in Bild 3 beschreibt den vertikale Abstand zwischen der Kurve in Bild 2 und einer Ausgleichsgraden zwischen den Endpunkten der Kurve (Bild 2 - Schwarze Linie) Abbildung 9: Simulationsergebnis der Abstimmung von Kondenstator cv Markus Dick Seite 8

9 3.4 Frequency Pulling Beim Frequenz Pulling wird die Ausgangslast fehlangepasst und die Frequenzabweichung ausgewertet. Der Last wird hierbei über den Bereich von 0 bis 2*Pi gewobbelt. VSWR Abbildung 10: Simulationschaltung für das Frequenz Pulling Der rote Graph zeigt den Zusammenhang zwischen der Frequenz und dem gewobbelten Bereich von 0 2*Pi, wodurch die Verstimmung um +- 30MHz bei ½π und ¾ π zu erkennen ist. Im blauen Graphen ist der Betrag Ausgangsspannung über die Verstimmung der Last dargestellt. Abbildung 11: Simulationsergebnisse des Frequency Pulling Markus Dick Seite 9

10 3.5 Frequency Pushing Beim Frequenzy Pushing' wird die Versorgungsspannung über einen gewissen Bereich gewobbelt und die Abweichung der Frequenz ausgewertet. Abbildung 12: Simulationsschaltung für das Frequenzpushing Im Bild 1 ist die Frequenz im Bezug auf die Abweichung der Versorgungsspannung aufgetragen. In Bild 2 zeigt den durch die Marker aus Bild 1 gesetzten Bereich, wodurch eine Frequenzabweichung von 3.5 MHz im Bereich von 5,4V 4,6V resultiert. In Bild 3 ist die Ausgangsspannung im Bezug auf die Versorgungsspannung gezeigt, hierbei tritt ein im Bereich von 3V 7V ein Amplituden Abweichung von ca. 10dB auf Abbildung 13: Messergebnisse des Frequenz Pushing Markus Dick Seite 10

11 3.6 Abbildung der Ausgangsbelastbarkeit Zur Abbildung der Last wird an den Eingang 1 des Symboles ein ADS eigener Terminierungswiderstand und der Ausgang 2 auf Masse gelegt, sowie an den Ausgang eine variable Last angeschlossen. Der Widerstand definiert die Port Impedanz. Als Parameter für das Wobbeln wird der Bereich 1 10 GHz gewählt. Abbildung 14: Simulationsschaltung der Ausgangsbelastbarkeit Durch die Bewegung des ZL Markers im roten Smith Chart kann der variable Widerstand verändert werden und durch die Bewegung des Marker FRQ wird die Frequenz verändert. Veränderung des Eingangswiderstand Variationmarker des Ausgangswiderstand ZL Variationmarker der Frequenz Abbildung 15: Simulationsergebnis der Ausgangsbelastbarkeit Markus Dick Seite 11

12 3.7 Abbildung der Eingangslast Dieses Experiment zeigt die Reflexions Koeffizienten des Ausgangs für variable Terminierungen. Bei der Abbildung der Eingangslast wird der variable Widerstand an Pin 1 des Symbols und der Terminierungswiderstand an den Ausgang des Symbols angeschlossen. Abbildung 16: Simulationsschaltung der Eingangslast Wie im letzten Unterpunkt ermöglich ADS die Verschiebung verschiedener Marker, um die Beziehung des Ausgangs in Bezug auf die Eingangslast zu simulieren. Abbildung 17: Simulationsumgebung der Eingangslast Markus Dick Seite 12

13 3.8 Großsignal S-Parameter Die S-Parameter bestimmen die Frequenz und die Leistung der Oszillatoren. Zur Simulation wird eine Quelle an den Eingang der Schaltung angeschlossen, die durch Variation der Frequenz fr und der Variable VS justiert werden kann. Abbildung 18: Simulationsschaltung der Großsignal S-Parameter Als Definitionsmethode der Großsignal S-Paramter wird der Kurokawa Plot verwendet. Hierbei können Marker für die Frequenz fr und die Variable VS verändert werden, wodurch sich die Daten im Kurokawa Plot entwickeln. Im roten Plot wird das 1/Sn im Bezug auf die Amplitude auf eine bestimmten Eingangsfrequenz bezogen (Marker FRQ). Im blauen Plot bezieht sich das 1/Sn auf eine Frequenz bei einem bestimmten Quell Pegel (Marker VSRC). Marker FRQ Marker VSRC Abbildung 19: Kurokawa Plot Markus Dick Seite 13

14 3. FAZIT: Durch die Simulation im Praktikum wurde veranschaulicht, dass mittels der Software Advanced Design System von Agilent umfangreiche Problem bearbeitet und gelöst werden können. Der Umgang mit den programmspezifischen Symbolen und Methoden erfordert jedoch ausreichend Einarbeitungszeit. Positiv zu bewerten ist, dass die Software eine enorme Anzahl an unterschiedlichen Beispielen bietet, die es ermöglichen sich selbstständig in die Oberfläche einzuarbeiten. Abschließend kann man sagen, dass das Praktikum einen guten Einblick in die Software ADS bietet. Markus Dick Seite 14