دانلود مقاله اسیلاتور

مقدمه

با توجه به رشد سریع شبکه های مخابراتی بی سیم، ارتباط بسیار نزدیکی بین الکترونیک و مخابرات میدان پدید آمده است. در مخابرات ما با سیستم هایی کار می کنیم که احتیاج به فرکانس دقیق دارند تا از خطاهای جیتر که منجر به isi می شوند جلوگیری کنیم، با این کار هزینه ها بسیار پایین می آید و نیاز به تکرار کننده های دیجیتال کمتر می شود. بنابراین مهندسان الکترونیک با طراحی کردن نوسان سازهای با دقت فرکانسی بالا، خطی در گستره استفاده و دارای نویزکم به کمک مهندسان مخابرات می آیند. این فرکانس دقیق از فرکانس کلاک در میکروپروسسورها تا تلفن های سلولی استفاده دارند و هر کدام از این کاربردها احتیاج به توپولوژی خود را دارد. در یکی احتیاج به توان بسیار پایین نیاز نیست ولی در عوض فرکانس دقیق مورد نیاز است و در دیگری برعکس. بنابراین یک مبادله در هر کاربرد وجود دارد.

نوسان سازی که بتواند در گستره بیشتر فرکانس های مخابراتی خاصیت خطی داشته باشد، امروزه مورد نیاز است. بنابراین خطی بودن یک خاصیت مهم برای نوسان سازها است. برای این کار باید به خصوصیات ورکتوری که در نوسان ساز استفاده می شود توجه کافی بشود. امروزه باید به فکر گستره های فرکانسی بالاتری بود، زیرا با پیشرفت صنعت فرکانس مورد استفاده در وسایل الکترونیکی و مخابراتی بیشتر می شود.

در بخش یک سعی شده تا نوسان سازها بررسی شود و تعاریف و شرایطی که یک مدار باید داشته باشد تا نوسان کند ارائه شده است. در بخش دوم به طور خاص به بررسی نوسان سازهای LC اختصاص داده شده است و انواع این نوسان سازها به طور مختصر بررسی شده است. در بخش سوم به بررسی VCO ها که موضوع اصلی این تحقیق است پرداخته شده است و به طور اجمالی ویژگی های ریاضی آنها و شرایطی که باعث می شوند آنها پرکاربرد باشند را شرح داده است. در بخش چهارم در مورد وکتور با مقاومت متغیر بحث می کند و مداراتی که به آنها ویژگی نزدیک به ایده آل می دهد و در بخش پنجم به وسیله چند روش ذکر شده در بخش های قبلی به بررسی یک نوسان ساز در گستره وسیع می پردازیم. قابل توجه است که بخش پنجم انشاء ا... در گزارش بعدی کامل خواهد شد و هدف اصلی در بخش پنجم تحقق پیدا خواهد کرد.

بخش 1: تعاریف و مثال های نوسان سازها:

ابتدا برخی از مثال ها و تعاریف اولیه و ویژگی های اسیلاتورها را زیر بیان کرده و سپس به بررسی چند مدار واقعی اسیلاتورها و VCO ها می پردازیم.

وظیفه یک اسیلاتور (یا نوسان ساز) ایجاد یک خروجی متناوب است. بلوک دیاگرام یک اسیلاتور را در حالت کلی می توان به صورت زیر نشان داد:

در واقع اسیلاتور یک مدار فیدبک دار است (که این مدار معمولاً از تعدادی از ترانزیستورها ساخته شده است) که در یک فرکانس خاص نوسان می کند که البته این فرکانس معمولاً قابل تغییر است و در یک محدوده ای قرار دارد (در مبحث VCO ها به این مطلب بیشتر اشاره می شود). معمولاً ساختار اسیلاتور این گونه است که بدون آنکه ورودی به آن اعمال شود، یک خروجی تناوبی ایجاد می کند، به همین دلیل نیاز است که بهره حلقه بسته شکل بالا در فرکانس نوسان (مثلاً  ) به سمت بی نهایت رود به عبارت دیگر باید داشته باشیم:

در این شرایط اعمال یک نویز با دامنه بسیار کوچک هم کافی است که به خروجی مورد نظر دست یابیم. در حقیقت برای آنکه نوسان شروع شود باید بهره حلقه بزرگتر یا مساوی 1 باشد (زیرا در این صورت خروجی مرتب تقویت می شود و برای خروجی یک سری هندسی واگرا به دست می آید) و نیز باید مجموع انتقال فاز برابر  درجه (یا همان صفر درجه) باشد. این شروط که «شرط بارکها وزن» نامیده می شوند به صورت زیر قابل بیان است:

شرط 2:            و شرط 1  

که در صورت داشتن دو شرط بالا مدار در فرکانس  نوسان خواهد کرد. باید توجه کرد که شرط 2 را با فرض وجود فیدبک منفی نوشتیم و اگر فیدبک مثبت باشد. این شرط به صورت  یا  در می آید (زیرا قرار است که کل انتقال فاز 360 درجه شود.)

حال به عنوان اولین قدم به دنبال تحقق مدار توصیف شده با شرایط بالا می رویم، ساده ترین توپولوژی که به نظر می رسد، یک ترانزیستور سروس مشترک فیدبک دار است. باید ببینیم که آیا شروط بارکها وزن در آن صدق می کند یا نه. اگر در نظر بگیریم که  باشد، در شرط 1 صدق خواهد کرد زیرا  . ولی این مدار ؟ نمی تواند در شرط2 صدق کند. زیرا در مدار یک طبقه فقط یک قطب داریم که حداکثر می تواند اختلاف فاز 90 درجه ایجاد کند و با در نظر گرفتن وارونگی سیگنال از گیت به درین، حداکثر انتقال فاز کل به 270 درجه می رسد. در نتیجه این مدار نوسان نمی کند.

حال که نتوانستیم با مدار یک طبقه سورس مشترک، یک نوسان ساز بسازیم، منطقاً باید به سراغ مداران چند طبقه برویم. ابتدا یک مدار دو طبقه را در نظر می گیریم (شکل 2).

در مدار شکل 2 چون دوبار وارونگی سیگنال رخ می دهد، در نزدیک فرکانس صفر دارای بند یک مثبت خواهد بود و مدار قفل خواهد کرد زیرا  زیاد بشود،  کم خواهد شد و در نتیجه ولتاژ گیت  کم می شود و  خاموش می شود و در نتیجه  باز هم افزایش می‌یابد تا جائی که  به  می رسد و  به صفر می رسد و در این حالت مدار در این حالت می ماند.

ممکن است تصور شود که اگر شکل قفل شدن در شکل 2 حل شود، مدار نوسان خواهد کرد. برای اینکه ببینیم این تصور درست است یا نه این ؟؟ قفل شدن را با گذاشتن یک طبقه وارونگر ایده آل بین  و  ، برطرف می کنیم، ولی باز هم مدار نوسان نخواهد کرد، زیرا برای نوسان کردن مدار باید اختلاف فاز وابسته به فرکانس به 180 درجه برسد یعنی اینکه هر کدام از قطب ها باید 90 درجه اختلاف فاز ایجاد کند که این اتفاق در فرکانس های بالا رخ می دهد ولی برای حلقه در فرکانس های خیلی بالا افت خواهد کرد و شرط  برآورده نمی شود.

حال که در رسیدن به مدار یک نوسان ساز دو طبقه ناکام ماندیم به سراغ مدارهای سه طبقه می رویم. با فرض یکسان بودن قطب های بر یک از سه طبقه، اختلاف فاز وابسته به فرکانس در فرکانس بی نهایت به  درجه می رسد در این صورت اگر اختلاف فاز وابسته به فرکانس را  برابر درجه قرار دهیم (که در نتیجه با سه بار وارون شدن سیگنال اختلاف فاز کل صفر درجه خواهد بود) ممکن است بتوان به  رسیدم. در نتیجه مدار سه طبقه ممکن است بتواند نوسان کند.

حرف بالا کلی بود، به عنوان یک مثال از شرایطی که مدار واقعاً نوسان می کند، در نظر بگیرید تابع تبدیل بر شبکه به صورت  است، پس می توان نوشت:

اگر فرض کنیم که این مدار سه طبقه در فرکانس  نوسان کند، با توجه به اینکه هر طبقه باید 60 درجه اختلاف فاز ایجاد کند و بهره حلقه حداقل مقدار را داشته باشد یعنی  مقادیر  و  به صورت زیر به دست خواهد آمد: 

(فرمول ها در فایل اصلی موجود است)