Oscilátory. Oscilátory s pevným kmitočtem Oscilátory s proměnným kmitočtem (laditelné)

Transkript

1 Oscilátory

2 Oscilátory Oscilátory s pevným kmitočtem Oscilátory s proměnným kmitočtem (laditelné) mechanicky laditelní elektricky laditelné VCO (Voltage Control Oscillator)

3 Typy oscilátorů RC většinou neharmonické kmity, malá kmitočtová stability => v radiotechnice se moc nepoužívají LC s pevným kmitočtem elektricky laditelné VCO mechanicky laditelné Krystalové obyčejné OCXO kompenzovaná závislost kmitočtu na teplotě TCXO termostatovaný oscilátor DCXO teplotní závislost krystalu kompenzovaná digitálně

4 Typy oscilátorů Oscilátory s keramickým rezonátorem s pevným kmitočtem VCO Oscilátory s vlnovodným, koaxiálním, mikropáskovým rezonátorem

5 Vznik netlumených harmonických kmitů 1. Odtlumení rezonančního obvodu Rezonanční obvod je tlumen ztrátovým odporem R => tlumené kmity. Obvod lze odtlumit prvkem se záporným diferenciálním odporem Ganova dioda doutnavka I záporný diferenciální odpor U

6 Vznik netlumených harmonických kmitů 2. Obvod se zpětnou vazbou U I U 0 + A β Podmínka vzniku oscilací na kmitočtu f zesílení otevřené smyčky na kmitočtu f musí být 1 fázový posuv otevřené smyčky na kmitočtu f musí být 360 U U O I A = 1 β A

7 Základní parametry oscilátorů Nominální kmitočet Přesnost kmitočtu Stárnutí oscilátoru (hlavně krystalové oscilátory) Frequency pushing Potlačení harmonických složek Výstupní výkon Závislost výstupního výkonu na teplotě Závislost výstupního výkonu na kmitočtu (jen VCO) Drift kmitočtu po přeladění Spotřeba Frequency pulling Spurious outputs úroveň nežádoucích složek Teplotní závislost kmitočtu Ladicí charakteristika Linearita ladicí charakteristiky Strmost ladicí charakteristiky Rychlost přeladění (PLL) Fázový šum Jitter neklid, neurčitost hran

8 Nominální kmitočet Kmitočet udávaný výrobcem, na kterém má oscilátor kmitat Přesnost kmitočtu Relativní odchylka pracovního (generovaného) kmitočtu od nominálního f prac f f nominal nominal 6.10 [ ppm]

9 Stárnutí oscilátoru změna pracovního kmitočtu v čase Typické stárnutí krystalu

10 Frequency pushing změna pracovního kmitočtu při změně napájecího napětí Potlačení harmonických složek úroveň vyšších harmonických složek generovaného signálu vzhledem k výkonu základní složky amplituda [db] potlačení 2. harmonické potlačení 3. harmonické f p 2f p 3f p kmitočet

11 Výstupní výkon výkon signálu oscilátoru Závislost výstupního výkonu na teplotě Závislost výstupního výkonu na kmitočtu (jen u přeladitelných oscilátorů)

12 Drift kmitočtu po přeladění (jen u přeladitelných oscilátorů) čas kmitočet ladicí napětí čas

13 Frequency pulling citlivost (změna) kmitočtu na změnu zátěže oscilátoru PSV=1 PSV=1,75 f f + f pull Z 0 Z Z 0 Potlačení vlivu zátěže pomocí oddělovacího zesilovače

14 Spurious outputs úroveň nežádoucích neharmonických složek generovaného signálu vzhledem k výkonu základní harmonické složky průnik vnějších signálů do oscilátoru DDS (přímá digitální syntéza) amplituda [db] nežádoucí složky základní harmonická složka vyšší harmonické složky f p 2f p 3f p kmitočet

15 Teplotní závislost kmitočtu změna kmitočtu oscilátoru způsobená teplotou f tf. nominal 6.10 ppm o C

16 Ladicí charakteristika závislost kmitočtu na ladicím napětí Ladicí charakteristika Strmost ladění (derivace ladicí charakteristiky) Kmitočet [Hz] strmost [Hz/V] ladicí napětí [V] ladicí napětí [V]

17 Spektrální čistota oscilátoru signál ideálního oscilátoru S ( ) = cos( ωo ) ( ω) = Aπ δ ( ω ω ) + δ ( ω + ω ) s t A t o o ( o 0 ) amplituda Spektrum ideálního oscilátoru signál reálného oscilátoru sro ( t) = A( 1+ a( t) ) cos( ωot+ q( t) ) kde a( t) q( t) amplitudová fluktuace fázová fluktuace amplituda kmitočet Spektrum reálného oscilátoru kmitočet

18 SSB fázový šum -definice kde P P f S SSB S C P P S ( f ) = SSB ( ) [ / ] S f dbc Hz výkon nosné výkon v postranním pásmu na šířce pásma 1 Hz kmitočtový offset C P S amplituda S C P P S ( f ) = SSB 1Hz P SSB f c f kmitočet

19 Spektrální čistota oscilátoru π S1 ( ω ) ω () = cos( ω ) s t t 1 1 ω π s2 ( t) ω ω 2 0 ω2 směšovač ( ) ( ) ( ) S 2 ( ω ) ( ) ( ) ( ) S ( ) ω ( ) = ( ) ( ) s t s t s t ( ω ) = ( ω) * ( ω) S S S S ω = πδ Ω ω + πδ Ω+ ω S ω Ω dω= = πs2 ω ω1 + π 2 ω + ω1 pro ω > ω 1 2 S3 ( ω ) ω ω ω2 ω1 2 1 ω2 + ω1ω2 + 1 ω ω

20 Spektrální čistota oscilátoru naladění na sousední kanál S3 ( ω ) ideální mf. filtr ω ω 2 1 ω + ω 2 1 ω Mf filtrem prochází část signálu. Energie propuštěného signálu závisí na spektrální energetické hustotě signálu lokálního oscilátoru.

21 Základní zapojení LC oscilátorů Základní typy LC oscilátorů principiální schéma

22 Praktické zapojení Hartleyova oscilátoru

23 VCO f 1 = závislost kmitočtu oscilátoru na L a C 2π LC Ladění se provádí varaktorem (kapacitní dioda). Využívá se kapacity přechodu PN přechodu v závěrném směru a její závislosti na závěrném napětí. Při přeladění VCO v poměru 1:2 je nutné měnit kapacitu Varaktoru 1:4. VCO s malým fázovým šumem

24 Krystalové oscilátory Oscilátor, u kterého nahrazen LC obvod krystalem Krystal výbrus (destička) z křemene (oxid křemičitý SiO 2 ) Mechanické kmity - kmitočet dán velikostí destičky, tvarem a typem řezu Kmity jsou možné i na vyšších módech obvykle lichých Piezoelektrické vlastnosti možnost převodu mech kmitů na elektrické a naopak AT-řez krystalu křemene Mechanické kmity základní mód Mechanické kmity třetí harmonická Ukázka pouzdření krystalu

25 Krystalové oscilátory C1 velmi malý kolem 1 ff L1 velká C0 kapacita pouzdra velká oproti C1 Sériová rezonance Paralelní rezonance Náhradní obvod krystalu Velká jakost Malá závislost na teplotě

26 Krystalové oscilátory Jemné dostavení kmitočtu krystalu v oscilátoru využívající sériovou rezonanci (kmitočet lze zvýšit) +jx f s f p f -jx +jx C L f L Jemné dostavení kmitočtu krystalu v oscilátoru využívající paralelní rezonanci (kmitočet lze snížit) -jx f +jx f L f C L -jx

27 Praktická zapojení krystalových oscilátorů Krystalový oscilátor se sériovou rezonancí a oddělovacím stupněm Krystalový oscilátor pracující na třetí harmonické krystalu Krystalový oscilátor se sériovou rezonancí sestavený z logických členů

28 Krystalové oscilátory (normály) obyčejný krystal a obyčejné krystalové oscilátory přesnost kmitočtu cca ppm teplotní stabilita cca ppm pro 20 až 60ºC stárnutí cca 5 ppm teplotně kompenzované normály TCXO kmitočet teplotní stabilita stárnutí spektrální čistota teplotně stabilizované OCXO (vyhřívané) teplotní stabilita ostatní stejné jako OCXO - lze nastavit trimem cca 2 10 ppm podle typu a teplotního rozsahu cca 1 ppm/rok -55 dbc/hz pro 1 Hz -90 dbc/hz 10 Hz -120 dbc/hz 100 Hz -140 dbc/hz 1 khz -150 dbc/hz 10 khz až 0,1 ppm

29 Oscilátor s keramickým rezonátorem Transistor vytváří záporný diferenciální odpor, čímž se eliminují ztráty v keramickém rezonátoru a rezonátor se rozkmitá. Oscilátory s keramickým rezonátorem mají mnohem menší kmitočtovou stabilitu než krystalové oscilátory. Použití generování hodinových kmitočtů v číslicových obvodech oscilátory v jednoduchých přijímačích a vysílačích typu pager atd.