١

دانشكده ي مهندسي

گروه برق

كارشناسي پروژه ي

الكترونيك گرايش قمهندسي بر

1GHzطراحي اسيالتور

:استاد راهنما

دكتر حبيب اله زلف خاني

:نگارش

زهره نصيري زرندي

94مهر ماه

٢

:فهرست مطالب

3.............................................................................................................................................................................................چكيده

4.................................................................................................................................كروويويتوصيف اسيالتور هاي ما 1

4................................................................................................................................................................................... مقدمه 1- 1

5...................................................................................................................كليات و توضيح درباره ي ساختاراسيالتور 1- 2

RF...........................................................................................................................11تفاوت اسيالتور هاي مايكروويو و 1- 3

13............................................................................................................................... كانس باالطراحي نوسان ساز فر 2

13......................................................................................................طراحي نوسان گر هاي ترانزيستوري مايكروويو 2- 1

20..............................................................................................................................................طراحي مدارات اسيالتور 2- 2

ADS Agilent .................................................................................................28نتايج شبيه سازي با نرم افزار 3

42............................................................................................................................................................................... نتيجه گيري

44........................................................................................................................................................................... مراجعمنابع و

46...................................................................................................................................................................................پيوست ها

HBFP0450..........................................................................................................................................46برگه اطالعات

J2N3819..............................................................................................................................................47برگه اطالعات

٣

: چكيده

به طور كلي در سيستم هاي نسبتا مدرن و سيستم هاي بي سيم مخابراتي براي توليد منبع RFو كروويرياسيالتورهاي ما

اسيالتور هاي نيمه هادي با قطعات غير خطي فعال مثل ديود . سيگنال ، تركيب فركانسي و توليد موج حامل به كار مي روند

مورد بررسي قرار RFسيگنال حالت دائمي سينوسي به DCو ترانزيستور به صورت تركيبي با مدارهاي پسيو براي تبديل

در فركانس هاي باال ديود ها و ترانزيستورها به صورتي باياس مي شوند كه در نقطه ي كار به صورت يك مقاومت . مي گيرند

.انجام مي شود CADآناليز دقيق اينگونه مدارها با نرم افزارهاي . منفي عمل مي كنند

و ور ها در مدارات الكترونيكي دارندمقدمه اي درباره ي اسيالتور ها و موارد استفاده اي كه اسيالتدر ابتدا , اين پروژدر

. پرداخته مي شودهمين طور ساختار كلي اسيالتور و شرايط ايجاد نوسان و همينطور پايداري آن ها

ده و مدار هاي طراحي ش داده مي شود ي مايكروويوسپس در فصل دوم توضيحاتي كلي درباره ي نحوه ي طراحي اسيالتور ها

.در خصوص اين پروژه معرفي مي شوند

اصل شده حنتيجه گيري نيز و در انتها داده خواهند شددر فصل سوم نيز نتايج شبيه سازي و نمودار هاي رسم شده را نشان

. از ساختار هاي استفاده شده دراين اسيالتور ها بيان مي گردند

٤

فصل اول

وصيف اسيالتور هاي مايكروويوت

:مقدمه 1-1

. كه سيگنال هاي الكتريكي متناوب نوساني توليد مي كنندكترونيكي مدارهاي الكتريكي هستند البه طور كلي اسيالتورهاي

مي اسيالتور هاي در بسياري از دستگاه هاي الكترونيكي استفاده . كه اغلب موج هاي سينوسي يا مربعي توليد مي كنند

و راديو با به سيگنال هاي پخش عمومي , مي توان زد ها اسيالتور توسط سيگنال كه از توليد معمولي هاي شوند كه مثال

.كرد اشاره كنند مي تنظيم را ها رايانه كه ساعت هاي سيگنال يا و تلوزيوني هاي فرستنده

داراي اصوال و شوند مي استفاده در صوتي و ئيراديو انرژي حامل موج ساختن براي در مدار هاي راديويي اسيالتورها

هستند كم توان با هايي بخش هميشه فركانسي راديو مدارات در شده استفاده اسيالتورهاي. .هستند سينوسي موج خروجي

. )پرتوان ac ژنراتورهاي با مقايسه در البته(

مواردي در. باشد مي كم توان با حامل موج يك آن اصلي شكل در اسيالتور يك توسط شده ساخته راديوئي فركانس خروجي

.شود برده كار به است ممكن اسيالتور چندين تا راديوئي گيرنده يا فرستندهدر

بايد در واقع. نيست پذير امكان راديويى هاى پيام دريافت و ارسال هاآن بدون كه هستند اى ويژه مدارهاى سازها نوسان

امروزه با پيشرفت روز افزون مدارهاي الكترونيكي و .هستند الكترونيكى هاى دستگاه اسىاس اجزاء از يكى هانوسانسازگفت

كروويو اهميت زيادي پيدا كرده يو ما RFكاربردهاي گسترده و نو ظهور در زمينه ي مخابرات بي سيم ، استفاده از مدارهاي

يو ، بخش مهمي از فعاليت طراحان و مهندسين كرووياست و طراحي مدارها در فركانس هاي راديويي براي كاربرد هاي ما

اكنون با توجه به رشد فزاينده ي نياز به نرخ باالي انتقال و حجم اطالعات توسط . الكترونيك را به خود اختصاص داده است

ند مورد مخابرات بي سيم و نيز به دليل اينكه نميتوان با تكنيك هاي كد گذاري و مدوالسيون هاي موجود ، كمبود پهناي با

. نياز را جبران كرد، بنابراين استفاده از مدارهاي الكترونيكي كه در فركانس هاي بسيار باال كار مي كنند، رو به گسترش است

يك بخش .كروويو شده است ياين رويكرد سبب پديد آمدن و گسترش طراحي و استفاده از مدارها و فضاي فركانسي ما

٥

كروويو براي انتقال اطالعات يما كه باعث مي شود بتوان از فركانس هاي باالتر در حوزه ياساسي در فرستنده ها و گيرنده ها

توسط . يستنيازي به اثبات اهميت نوسان سازها ن. و دستيابي به پهناي باند بيشتر استفاده كرد ، نوسان سازها هستند

شوند طوري كه بتوان سيگنال هاي باند پايه را به نوسان سازها سيگنال هاي حامل با فركانس هاي باالي مورد نياز توليد مي

.باند هاي فركانسي باالتر انتقال داد و يا برعكس كه همين موضوع پهناي باند باال را براي ما مقدور مي سازد

وظيفه ي اصلي اسيالتور ايجاد فركانس يا همان نوسان است كه با فركانس هاي مختلفي و البته شكل هاي متفاوت شكل

مثل (فركانس كم با طول موج زياد به اينصورت كه يك , براي عمل مدوالسيون كاربرد دارد اسيالتوردر مخابرات .گيرد يم

پذيري سيگنال در را روي يك فركانس زياد با طول موج كم سوار مي كند كه مزيت هايي دارد از جمله اينكه نويز) صدا

مدار تانك كه بخشي از . دهد طول آنتن گيرنده و فرستنده را كاهش ميكم مي شود و مهمتر از آن FMمدوالسيون

به اين صورت كه مدار تانك نوسان مي كند و باقي مدار . ست به نحوي اصلي ترين قسمت اسيالتور مي باشدا اسيالتورها

مترهاي عملكردي اسيالتور نشانه ي مستقيم بسياري از پارا Q. را بر عهده دارند... پايداري نوسانات و شكل موج خروجي و

پايداري به وسيله ي افزايش يافتن . باال نويز را كاهش مي دهد و حركت تدريجي فركانس را كاهش مي دهد Qيك . مي باشد

Q همچنين. نوسانگر بهبود پيدا مي كند Q همانطور كه فركانس كار افزايش مي يابد . هستند و پهناي باند به هم وابسته

. ز اسيالتور كاهش مي يابدعملكرد نويز فا

نوسان سازها به شكل هاي مختلفي در فرستنده ها و گيرنده ها به كار مي روند كه به عنوان مثال مي توان به كاربرد آن ها

در حالت كلي . در حلقعه هاي قفل فاز ، سنتز كننده هاي فركانسي و نوسان ساز هاي محلي مورد نياز در ميكسر اشاره نمود

بيشتر نوسان . از ها را مي توان به دو دسته ي كلي با فركانس كاري ثابت و كنترل شونده با ولتاژ تقسيم كرد نوسان س

در اين نوع نوسان سازها گستره ي تنظيم . هستند VCOسازهاي طراحي شده ، نوسان سازهاي كنترل شده با ولتاژ يا

.س خروجي بسيار مهم هستندپذيري فركانس كاري و نويز فاز و خطي بودن تغييرات فركان

: كليات و توضيح درباره ي ساختاراسيالتور 2- 1

.بررسي خواهد شد اسيالتور ها و سپس نحوه ي عملكرد وسانسازهاي سينوسي ارايه مي شودابتدا توضيحاتي كلي درباره ي ن

:نوسان سازهاي سينوسي

اين نوسان سازها منبع حامل فرستنده ها را تامين .ك دارندنوسان ساز هاي سينوسي كاربرد گسترده اي در الكتروني

نوسان ساز هاي سينوسي انواع . كنند و بخشي از مبدل فركانس را در گيرنده هاي سوپرهيترودين تشكيل مي دهندمي

است يك مدار بخش تعيين كننده ي فركانس كه ممكن .مختلفي دارند اما همه ي آنها از دو بخش اساسي تشكيل مي شوند

ي مدار تشديد بسته به فركانس الزم مي تواند تركيبي از سلف و خازن فشرده. تشديد يا يك شبكه ي خازن مقاومتي باشد

حفره اي باشد البته شبكه هاي خازن مقاومتي فركانس طبيعي ندارند ولي مي توان از ي طولي از خط انتقال يا تشديد كننده

دوم بخش نگهدارنده كه انرژي را به مدار تشديد تغذيه مي كند . تعيين فركانس نوسان استفاده كردجا به جايي فاز آنها براي

در بسياري از نوسان سازها اين قسمت قطعه اي . بخش نگه دارنده به يك تغذيه نياز دارد .تا آن را در حالت نوسان نگه دارد

٦

, شكل ديگري از بخش نگهدارنده. ر تشديد تغذيه مي كندفعال مثل يك ترانزيستور است كه پالس هاي منظمي را به مدا

تشديد نوسان ساز يك منبع با مقاومت منفي يعني قطعه يا مداري الكترونيكي است كه افزايش ولتاژ اعمال شده به آن سبب

. ي وجود دارند كه داراي چنين مشخصه اي هستندددقطعات نيمه رسانا يا مدارهاي متع. كاهش جريان آن مي شود

:شرايط الزم براي نوسان

فعال عنصر يك داراي ساز نوسان يك در اينكه ل او .كرد بيان هم معادل و دقيق روش چند به توان رامي كردن معيارنوسان

سيگنال اگر .شود برگردانده ورودي به ازخروجي بخشي آن طريق از و باشد داشته وجود مسيرفيدبك يك بايد اي دريچه دو

اشباع عنصر اينكه تا ، شود مي زياد مرتب طور به اش دامنه و شده شروع نوسان باشد، ورودي با فاز هم و بزرگتر شده فيدبك

ي بهره با فيدبكي مسير درآن كه كند مي نوسان مداري ، است اين معياراول بنابراين. برسد يك به فيدبك حلقه بهره ، شده

ساز نوسان مدار پايداري ضريب كه است اين نوسان براي ديگر معيار. باشد داشته وجود صفر فاز تغيير با و يك با برابر حداقل

.باشد يك از كوچكتر بايد

برابر آن هاي حلقه هاي جريان يا ها گره ولتاژهاي معادالت دترمينال ، باشد معتبر مدار يك براي فوق معيار دو از يكي اگر

شرط به ، باشد مي نوسان فركانس يافتن براي مناسبي رياضي روش و ، بود خواهد نوسان سوم معيار اين .بود خواهد صفر

.كرد حل را الزم جبري معادالت بتوان اينكه

شرايط پيدايش هنگام ، كنيم بارتقسيم يك و فعال بخش يك به فرضي طور به را نوساني بالقوه مدار يك اگر ، سرانجام

نيست؛ كافي ولي است نوسان براي الزم شرط يك اين. شود مي منفي فعال بخش خروجي امپدانس حقيقي بخش نوسان

ديودهاي ( منفي مقاومت با ديودهاي از آنها در كه مايكروويو سازهاي نوسان كار توصيف براي مقاومت شدن منفي معيار

.است مفيد ، شود مي استفاده ) تراپات و ايمپات ، گان ، تونلي

. داشته باشد آن مدار خواه يا ناخواه نوسان خواهد كرد اگر هر مداري لوازم ذكر شده در منابع را

قسمت تقويت كننده -1

مولد فركانس -2

فيدبك مثبت -3

اكثرا در بيشتر آمپلي فايرها 3و 1بخش هاي . در يك اسيالتور فاكتورهاي باال عمدتا درون طراحي مدار لحاظ مي شوند

.اتفاق مي افتد

بخصوص در ,استفاده مي شوند براي محدود كردن يا كنترل نوسان كه فايرها به همين خاطر در مورد استفاده از آمپلي

هرآمپلي فاير ساخته شده با فيدبك مثبت به خودي خود . مورد سومين قسمت يعني فيدبك مثبت بسيار بايد دقت كرد

ت كردن است گرچه آمپلي آمپلي فايرها در ظاهر براي نوسان كردن نيستند و قابليت آنها تقوي. شروع به نوسان خواهد كرد

٧

يك آمپلي فاير كه بطور ناخواسته فيدبك مثبت .فايرهاي زيادي به آساني شروع به نوسان مي كنند كه براي ما نامطلوب است

اين نوع آمپلي فايرها به جاي اينكه سيگنال . دارد تبديل به يك اسيالتور خواهد شد و به صورت نهفته باعث تداخل مي شود

. ، اين نوع مولد هاي سيگنال هاي ناخواسته مي توانند باعث تداخل شوند د سيگنال نوساني توليد مي كنندرا تقويت كنن

يك اسيالتور عمومي به طور كلي در شكل زير نشان داده شده است كه آمپلي فاير آن از هر نوع با فيدبك مثبت مي تواند

.باشد

تقويت كننده ي داراي فيدبك) : 1-1( شكل

يك تكه از كريستال . يا يك كريستال كوارتز مي باشد LCله ي مولد فركانس در اسيالتور ها معموال يك مدار رزونانس وسي

. كوارتز مي تواند يك اسيالتور پايدار بسازد

:مثبت فيدبك هاي ساز نوسان

تركيب ها ورودي با را روجيخ از مقداري علتي هر به بنا اگر حال باشد مي خروجي و ورودي داراي هرسيستم طوركلي به

از نمونه براي. دارد تكنولوژي دنياي در فراواني كاربردهاي كه شود مي گفته فيدبك كار اين به كنيم سيستم يك وارد و كرده

كه هستيد مدرن خيلي سيستم يك شما رفتن راه هنگام در مثال. شود مي استفاده سيستم يك فرآيند كنترل براي فيدبك

مورد در اما, كنيد كار چه كه ميگيريد تصميم شده پردازش آنجا در و فرستيد مي مغز به و گرفته خود چشم اب را اطالعات

مثبت فيدبك در. مثبت و منفي, گرفت نظر در توان مي را فيدبك نوع دو ميدانيم كه همانطور كه بگوييم بايد مثبت فيدبك

از ظرف يك كنيد فرض ديگر مثال يك است فرآيند يك كنترل اغلب هدف كرديم بيان باال در را آن از جالب مثال يك كه

ظرف از مايع حد از بيش شدن گرم با دارد قرار گاز شعله مثل گرما منبع يك با تماس در است جوشيدن حال در كه مايعي

و شود مي احيا دوباره آتش مايع دماي كاهش با و دهد مي كاهش را مايع دماي و كند مي كم را آتش و ريزد مي بيرون

مثبت فيدبك از و شود مي اضافه ورودي به خروجي مثبت فيدبك در اما... . دوباره و كند مي سرريز و شده گرم دوباره مايع

و مايع شدن گرم با بار اين زا آتش مايع يك با بگيريد نظر در را قبل مثال همان شود مي استفاده تشديد براي دليل همين به

و ميرايي به رو چيز همه مادي دنياي در كه است اين مهم ي نكته. آخر تا طور همين و شود مي دترشدي آتش آن سرريز

٨

دامنه كاهش باعث ميرايي هم نوسان درباره. هستند مزاحم بيشتر ها موقع بعضي اصطكاك مثل چيزهايي و ميرود مردن

نوسان از مختلفي انواع. كنيم مي استفاده ميرايي اين جبران براي مثبت فيدبك از بنابراين شود مي آن رفتن بين از و نوسان

.دارد وجود كنند مي استفاده مثبت فيدبك از كه سازها

سيستم حلقه بسته با فيدبك مثبت) : 1-2( شكل

:ميكنيم برسي بسته حلقه تبديل تابع آوردن ست بد با مداررا يك نوسان براي الزم شرايط

)()(.1

)(

)(.).().()(

ωω

ω

ωωωω

inout

outinout

VHA

AV

HAVAVV

−=

+=

:داريم باشد صفر با برابر وولتاژورودي صفر مخالف خروجي ولتاژ مقدار اينكه فرض با كه

1)(.0)(.1 =→=− ωω HAHA

مي اتفاق خاصي فركانس در پايدار حالت اين و دارد قرار پايدار حالت در ساز نوسان بگوييم توانيم مي شرايط اين تحت كه

.شود مي مدار نوسان باعث و افتد

{ } { } 0)(.Im,1)(.Re 00 == ωω HAHA

سيستم ديگراگر عبارت به. شود مي ناپايدار) سيستم كل انتقال تابع( بسته حلقه تابع خاصي فركانس در صورت اين در كه

.شود مي نوسان وارد ، باشد زواياي و يك اندازه به مدارباز گين داراي فوق

تا شود باعث و كند ذخيره را انرژي تا باشيم داشته اي نندهك ذخيره عنصر بايد بلكه شود نمي نوسان باعث مثبتي هرفيدبك

با كه است، اي دريچه دو شبكه يك صورت به فيدبك حلقه سازها نوسان اينگونه در .قرارگيرند محور برروي ها قطب

.نمود مشخص را دار بكفيد سازهاي نوسان انواع توان مي خاصي شرايط اعمال با و بسته حلقه تبديل تابع آوردن بدست

:دانشجویان محترم

آزمایشگاه پروژه گروه برقو یا کتابخانه دانشکده مهندسیبه ها ایان نامهپمتن کامل جهت دسترسی به .مراجعه فرمایید

٤٣

:نتيجه گيري

شده از طراحي ها مي توان نمودار هارمونيكي اسيالتور ها با ساختار هاي طراحي شده را مورد بررسي بر طبق نمودار هاي ترسيم

.قرار داد

1GHzترين هارمونيك در فركانس در نمودار هارمونيكي اسيالتور كالپيتس با آمپلي فاير گيت مشترك مشاهده مي شود كه بزرگ

50dB-ولتاژي در حد ,رخ داده است 2GHzو دومين هارمونيك آن كه در فركانس . است 20dBرخ داده است كه داراي ولتاژ

ولت دارد كه داراي مقدار به نسبت كمي است و همينطور هارمونيك هاي بعدي آن به ترتيب داراي مقدار ولتاژ كمتري نسبت به

.ولتاژ هارمونيك اصلي شان دارند كه اين مطلوب است مقدار

نمودار هارمونيكي اسيالتور كالپيتس با آمپلي فاير گيت مشترك) : 3- 15(شكل

است و 22dBداراي ولتاژ 1GHzنمودار هارمونيكي اسيالتور كالپ ديده مي شود كه هارمونيك اصلي آن در فركانس در

را دارد كه به نسبت هارمونيك اول كه فركانس اصلي اسيالتور طراحي 2GHzلت را در فركانس و 5dBهارمونيك دوم آن مقدار

.شده است به نسبت مقدار قابل توجه تري در مقايسه با اسيالتور كالپيتس با ساختار تقويت كننده ي گيت مشترك دارد

٤٤

ور مشترك نمودار هارمونيكي اسيالتور كالپ با تقويت كننده ي كلكت) : 3-16(شكل

كار 2.5GHzهمانطور كه مشاهده مي شود كه هارمونيك هاي اسيالتور با تقويت كننده ي اميتر مشترك كه در فرمانس كاري

.مي كند مشخصه ي هارمونيكي دقيقي را نشان نمي دهد و فركانس اصلي آن را نميتوان از نمودار هارمونيكي آن تشخيص داد

يكي اسيالتور با آمپلي فاير اميتر مشترك نمودار هارمون) : 3- 17(شكل

در مورد اسيالتور هاي رينگ نيز همانطور كه گفته شد مشكل اساسي كه وجود دارد به دليل وابستگي اين نوع اسيالتور ها به

.مي باشد عمليات شرايط همچنين و) ترانزيستور غيره و L و w مثل( فرآيند پارامترهايمشخصه هاي ترانزيستوري و

بر شوند مي طراحي اسيالتور طراحي براي كه مداراتي كل در كه بود اين گرديد دريافت ها طراحي اين از كه كلي نتيجهبنابراين

در فركانس بهتر عملكرد و نظر مورد فركانس دقيقتر گرفتن لحاظ از ولي. هستند گسترده بسيار استفاده مكان و عملكرد اساس

٤٥

بيس و مشترك گيت ساختار در كالپيتس هاي اسيالتور به طور كلي ,مانطور كه مشاهده نيز شد ه كه گفت ميتوانهاي باالتر

.از خود نشان مي دهند بهتري عملكرد مشترك

٤٦

:منابع و مراجع

[1] K. Chang et al., “RF and Microwave circuit and component Design for wireless systems”,

Wiley-Interscience, 2002.

[2] Web: http://www.google.com/patents/US6873838.

[3]Internet: http://www3.alcatel-lucent.com/bstj/vol48-1969/articles/bstj48-6-1937.pdf.l, 1997.

[3] Web: http://www.circuitstoday.com/colpitts-oscillator.

[4] J.P. Silver “Colpitts Oscillator tutorial”, RF, RFIC & Microwave Theory, Design.

[5] Oscillator Design and Simulation, Randall W Rhea, 1995, Noble Publishing, ISBN 1-

884932-30-4, p111-131.

[6] Oscillator Design and Simulation, Randall W Rhea, 1995, Noble Publishing, ISBN 1-

884932-30-4, p34.

تهران,مركز امتشارات دانشگاه علم و صنعت ايران,گونزالس.گ,تقويت كننده هاي ترانزيستوري مايكروويو [7]

چاپخانه گروه صنايع مخابرات,دكتر محمد سليماني ,قطعات نيمه هادي فركانس باال و كاربردهاي آن [8]

٤٧

:پيوست ها

: HBFP0450برگه ي اطالعات

٤٨

: J2N3819 برگه ي اطالعات

٤٩