clapp praktikumsversuch im fach mikrowellentechnik - Ing. H ...

2011
Fachhochschule
Aachen
Mat. Nr. 328674
PRAKTIKUMSVERSUCH IM FACH
MIKROWELLENTECHNIK
VERSUCH 3:
ADVANCED DESIGN SYSTEM
CLAPP – OSCILLATOR

Praktikumsversuch im Fach Mikrowellentechnik
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
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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.
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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.
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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
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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.
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Abbildung 7: Simulationsergebnisse des Phasen- und Amplitudenrauschen
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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).
1 2 3
Abbildung 9: Simulationsergebnis der Abstimmung von Kondenstator ‚cv‘
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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
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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.
1 2
3
Abbildung 13: Messergebnisse des Frequenz Pushing
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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
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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
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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
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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.
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