VCO (Voltage Controlled Oscillator) nedir? Tasarımı nasıl yapılır. Teori ve pratiğin birleştiği bu yazı dizisi ile RF bilgilerimizi tazeleyeceğiz. Yazının sonundaki video'yu izlemeyi unutmayın.

VCO

Voltage Controlled Oscillator

– teori ve tasarım –

(Bolum-1)

1 – Giris

Fanatik bir elektronikci oldugum icin elektronik hakkinda yazilan cogu yazilari okumaya calisiyorum. Bu arada farkina vardimki amator radyocular icin gereken teknik bilgerin cogu Ingilizce.Bazen universite sayfalarinda birseyler bulunuyor, bu yazilar ise cok teoriye kacip pratik yonunu aciklamiyor. Bu nedenle cogu arkadaslar elektronik (yuksek frekans) hakkinda Turkce kaynak bulmakta zorluk cekiyorlar.

Bu ve bunu takip eden yazilarda sizlere verici ve alicilarin kalbi olan VCO ( Voltage Controlled Oscillator) devresinin pratik birsekildde tasarimini aciklamaya calisacagim. Diger yazilarda ise PLL (Phase Locked Loop) yardimi ile VCO'muzu kontrol edecegiz.

2 – VCO nedir ?

Simdi sizlere uzun ve zor formuller gosterip kafanizi agritmayacagim cunki o formullerin cogu tasarim icin kullanilmiyor. VCO dedigimiz devre rezonans bolumunde gerilim degisikli gordugu zaman cikisindaki sinyalin frekansini degistiren bir devredir. Kitaplari actigimizda cesitli VCO turu bulabiliriz, bunlarin en cok taninmis olanlari :

– Seri Colpitts (seri LC tank0

– Parallel Colpitts (parallel LC tank )

– Clapp

– Hartley

Kisaca aradaki farki verecek olursak, Colpitts ve Clapp osilatorlerinin geri besleme bolumu kapasitifdir, Hartley ise induktif, sekil-1'de goruldu gibi.

Sekil-1 Osilator cesitleri

Bu yazida Colpitts osilatorunu ornek olarak alacagim cunki cok kullanisli ve pratikte en cok kullanilan osilator.

3 – Osilatorun temel yapisi

Yukarida cesitili turde osilator oldugunu gorduk simdi bu osilatorlerin temel yapimina bakalim. Radyo alaninda kullanilan osilatorler genelde sinus veya buna benzer cikis sinyalleri uretirler. Bu tur sinyali uretmek icin devrede osilasyon olmasi gerekmektedir.

Sekil-2 Osilatorun blok diyagrami

Yukarida gordugumuz (sekil-2) diyagram osilatorun temel yapisini gosteriyor. Devrede osilasyon elde etmek icin bir amplifikator ve birtane resonator gerekmektedir.

Amplifikator dedigimizde aklimiza gelen parcalar sunlar:

– Transistor

– FET

– MOSFET

Resonator ise:

– LC devresi (seri veya parallel)

– SAW (Surface Acoustic Wave device)

– Micro strip (bir ucu ground'a bagli)

– Coax stub

Osilator devresinin calisabilmesi icin iki kriterya'ya gore tasarim edilmesi gerekir, bunlar Barkhausen ve Nyquist kreteryalaridir. Barkhausen resonator ve Nyquist ise amplifikator bolumune uygulaniyor. Sekil-2'de gorebildiginiz gibi devre bir kapali cemberdir (closed loop). Devrede elde edilen sinyal amplifikatorde yukseltilip yine resonator bolumune pompalaniyor. burada onemli olan nokta, amplifkatorden cikan sinyalin amplitud oraninin kuculmemesidir. Bunun nedeni ise osilatorun positif beslemeye sahip oldugundandir. Diger onemli olan birseyde amplifikatorun giris ile cikis arasindaki faz farki:

Olmasi gerekmektedir. Amplifikatordeki yukseltme orani ise :

Osilatore ilk sefer gerilim uyguladigimizda bir 'start-up' ani vardir. Kisa sure icin amplifikator devrede olusan gurultuyu yukseltmeye baslar. Resonator bu gurultuyu filtreleyip yine ampflikatorun girisine pompalar, buna iste 'sart-up'denir. Osilator simdi osilayon halindedir. Gurultu belirli sure sonra maximum amplitudune ulasir, boylece amplifikator yukseltmeyi birakir, osilator simdi stabil bir duruma ulasir (steady state). Bu durumda amplifikatorun yukseltme orani 1'e esitir.

Pratikte kullanigimiz parcalar genelde ideal degildirler. Bir bobini ornek olarak alirsak bunun bir seri direnci vardir. Bu direnc osilatorlerde problem yaratabilir. Bu direnc positif bir direnc olarak goruluyor, bunu yok edebilmek icin negatif bir direnc elde etmemiz gerekmektedir. En kotu durumda resonator bolumunde olusan enerji bu positif direnc tarafindan sicakliga cevrilip kayip olur. Bu tur kayiplar osilatoru negatif bir sekilde etkiler, osilator stabilligini kaybeder. Negatif direnc normalde amplifikator tarafindan olusturulur ve bu devrelere negatif resistans osilatorleride denir. Kisacasi, resonator positif resistansa sahiptir, buna girisi negatif resistansa sahip olan amplifikator takildiginda osilasyon elde edilir, stabil kalan bir osilasyon.

Ornek devremizdede negatif resistanli osilatorun tasarimini yapacagiz.

4 – Osilator parcalarinin secimi

Osilator tasarimina baslamadan once ne tur parcalar kullanacagimizi ve ozelliklerini arastirmamiz lazim. Onemli olan konular:

– Frekans (MHz)

– Cikis sinyalinin gucu (dBm)

– Osilatorun gurultu orani (dBc/Hz)

Frekans onemli cunki buna gore ne tur resonator kullanacagimizi belirlememiz gerekiyor. Normalde 500MHz'den asagida olan frekanslari LC tanki ile elde edebiliriz, bundan yuksekliri icin SAW, Coax veya micro strip cesitlerine bakmamiz gerekir.

Diger onemli olan ise cikis sinyalinin gucudur, bu pratikte dBm (decibel/milliWatt) olarak verilir. Normalde osilatorlerin cikis sinyali cok dusuktur. Gurultulu bir devrede bu problemler yaratabilir, gurultu ve cikis sinyalini ayirt etmekte problem yasiyabiliriz. Bu nedenle osilator devresinin pesinden bir amplifikator devresi takip etmektedir. Boylece gurultu ve osilatorun cikis sinyalinin arasinda buyuk fark olmus olur. Bu farki pratikte dBc (noise to carrier) belirtiyoruz. Bu parameter olabildigi kadar buyuk olmasi lazim, ornegin 60dBc, demektirki gurultu orani cikis sinyalinin tam olarak 60dB altinda kalmaktadir. Cogu devrelerde zaten dusuk osilator sinyali ile calisamiyorlar, ornegin mikserler. Pasif mikserler icin en azindan +7dBm gerekmektedir, bunuda ancak osilatroun cikisini yukseltmekle elde edebiliriz. Amplifikatorun diger ozelligi ise osilator ve yuk arasinda izolasyon olusturumasidir. Cikista bulunan yukun boylece osilatore olan etkisi azalmistir.

Osilatorlerde gurultu orani cok genis bir konudur, burada aklimizda tutacagimiz sey sunlardir:

– Sectigimiz transistorun 1/f (flicker noise) parametresi dusuk olmasi lazim.

– Transistorun fT'si <= Fosilator

– Transistorden gecen akim gerektiginden fazla olmamali

– Kullanilan resonator (LC) devresinin Q-faktoru mumkun oldugu kadar yuksek olmali

(Bobinlerin ve kondensatorlerin seri resistansi dusuk olmasi lazim!)

Osilatorde gurultunun bir bolumunde PLL'den gelmek
tedir, bunu sontaki yazilarimizda gorecegiz. Osilatorlerde olan bu gurultuyu dBc/Hz parametersi ile tanimliyoruz. Bu parametre profesyonel olcumlerde osilator sinyalinden 1kHz ve 10kHz uzakliginda bulunan side-band (yan kanal) bolumunde olculmektedir. Bu olcumde 1Hz'lik band genisligine bakip gurultu orani belirleniyor ve bu sonuc ile sinyal-gurultu orani elde ediliyor. Pratikte iyi tasarim edilen osilatrolerin degerleri 80dBc/Hz ve 100dBc/Hz arasindadir. Merak edenler icin, bu parametreye Phase noise deniliyor.

Osilatorler hakkinda biraz bilgi edinmis oldunuz simdi, pratikte devre tasarimi yapabilmek icin yeterli J. Simdi sira gercek bir devre tasarimina geldi. Burada size adim adim Colpitts negatif resistans osilatrounun tasarimini gosterecegim. Bu tur devreleri yaparken simulasyon programlarida kullanabilir, ama konu hakkinda yeterli bilgi sahibi olmaniz gerekmektedir. Sadece Ohm kanunu yetmiyor. Sizlere yinede biraz simulasyon ile nasil sonuc alinabildigini gostermeye calisacagim. RF alani icin cesitli simulasyon programlari var, burada ben Genesys 2003 adli programi kullaniyorum.

5 – VCO devresinin tasarimi

Devreyi yapmadan once devre ozelligini belirlememiz lazim, buna VCO specification diyelim.

Burada cikis gucunu ve gurultu oranini vermiyorum, VCO'nun cikis gucu zaten 0dBm'den kucuk ve gurultu orani ise ancak olcumden sonra soylenebilir. Hem serbest calisan osilatorlerin gurultu oranini belirlemek zor, cikis sinyali devamli degismektedir, boyle guvenilir bir sonuc elde etmek zordur. Gurultu oranini ancak PLL takildiktan sonra belirlenebilir. Yapacagimiz devrenin goruntusu asagida, sekil-3.

Sekil-3 Colpitts osilator devresi

Ilk once devrede bulunan transistorun bias akimini ayarlamamiz lazim. BF199'un data sheet'ine bakildiginda gereken bilgilerin cogu bulunabilir. Burada ornek olarak kolektor akimini 2mA alalim, bununla sonra base akimini hesapliyacagiz. Bize gereken bilgileri siraliyalim:

Ikolektor = 2 mA

HFE = 40

Usupply = +5V

UR1 = 2,5V

UBE-Q1 = 0,7V

Ilk once 2mA'lik icin gerek base akimini hesapliyalim.

Base icin gerekli olan akim.

Simdi R1 'in degerini bulalim. Bu direnc emitterde bulunuyor bunun icin bilmemiz gereken seyler:

– emitter akimi

– Direnc uzerinde kalan gerilim

Emitter akimi, kollektor ve base akiminin toplamidir. Base akimi cok kucuk oldugu icin bunu yok sayabiliriz, o zaman:

R1 icin en kullanisli deger 1200 W. Simdi base'de transistorun bias'i icin gorev yapan direncleri hesapliyalim. Bunun icin R3'den gecen akimi belirlememiz grekmektedir, ornek olarak 1mA aliyoruz. Bu akimin bir bolumu transistorun base'ine diger bolumu ise R2 uzerinden ground'a gidecek.

Sekil-4 Transistorun bias akimlari

Sekil-4'e bakildiginda ne demek istedigimi daha iyi anliyacaksiniz. R2 direncini hesaplamak basliyacagim. Bize yine akim ve direnc uzerinde kalan gerilim lazim.

Ozetliyecek olursak:

R1 = 1200W

R2 = 3300W

R3 = 1800W

Boylece butun bias direnclerini hesaplamis olduk. Simdi geldi sira osilator bulumune.

Colpitts osilatorunu tasarim yaparken bazi parametreler pratikten deneyerek bulunmustur. Bizde bu bilgiden yararlanarak geri besleme kondensatorlerini ve diger parcalari hesapliyacagiz. Bilmemiz gereken degerler sunlardir:

XC2,XC3 » 45W (geri besleme kondensatorleri )

XC4 » 750W ( cikis kondensatoru )

XC1 » 100W (LC tanki ile tranisistor arasindaki matching sagliyan kondensator)

C2 ve C3 icin 33pF veya 39pF, C1 icin 15pF kullanabiliriz.

Sira geldi LC tankinin belirlenmesine. Bobini 1mm emayeli bakir tel ile yapacagiz. Kullanilacak varikap diyotlar ise BB405 tipinden. Bu varikapin degeri 1,9pF ile 18pF arasi ayarlana bilen tipden, seri direnci ise 0,6W. Devrede 4 tande varikap diyot kullaniyoruz, anti-parallel bir sekilde. Bu sekilde diyotlarin non-linear ozelligini buyuk bir oranda etkisiz hale getirmis oluyoruz. 4 tane kullandigimiz icin varikap diyodunun degerinde biraz degisiklik oluyor. Bunu basit bir hesaplama ile gosterebiliriz.

Sekil-5 Varikap diyorlarinin anti-parallel konfigurasyonu

Ornek olarak diyorlairn maksimum degerini alalim, D2 ve D3 parallel bagli, degerleri o
zaman:

Ayni formulu D1 ve D4 icin kullanabiliriz. Sekil-5'e baktigimizda sol resim sag resime esit, cunki devredeki toplam kapasite 18pF maksimum. Nasil olur bu derseniz, 2 tane 36pF seri baglanmis durumda. Varikap'in minimum degerine bakarsak 3,8p, bu tabii seri oldugu icin 1,8pF oluyor. Kisaca, devredeki varikap 1,8pF ve 18pF arasi ayarlanabiliyor.

Osilator devresine (sekil-3) baktigimizda geri besleme kondensatorleri LC tankina parallel bir durumda. Bu kondensatorlerde hesaba katilmasi lazim.

Sekil-6 LC tankina parallel olan geri besleme kondensatorleri

C1,C2 ve C3 seri baglanmis durumda, bunlarin toplam degeri:

Biraz once hesaplamistik, varikaplarin seri durumda maksimum kapasitesi 18pF, bu Ctoplam'a parallel. O zaman tank kapasitesi :

LC tankinin gordugu maksimum kapasite 26,5pF ! Son olarak bobine hesapliyalim, ornek olarak varikap in kapasitesini 12pF kabul ededlim cunki V_tune ile degerini degistribiliyoruz.

Bobini 1mm bakir tel kullanartak yapabilirsiniz

Devrenin butun parcalarini hesaplamis bulunuyoruz. Sekil-3'deki devreye parcalarin degerlerini eklersek hersey tamamlanmis olur, sekil-7.

Sekil-7 Osilator devresi, Colpitts configurasyonu

6 – Osilator simulasyonu

Elektronikte cogu devreleri pratikte yapmadan simulasyon programlari ile test edebiliriz. Buradaki tasarimini yaptigim osilatorun ilk once simulasyon programi ile denedim. Hatirlatmakta yarar var; osilatorumuz Colpitts negatif resistans tipinden. Bu demektirki transistorun base'ine baktigimizda negatif bir resistans gormemiz lazim. Ayni anda geri besleme ile olusan faz acisinida gormemiz gerek, bu osilatorde 0° veya bunun fazlasi.

Asagidaki resim hesapladigimiz devreyi gosteriyor.

Resimde bir giris (1) ve birtanede cikis (2) gorunmektedir.1 numarali giris ile negatif resistansi ve faz kaymasini olcecegiz. 2 numarili cikisda ise osilatorun kendi sinyalini olcecegiz.

Bu resimde osilatorun cikis sinyalini gormekteyiz. Olculen parametre MAG[S21]. Kirmiz rekli grafik resonans frekansi, mavi grafik ise devredeki faz degisimini gosteriyor. Farkindaysaniz, cikis amplitudu ile 0 derece ayni noktada degiller. 0 derece 96 MHz'de olusuyor, osilatorun cikisi ise maksimum amplitude 93MHz civarinda ulasiyor. Cikistaki amplitud yuksekligi ile C1 arasinda bir baglanti var. Eger C1 degeri buyuk olursa LC tank'i nin Q faktoru kuculur, cunki C1 tanka cok yuklenmektedir. Eger kucuk bir deger kullanirsak cikis sinyalide yukselir, tank'in Q faktoru bu durumda yuksektir ve sinyal kaybi olusmaz.

Bu simulasyon ile devrenin calistigini gormekteyiz. Simdi bakalim negatif resistans ne durumda.

Bu resimde tranistorun (giris 1) base'ine bakmaktayiz. Kirmizi grafik reel resistansi gosteriyor, gordugunuz gibi '1'den kucuk. Mavi grafik ise base'in imaginary empedansini veriyor. Eger burada negatif bir resistans gormedigimiz anda devre stabil durumda degildir.

Bu kisa bir ornek ile yuksek frekans icin nasil devre tasarimi yapildigini gostermeye calistim. Sunu unutmamali, simulasyon programi kullanmak icin ilk once devre hakkinda butun bilgilere sahip olmak gerekli. Devrenin nasil calistigini ve nasil bir sonuc beklenebilecegini bastan bilinmeli. Simulasyon programlari pratikte sadece bir yardimci TOOL olarak ve hic bir zaman problem cozucu kara kutu (input = problem => output=cozum) olarak gormemeliyiz. Bu tur programlarda tranistorlerin ve diger parcalarin model yapimi onemlidir ve simulasyonun kaliteside buna baglidir.

6 – Devrenin pratikte kullanılışı

osilatoru kullanirken guc kaynaginin cok temiz olmasi lazim. Kaynaktan gelen gurultu osilatoru module edebilir (Amplitud ve frekans). Varikaplar icin ayrica +12V gerekmektedir, bir potansiyometre ile V_tune noktasindaki gerilimi 0V ile 12V arasinda ayarliyabilirsiniz. Devrenin guvenilir birsekilde calismasini isterseniz varikap voltaji 1 volt'tan asagi inememesi lazim. Eger Spectrum Analyser'íniz varsa devreyi calistirp spectrum'une bakabilirsiniz. Osilatorun cikisindaki amplitud cok dusuk oldugunda driver basamagi gereklidir. En iyisi 10dB guclestiren bir devre, boylece sinyal/gurultu oraninda duzelmis olur.

Driver devreleri ve daha iyi tasarim edilmis Colpitts osilatorlerini diger yazilarimda aciklamaya calisacagim. Tabiiki buna gorede bir PLL devresi yapacagiz.

Bu yazi ile birlikte yaklasik 1 Mb buyuklugunde Zip'lenmis bir AVI dosyasi bulunmaktadir. Bu dosyayi acip osilatorun nasil calistigini gorebilirsiniz. Farkina varcaksiniz, serbest calisan osilatorler ( free running osc.) ayni bir FM module edilmis tasiyici gibi saga, sola kayma yapiyor. Esasinda gercekten module edildigi icin boyle yapiyor. Cevre sicakligi, guc kaynaginden gelen gurultu direk olarak varikaplara gelmektedir, sonuc olarak module edilmis bir osilator elde etmis oluyoruz. Kaymalar ± 5kHz, bu tabi dar kanalli alicilar icin kullanilabilen bir osilator degil .

Kolay gelsin…..

OSILATOR_VIDEO.ZIP

Yılmaz KALAFAT, PE1PYJ
30-01-2004 HOLLANDA
yilmaz@home.nl