اسیلاتور

دسته: برق ، الکترونیک و مخابرات
بازدید: 115 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 186 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 53

در واقع اسیلاتور یك مدار فیدبك دار است (كه این مدار معمولاً از تعدادی از ترانزیستورها ساخته شده است) كه در یك فركانس خاص نوسان می كند كه البته این فركانس معمولاً قابل تغییر است و در یك محدوده ای قرار دارد

قیمت فایل فقط 4,900 تومان

اسیلاتور

مقدمه

با توجه به رشد سریع شبكه های مخابراتی بی سیم، ارتباط بسیار نزدیكی بین الكترونیك و مخابرات میدان پدید آمده است. در مخابرات ما با سیستم هایی كار می كنیم كه احتیاج به فركانس دقیق دارند تا از خطاهای جیتر كه منجر به isi می شوند جلوگیری كنیم، با این كار هزینه ها بسیار پایین می آید و نیاز به تكرار كننده های دیجیتال كمتر می شود. بنابراین مهندسان الكترونیك با طراحی كردن نوسان سازهای با دقت فركانسی بالا، خطی در گسترة استفاده و دارای نویزكم به كمك مهندسان مخابرات می آیند. این فركانس دقیق از فركانس كلاك در میكروپروسسورها تا تلفن های سلولی استفاده دارند و هر كدام از این كاربردها احتیاج به توپولوژی خود را دارد. در یكی احتیاج به توان بسیار پایین نیاز نیست ولی در عوض فركانس دقیق مورد نیاز است و در دیگری برعكس. بنابراین یك مبادله در هر كاربرد وجود دارد.

نوسان سازی كه بتواند در گسترة بیشتر فركانس های مخابراتی خاصیت خطی داشته باشد، امروزه مورد نیاز است. بنابراین خطی بودن یك خاصیت مهم برای نوسان سازها است. برای این كار باید به خصوصیات وركتوری كه در نوسان ساز استفاده می شود توجه كافی بشود. امروزه باید به فكر گستره های فركانسی بالاتری بود، زیرا با پیشرفت صنعت فركانس مورد استفاده در وسایل الكترونیكی و مخابراتی بیشتر می شود.

در بخش یك سعی شده تا نوسان سازها بررسی شود و تعاریف و شرایطی كه یك مدار باید داشته باشد تا نوسان كند 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 كه موضوع اصلی این تحقیق است پرداخته شده است و به طور اجمالی ویژگی های ریاضی آنها و شرایطی كه باعث می شوند آنها پركاربرد باشند را شرح داده است. در بخش چهارم در مورد وكتور با مقاومت متغیر بحث می كند و مداراتی كه به آنها ویژگی نزدیك به ایده آل می دهد و در بخش پنجم به وسیلة چند روش ذكر شده در بخش های قبلی به بررسی یك نوسان ساز در گسترة وسیع می پردازیم. قابل توجه است كه بخش پنجم انشاء ا... در گزارش بعدی كامل خواهد شد و هدف اصلی در بخش پنجم تحقق پیدا خواهد كرد.

بخش 1: تعاریف و مثال های نوسان سازها:

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

وظیفة یك اسیلاتور (یا نوسان ساز) ایجاد یك خروجی متناوب است. بلوك دیاگرام یك اسیلاتور را در حالت كلی می توان به صورت زیر نشان داد:

در واقع اسیلاتور یك مدار فیدبك دار است (كه این مدار معمولاً از تعدادی از ترانزیستورها ساخته شده است) كه در یك فركانس خاص نوسان می كند كه البته این فركانس معمولاً قابل تغییر است و در یك محدوده ای قرار دارد (در مبحث VCO ها به این مطلب بیشتر اشاره می شود). معمولاً ساختار اسیلاتور این گونه است كه بدون آنكه ورودی به آن اعمال شود، یك خروجی تناوبی ایجاد می كند، به همین دلیل نیاز است كه بهرة حلقه بستة شكل بالا در فركانس نوسان (مثلاً  ) به سمت بی نهایت رود به عبارت دیگر باید داشته باشیم:

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

شرط 2:            و شرط 1  

كه در صورت داشتن دو شرط بالا مدار در فركانس  نوسان خواهد كرد. باید توجه كرد كه شرط 2 را با فرض وجود فیدبك منفی نوشتیم و اگر فیدبك مثبت باشد. این شرط به صورت  یا  در می آید (زیرا قرار است كه كل انتقال فاز 360 درجه شود.)

حال به عنوان اولین قدم به دنبال تحقق مدار توصیف شده با شرایط بالا می رویم، ساده ترین توپولوژی كه به نظر می رسد، یك ترانزیستور سروس مشترك فیدبك دار است. باید ببینیم كه آیا شروط باركها وزن در آن صدق می كند یا نه. اگر در نظر بگیریم كه  باشد، در شرط 1 صدق خواهد كرد زیرا  . ولی این مدار ؟ نمی تواند در شرط2 صدق كند. زیرا در مدار یك طبقه فقط یك قطب داریم كه حداكثر می تواند اختلاف فاز 90 درجه ایجاد كند و با در نظر گرفتن وارونگی سیگنال از گیت به درین، حداكثر انتقال فاز كل به 270 درجه می رسد. در نتیجه این مدار نوسان نمی كند.

حال كه نتوانستیم با مدار یك طبقه سورس مشترك، یك نوسان ساز بسازیم، منطقاً باید به سراغ مداران چند طبقه برویم. ابتدا یك مدار دو طبقه را در نظر می گیریم (شكل 2).

در مدار شكل 2 چون دوبار وارونگی سیگنال رخ می دهد، در نزدیك فركانس صفر دارای بند یك مثبت خواهد بود و مدار قفل خواهد كرد زیرا  زیاد بشود،  كم خواهد شد و در نتیجه ولتاژ گیت  كم می شود و  خاموش می شود و در نتیجه  باز هم افزایش می‌یابد تا جائی كه  به  می رسد و  به صفر می رسد و در این حالت مدار در این حالت می ماند.

ممكن است تصور شود كه اگر شكل قفل شدن در شكل 2 حل شود، مدار نوسان خواهد كرد. برای اینكه ببینیم این تصور درست است یا نه این ؟؟ قفل شدن را با گذاشتن یك طبقة وارونگر ایده آل بین  و  ، برطرف می كنیم، ولی باز هم مدار نوسان نخواهد كرد، زیرا برای نوسان كردن مدار باید اختلاف فاز وابسته به فركانس به 180 درجه برسد یعنی اینكه هر كدام از قطب ها باید 90 درجه اختلاف فاز ایجاد كند كه این اتفاق در فركانس های بالا رخ می دهد ولی برای حلقه در فركانس های خیلی بالا افت خواهد كرد و شرط  برآورده نمی شود.

حال كه در رسیدن به مدار یك نوسان ساز دو طبقه ناكام ماندیم به سراغ مدارهای سه طبقه می رویم. با فرض یكسان بودن قطب های بر یك از سه طبقه، اختلاف فاز وابسته به فركانس در فركانس بی نهایت به  درجه می رسد در این صورت اگر اختلاف فاز وابسته به فركانس را  برابر درجه قرار دهیم (كه در نتیجه با سه بار وارون شدن سیگنال اختلاف فاز كل صفر درجه خواهد بود) ممكن است بتوان به  رسیدم. در نتیجه مدار سه طبقه ممكن است بتواند نوسان كند.

حرف بالا كلی بود، به عنوان یك مثال از شرایطی كه مدار واقعاً نوسان می كند، در نظر بگیرید تابع تبدیل بر شبكه به صورت  است، پس می توان نوشت:

اگر فرض كنیم كه این مدار سه طبقه در فركانس  نوسان كند، با توجه به اینكه هر طبقه باید 60 درجه اختلاف فاز ایجاد كند و بهرة حلقه حداقل مقدار را داشته باشد یعنی  مقادیر  و  به صورت زیر به دست خواهد آمد:

           و   

یعنی اینكه این نوسان ساز حلقوی سه طبقه با بهره 2 در هر طبقه و در فركانس  نوسان می كند.

در بالا ما برای ارضای شروط باركها وزن به جای آنكه  را در نظر بگیریم، شرط  را مدنظر قرار داریم حال اگر  بشود (یا اینكه ) چه اتفاقی خواهد افتاد؟ در حقیقت در صورت افزایش دامنة نوسان طبقات موجود در مسیر سیگنال دچار خاصیت غیرخطی و اشباع می شوند و دامنة ماكزیمم را محدود می كنند و در نتیجه بهرة حلقه متوسط برابر با یك خواهد شد. یعنی این مدار به صورت یك مدار پایدار كار می كند كه در صورت بزرگ تر شدن مقدار  از یك، آن را دوباره به مقدار یك باز می گرداند.

از آن جایی كه معمولاً در طراحی مدارها، بخش عمده ای از مدار را بلوك‌های دیجیتالی در بر می گیرد، برای حذف نویز ناشی از Clouk ها باید، مدار را به صورت دیفرانسیلی بسازیم. شكل دیفرانسیلی مدار نوسان كنندة سه طبقه به صورت شكل زیر است: (شكل 3)

ولی در عمل هیچ گاه مدار را به صورت بالا با مقاومت های  نمی سازند زیرا در فناوری های CMOS مقاومت با كیفیت بالا وجود ندارد. لذا عملاً از خود مقاومت های ترانزیستوری استفاده می شود. به این منظور سه روش استفاده از این نوع مقاومت ها را معرفی می كنیم:

روش 1: همانطور كه در شكل 4 دیده می شود می توان یك ترانزیستور PMOS را كه به عنوان مقاومت بار استفاده می شود و در ناحیة تریود عمیق كار می كند را به كار برد.

در صورتی كه ترانزیستورهای  و  در حالت تریود عمیق باشند (یعنی  )، مقاومتی كه از ؟ هر یك از ترانزیستوری  و  دیده می شود برابر است با  كه:

در این حالت  باید طوری انتخاب شود كه در ناحیه تریود عمیق بمانیم زیرا  باید به دقت تعریف شده باشد.

روش 2: در این روش از بار وصل شده به صورت دیود استفاده می كنیم (شكل 5) بدین ترتیب مقاومتی كه از این ترانزیستورهای  و  دیده می‌شود برابر است با .

اشكالی كه در این روش وجود دارد این است كه سقف ولتاژ را به اندازة یك ولتاژ آستانه بالا می برد.

روش 3: تیم روش از دو روش قبل مناسب تر می باشد. در این روش یك سورس فالوئو NMOS بین درین و گیت هرترانزیستور RMOS قرار می‌گیرد (شكل 6).

در این روش  و  فقط سقف ولتاژی به میزان  را مصرف می‌كنند.

اگر داشته باشیم  ، آنگاه  در لبة ناحیة تریود كار می كند و در نتیجه داریم:  ، یعنی در واقع  به اندازه یك  می‌باشد و  در اینجا كمتر از روش 2 است پس این مدار نیاز به سقف ولتاژ كمتری نسبت به روش 2 دارد. در این حالت مقاومت سیگنال كوچك بار تقریباً برابر با  است در راستای بررسی نوسازی سازهای حلقوی سه طبقه، یك نمونه سادة نوسان سازها كه به مقاومت نیازی ندارد را بررسی می‌كنیم. همانطور كه در شكل 7 دیده می شود. اگر سه طبقة وارونگر (Invertor) را پشت سرهم قرار دهیم، یك نوسان ساز ساخته ایم:

در شكل 7 اگر طبقات یكسان باشند و نویزی در مدار نباشد، مدار همیشه در این حالت خواهد ماند. فرض كنید تأخیر هر وارونگر به اندازة  باشد و مدار با ولتاژ  شروع كند، در این صورت داریم:  ، بنابراین  صفر می شود و بعد از  ثانیه  به  می رسد و  نیز بعد از  ثانیة دیگر به صفر می رسد و اگر این روند را دنبال كنیم در می یابیم كه سیگنال های  و  و  یك سیگنال متناوب با دورة متاوب  خواهند بود.

تحلیل فوق یك تحلیل سیگنال بزرگ بود و از آن به دست آمد كه فركانس نوسان سیگنال بزرگ برابر  است ولی همانطور كه ما در قبل با تحلیل سیگنال كوچك wosc یك مدار سه طبقه را به دست آوردیم، اگر  باشد، مقدار این فركانس برابر است با .

توجه به این نكته ضروری است كه دو مقدار فوق لزوماً با هم برابر نیستند. زیرا  توسط مقاومت و خازن خروجی سیگنال كوچك هر وارونگر به دست می آید ولی  از خازن و تحریك جریان غیرخطی و سیگنال بزرگ هر طبقه نشأت می گیرد این نكته بیانگر آن است كه نوسانات با فركانس  شروع می شود ولی وقتی كه دامنة سیگنال افزایش می یابد، مدار غیرخطی تر شده و فركانس نوسانات به  تبدیل خواهد شد كه مقدارش از مقدار  كمتر است حال اگر بخواهیم مدار نوسان كننده را با تعداد بیشتری وارونگر بسازیم باید توجه داشته باشیم كه تعداد كل وارونگرها در حلقه باید عددی فرد باشد، زیرا در غیر این صورت مدار قفل می كند (مانند آنچه در شكل 2 دیده شد).

اگر پیاده سازی مدار به صورت دیفرانسیلی باشد می توان از تعداد خروجی طبقه استفاده كرد به شرط آنكه یكی از طبقات باید طوری بسته شود كه عمل منفی كردن را انجام ندهد كه این خود یك مزیت دیگر مدارهای دیفرانسیلی نسبت به مدارهای تك سر است.

قیمت فایل فقط 4,900 تومان

برچسب ها : اسیلاتور , طرح توجیهی اسیلاتور , دانلود اسیلاتور , برق , نوسان سازها , , دانلود طرح توجیهی , پروژه دانشجویی , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , پایان نامه , دانلود پروژه