مقدمه
اسیلاتور های مایکروویو و RF به طورکلی در سیستم های نسبتا مدرن و سیستم های بی سیم مخابراتی برای تولید منبع سیگنال ، ترکیب فرکانسی و تولید موج حامل به کار می رود.
اسیلاتور های نیمه هادی با قطعات غیر خطی فعال مثل دیود و ترانزیستور به صورت ترکیب با مدارات پسیو برای تبدیل DC به سیگنال حالت دائمی سینوسی RFمورد استفاده قرارمی گیرد.
مدارات اسیلاتوری ترانزیستوری پایه می توانند به صورت عمده در فرکانسهای پایین همچنین با نوسان ساز های کریستالی برای تولید فرکانس های پایدار و با نویز کم استفاده شوند.
در فرکانس های بالا دیود ها و ترانزیستورها به صورتی بایاس می شوند که در نقطه کار به صورت یک مقاومت منفی عمل می کنند . با استفاده از کاواک ،خطوط انتقال یا رزوناتورهای دی الکتریک برای تولید فرکانس های نوسان پایه تا 100GHz به کار می روند .
آنالیز دقیق این مدارات با استفاده از نرم افزارهای CAD انجام می شود .
ما ابتدا یک یادآوری در مورد اسیلاتور ترانزیستوری شامل ساختارهای هارتلی و کلپیتس که بهتر از اسیلاتور کریستالی عمل می کنند خواهیم داشت سپس اسیلاتورهای مایکروویو را بررسی می کنیم .
اسیلاتورهای مایکروویو به خاطر داشتن مشخصه های متفاوت ترانزیستوری و توانایی ایجاد قطعات مقاومت منفی و ضریب کیفیت بالاتر با ساختارهای فرکانس پایین تفاوت اساسی دارند.
(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
معیارنوسان :
معیارنوسان کردن رامی توان به چند روش دقیق و معادل هم بیان کرد.اول اینکه در یک نوسان ساز دارای یک عنصر فعال دو دریچه ای باید یک مسیرفیدبک وجود داشته باشد واز طریق آن بخشی ازخروجی به ورودی برگردانده شود.اگر سیگنال فیدبک شده بزرگتر وهم فاز با ورودی باشد، نوسان شروع شده ودامنه اش به طور مرتب زیاد می شود، تا اینکه عنصراشباع شده، بهره حلقه فیدبک به یک برسد. بنابراین معیاراول این است، مداری نوسان می کند که درآن مسیرفیدبکی با بهره حداقل برابربا یک وبا تغییرفازصفروجودداشته باشد. معیار دیگر برای نوسان این است که ضریب پایداری مدار نوسان ساز باید کوچکتر از یک باشد.
اگر یکی از دو معیار فوق برای یک مدار معتبر باشد ،دترمینال معادلات ولتاژهای گره های یاجریانهای حلقه های آن برابر صفر خواهد بود.این معیار سوم نوسان خواهدبود، و روش ریاضی مناسبی برای یافتن فرکانس نوسان می باشد، به شرط اینکه بتوان معادلات جبری لازم را حل کرد.
(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
سرانجام، اگر یک مدار بالقوه نوسانی را به طور فرضی به یک بخش فعال و یک بارتقسیم کنیم، هنگام پیدایش شرایط نوسان بخش حقیقی امپدانس خروجی بخش فعال منفی می شود. این یک شرط لازم برای نوسان است ولی کافی نیست؛ معیار منفی شدن مقاومت برای توصیف کار نوسان سازهای مایکروویو که در آنها از دیودهای بامقاومت منفی(دیودهای تونلی،گان،ایمپات وتراپات)استفاده می شود،مفید است.
اساس مدل نوسان ساز :
شکل زیر یک سیستم حلقه بسته را نشان می دهد که قسمت اساسی یک مدل نوسان ساز را
(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
همین فیدبک مثبتی که از خروجی به ورودی اعمال می شود شامل می گردد، شرایط لازم برای نوسان یک مداررا با بد ست آوردن تابع تبدیل حلقه بسته برسی میکنیم:
که با فرض اینکه مقدار ولتاژ خروجی مخالف صفر وولتاژورودی برابر با صفر باشد داریم:
(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
که تحت این شرایط می توانیم بگوییم نوسان ساز در حالت پایدار قرار دارد و این حالت پایدار در فرکانس خاصی اتفاق می افتد و باعث نوسان مدار می شود.
که در این صورت در فرکانس خاصی تابع حلقه بسته (تابع انتقال کل سیستم) ناپایدار می- شود. به عبارت دیگراگر سیستم فوق دارای گین مدارباز به اندازه یک و زوایای 2kp باشد، وارد نوسان می شود.
نوسان ساز مقاومت منفی :
عنصری که انرژی الکتریکی را به انرژی حرارتی یا مکانیکی تبدیل می کند را می توان در مدار به صورت یک مقاومت معادل مثبت نشان داد. از طرف دیگر می توان عنصری را که بتواند شکل های دیگر انرژی رابه انرژی الکتریکی تبدیل کند با یک مقاومت منفی معادل نشان داد.دیودهای تونلی و گان، ترانزیستورهای تک اتصالی و ترکیب های خاصی از دو یا چند ترانزیستور می توانند انرژی را مصرف کرده و بخشی از آن رابه صورت یک سینوسی فرکانس بالا تبدیل کنند. بنابراین این عناصر در یک گستره فرکانسی خاص، خاصیت مقاومت منفی ازخود نشان می دهند.
برای ساختن نوسان ساز، یک مدارتشدید موازی مرکب ازعناصرR,L,C رابا یک مقاومت منفی معادل موازی می کنیم؛ به دلیل اینکه بین صفحات خازن دوقطبی هایی وجود دارد که این دوقطبی ها دارای اتلاف هستند و این تلفات به صورت مقاومت ذاتی در خازن ظاهر می شود و از طرف دیگر هرسلف نیز به دلیل داشتن مقاومت ذاتی نمی گذارند که سیستم وارد نوسان شوند، باید روشی پیدا کنیم که این مقاومت ها را تا حد صفر کاهش دهد. که راه حل آن استفاده از مقاومت منفی است.که در این صورت داریم:
شرط شروع نوسان مدار :
ولی قبل ازشروع نوسان مقاومت مدارتشدیداز لحاظ اندازه از مقاومت منفی بزرگتر باشد، در حالت ماندگار اندازه دو مقاومت برابر می شوند؛ از لحاظ نظری این حالت تنها دریک فرکانس پیش می آید.
(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
روش های تولید مقاومت منفی :
د یود تونلی(Tunnel Diode) :
دیود پیوندی با آلایش بسیار زیاد که در بعضی از محدوده های کاری خود در جهت مستقیم، مقاومت منفی دارد که در نتیجه پدیده تونلی در مکانیک کوانتوم به وجودمی آید. این دیود می- تواند از مواد نیمه رسانای مختلفی از قبیل ژرمانیوم، سیلیکن، گالیم آرسنایدوانیدیم آنتیموناید ساخته شود وبه عنوان نوسان ساز و تقویت کننده ای که می تواند به خوبی تا بسامدهای ریزموج عمل کند، بکار رود.
اثر تونل :
سوراخ شدن سد پتانسیل مستطیلی در نیمه رسانا با ذره ای که دارای انرژی کافی برای عبور از سد نیست. موج مربوط به این ذره به طور تقریبی به صورت کامل در اولین لبه سد بازتابیده می شود، اما مقدار کمی از آن از سد می گذرد.
2 ) دیود گان(Gunn Diode) :
قطعه نیمه رسانای دو سری که بااستفاده از اثرگان نوسان های ریزموج ایجاد می کند، یا سیگنال ریز موج ورودی را تقویت می کند. بسامد نوسان به زمان گذر حوزه بار بستگی دارد و می تواند از 50 گیگا هرتزهم فراتر رود، عملکرد آن درمد زمان گذراست.
اثرگان:
اثری که توسط ج.ب.گان در سال1963 کشف شده است؛ اگر یک ولتاژ DC ثابت و بیشتراز یک مقدار بحرانی به اتصال های دو طرف قطعه کوچکی از گالیم آرسنید نوع N اعمال شود، نوسان های ریزموج ایجاد خواهند شد. بسامدهای تولید شده، با توجه به ابعاد قطعه و سایر عوامل فیزیکی بین 500 مگاهرتز تا بالای 50 گیگا هرتز قرار دارند.
3) دیود زمان گذر بهمنی ضربه ای(IMPATT Diode) :
نوعی دیود ریزموج حالت جامد که اساس کارآن ترکیب اثرشکست بهمن ضربه ای واثر زمان گذرحامل درتراشه نازک گالیم آرسنیدی یا سیلیسیمی ودرنهایت تولید مشخصه مقاومت منفی است. با قراردادن صحیح دیود در کاواک یاموج بر تنظیم شده می توان نوسان سازیا تقویت کنننده ای به دست آورد که درگستره گیگا هرتز کار می کند.
(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)