Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ Υλοποίηση και Εργαστηριακή Αναφορά Ring και Hartley Ταλαντωτών Φοιτητής: Ζωγραφόπουλος Γιάννης Επιβλέπων Καθηγητής: Πλέσσας Φώτιος Χειμερινό Εξάμηνο 2014-2015 1
Εισαγωγή στους Ταλαντωτές Οι ταλαντωτές είναι από τα βασικότερα κυκλώματα στα ηλεκτρονικά. Χρησιμοποιούνται κατά κόρον στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα και κυρίως στους πομπούς και δέκτες σημάτων. Μπορούν να λειτουργήσουν από πολύ χαμηλές συχνότητες της τάξης των μερικών Hz και μπορούν να φτάσουν μέχρι αρκετά GHz. Ενας ταλαντωτής, ανάλογα με τις προδιαγραφές του και τον τρόπο κατασκευής του, λειτουργεί σε μια πολύ περιορισμένη περιοχή συχνοτήτων γύρω από μια κεντρική συχνότητα (ιδανικά θα θέλαμε να λειτουργεί σε μία πολύ συγκεκριμένη συχνότητα). Στην παρούσα εργασία θα μελετήσουμε έναν Ring ( ψηφιακό ) και έναν Hartley ( αναλογικό ) ταλαντωτή καθώς και τα πλεονεκτήματα/μειονεκτήματα της κάθε τοπολογίας. Συμβολή ταλαντωτή στη Διαμόρφωση(ΑΜ) Σήματος Πληροφορίας 2
Ταλαντωτής Τετραγωνικής Κυματομορφής (Waveform Oscillator), Ring Ταλαντωτής Ο Ring oscillator είναι ο πιο δημοφιλής τύπος από τους ταλαντωτές ψηφιακής εξόδου, καθώς έχει γίνει ευρέως χρησιμοποιούμενος σε εφαρμογές με μονολιθική υλοποίηση σε μία περιοχή αρκετών GHz εξαιτίας της απλότητάς του και της εύκολης ολοκλήρωσής του(ιντεγρατιον) με άλλα ψηφιακά κυκλώματα. Οι Ring ταλαντωτές λοιπόν, καθώς η τεχνολογία αναπτύσσεται γρήγορα ως προς την α- πόδοση των ψηφιακών κυκλωμάτων, πλεονεκτούν και αρχίζουν να γίνονται μια βιώσιμη επιλογή για συχνότητες που απαιτούνται σε ασύρματες και υψηλής ταχύτητας δεδομένων επικοινωνίες. Ενα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν, είναι ότι η δομή τους αποτελείται μόνο από τρανζίστορ (δε χρειάζεται η τοποθέτηση πηνίων στον ημιαγωγό) και επομένως ο χώρος που απαιτούν οι συγκεκριμένοι ταλαντωτές είναι σημαντικά μικρότερος εν συγκρίσει με άλλους. Μελετώντας την τοπολογία ενός Ring ταλαντωτή παρατηρούμε ότι πραγματοποιείται τοποθετώντας σε σειρά ένα περιττό αριθμό από αντιστροφείς στο βρόχο ανάδρασης. Ενας ανερχόμενος παλμός σε οποιοδήποτε κόμβο μεταδίδεται μέσα από τους αντιστροφείς στο βρόχο και επιστρέφει σαν ένας κατερχόμενος παλμός μετά από μια καθυστέρηση που επιβάλλεται από τους αντιστροφείς. Αυτός ο κατερχόμενος παλμός στη συνέχεια μεταδίδεται και πάλι στο βρόχο και επιστρέφει ανεστραμμένος ως ένας ανερχόμενος παλμός. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται συνεχώς, με αποτέλεσμα τη δημιουργία μίας τετραγωνικής κυματομορφής ταλάντωσης. Ring ταλαντωτής 3
Υλοποίηση Ταλαντωτή στο Λογισμικό ADS Στη συνέχεια προχωρήσαμε στην υλοποίηση του κυκλώματος. Χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ADS για την υλοποίηση, την εξέταση καθώς και τις προσομοιώσεις που ακολούθησαν. Είναι σημαντικό να αναφέρουμε πως τα τρανζίστορ που χρησιμοποιήθηκαν (Pmos, Nmos) είχαν τα χαρακτηριστικά του ολοκληρωμένου κυκλώματος CD4007 το οποίο χρησιμοποιήθηκε και αργότερα στην πειραματική υλοποίηση του ταλαντωτή στο εργαστήριο. Ο σημαντικότερος λόγος που χρησιμοποιήσαμε αυτό το μοντέλο τρανζίστορ στις προσομοιώσεις δεν ήταν για θέματα απόδοσης/κατανάλωσης αλλά ώστε οι αποκλίσεις των θεωρητικών (λογισμικού) και πειραματικών(εργαστήριο) μετρήσεων να απέχουν όσο το δυνατόν λιγότερο και να είναι αντιπροσωπευτικές. Ακολουθεί η βασική υλοποίηση του Ring ταλαντωτή στο ADS αλλά και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του παρακάτω κυκλώματος Υλοποίηση Ring Ταλαντωτή στο ADS 4
Αποτελέσματα Λογισμικού Είναι σημαντικό να προσέξουμε πως δεδομένων των μοντέλων των τρανζίστορ που θα χρησιμοποιήσουμε(cd4007 ) προκειμένου να αλλάξουμε την συχνότητα ταλάντωσης του κυκλώματος, έχουμε τέσσερις βαθμούς ελευθερίας: Αυξομειώνοντας τη χωρητικότητα των πυκνωτών Αυξομειώνοντας τη τιμή των ενδιάμεσων αντιστάσεων Αυξομειώνοντας τη τάση τροφοδοσίας του κυκλώματος Προσθέτοντας επιπλέον αντιστροφείς(προσέχοντας πάντα να είναι περιττός αριθμός το πλήθος τους) Στο κύκλωμα που ακολουθεί θα δούμε τη επίδραση είχε η προσθήκη αντιστάσεων 1ΚΩ μεταξύ των αντιστροφέων, στην συχνότητα λειτουργίας του κυκλώματος Υλοποίηση Ring Ταλαντωτή στο ADS με προσθήκη αντιστάσεων 1ΚΩ 5
Αποτελέσματα Λογισμικού με προσθήκη αντιστάσεων 1ΚΩ Παρατήρηση: Εύκολα διαπιστώνουμε πως στο νέο κύκλωμα(με την προσθήκη των αντιστάσεων 1ΚΩ) είχαμε παράλληλα και σημαντική μείωση στη συχνότητα ταλάντωσης. Βέβαια, βλέπουμε πως ο παλμός μας διορθώθηκε αρκετά και πλησίασε το τετραγωνικό κάτι που αναμένουμε σε έναν ταλαντωτή κυματομορφής όπως είναι ο Ring. 6
Εργαστηριακή Υλοποίηση Ring Ταλαντωτή Προτού ξεκινήσουμε με την υλοποίηση του ταλαντωτή ας δούμε τη διάταξη του ολοκληρωμένου CD4007 και πως θα το συνδέσουμε κατάλληλα ώστε να κατασκευάσουμε τον ταλαντωτή που επιθυμούμε Από το παραπάνω σχεδιάγραμμα εύκολα κατανοούμε πως προκειμένου να κατασκευάσουμε τον ταλαντωτή, αρκεί απλά να γεφυρώσουμε τα παρακάτω άκρα του ολοκληρωμένου: 13, 8, 3 1, 5, 10 12, 6 7, 4, 9 14, 2, 11 Παρατήρηση: Προφανώς, αν θέλουμε να παρεμβάλλουμε αντιστάσεις και πυκνωτές θα πρέπει να προσέξουμε ώστε να τοποθετηθούν στις κατάλληλες θέσεις, δηλαδή ανάμεσα στα στάδια των αντιστροφέων. Ακολουθούν φωτογραφίες τόσο του υλοποιημένου κυκλώματος πάνω σε Breadboard όσο και εικόνες από την κυματομορφή που πήραμε από τον παλμογράφο. 7
Εργαστηριακή Υλοποίηση Ring Ταλαντωτή(χωρίς την προσθήκη αντιστάσεων) Εργαστηριακή Μέτρηση από τον Ring Ταλαντωτή χωρίς αντιστάσεις 1ΚΩ 8
Εργαστηριακή Μέτρηση από τον Ring Ταλαντωτή με αντιστάσεις 1ΚΩ Παρατηρήσεις: Οι εργαστηριακές μετρήσεις έχουν μια αναμενόμενη απόκλιση από τις αντίστοιχες θεωρητικές(λογισμικού) Η υλοποίηση του ταλαντωτή πάνω στο Breadboard δεν θα μπορούσε να είναι πολύ πιο `τακτοποιημένη αφού χρειαζόμαστε και τα 3 ζεύγη τρανζίστορ που μας παρέχει το ολοκληρωμένο CD4007 9
Ταλαντωτής Συντονισμού, Hartley Ταλαντωτής Ο ταλαντωτής Συντονισμού είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα στο οποίο η συχνότητα ταλάντωσης προσδιορίζεται από ένα συντονισμένο κύκλωμα που αποτελείται από πυκνωτές και πηνία, δηλαδή, είναι ένας ταλαντωτής LC. Το κύκλωμα εφευρέθηκε το 1915 από τον μηχανικό Ralph Hartley. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του ταλαντωτή Hartley είναι ότι το συντονισμένο κύκλωμα αποτελείται από ένα μόνο πυκνωτή παράλληλα με δύο πηνία σε σειρά, και το σήμα ανάδρασης που απαιτείται για τη ταλάντωση λαμβάνεται από το κέντρο της σύνδεσης των δύο πηνίων. Κυκλωματικό Διάγραμμα Hartley Ταλαντωτή 10
Υλοποίηση Hartley Ταλαντωτή στο Λογισμικό ADS Στη συνέχεια προχωρήσαμε στην υλοποίηση του κυκλώματος στο λογισμικό ADS. Είναι σημαντικό να αναφέρουμε πως το διπολικό τρανζίστορ που χρησιμοποιήθηκε στο λογισμικό, είχε τα χαρακτηριστικά του BJT 2N2222 το οποίο χρησιμοποιήθηκε και αργότερα στην πειραματική υλοποίηση του ταλαντωτή στο εργαστήριο. Σε αυτή την υλοποίηση επειδή θα χρησιμοποιηθούν και πηνία, εκ των προτέρων γνωρίζουμε πως θα έχουμε σημαντική απόκλιση ανάμεσα στις θεωρητικές και πειραματικές μετρήσεις. Ο τρόπος κατασκευής και λειτουργίας των πηνίων προσθέτει μεγάλη αβεβαιότητα στη λειτουργία του κυκλώματος, ειδικά όσο επιδιώκουμε όλο και μεγαλύτερη συχνότητα ταλάντωσης. Στη συνέχεια ακολουθεί η υλοποίηση της παραπάνω τοπολογίας στο ADS Υλοποίηση Hartley Ταλαντωτή στο ADS 11
Αποτελέσματα Λογισμικού για τον Hartley Ταλαντωτή Είναι σημαντικό να παρατηρήσουμε ότι το ημίτονό μας τήνει στο ιδανικό. Ε- πίσης ο θόρυβος φάσης που μας δίνει ο συγκεκριμένος ταλαντωτής(στην συγκεκριμένη συχνότητα 1.609KHz) είναι -189,898@1MHz το οποίο σημαίνει πως για χαμηλές συχνότητες λειτουργίας ο Hartley έχει πολύ υψηλή απόρριψη θορύβου και ενδείκνυται. 12
Εργαστηριακή Υλοποίηση Hartley Ταλαντωτή Προτού ξεκινήσουμε με την υλοποίηση του ταλαντωτή ας δούμε και πάλι το κύκλωμά του αλλά και τα χαρακτηριστικά των στοιχείων, παθητικών και ενεργητικών που τον απαρτίζουν. Το μοντέλο του BJT τρανζίστορ που χρησιμοποιήσαμε ήταν το 2N2222 npn Κυκλωματικό Διάγραμμα Hartley Ταλαντωτή Στοιχείο Τιμή R1, R2 6.8ΚΩ R3 300Ω ή μεταβλητή 20Ω-4.7ΚΩ C1, C2, C4 47pF C3 1nF C5 10uF L1 1.2uH L2 6.8uH Vcc 9V 13
Ακολουθούν φωτογραφίες τόσο του υλοποιημένου κυκλώματος πάνω σε Breadboard όσο και εικόνες από την κυματομορφή που πήραμε από τον παλμογράφο. Εργαστηριακή Υλοποίηση Hartley Ταλαντωτή 14
Εργαστηριακή Μέτρηση από τον Hartley Ταλαντωτή Επίσης, γνωρίζοντας πως η συχνότητα λειτουργίας ενός ταλαντωτή καθορίζεται από τον τύπο 1 F = 2π LC Με την μεταβολή της τιμής της χωρητικότητας του πυκνωτή C3 άλλαζε αντίστοιχα και η συχνότητα ταλάντωσης όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Χωρητικότητα Πυκνωτή Συχνότητα Ταλάντωσης α- Συχνότητα Ταλάντωσης α- C3 πό Λογισμικό πό Εργ. Μέτρηση 1nF 1.609 MHz 1.542 MHz 2.2nF 1.123 MHz 1.098 MHz 4.5nF 798.8 KHz 795.72 KHz 10nF 543.2 KHz 563.77 KHz Παρατηρήσεις: Βλέπουμε πως όσο αυξάνεται η χωρητικότητα του πυκνωτή, μειώνεται η συχνότητα ταλάντωσης, κάτι που το αναμέναμε λόγω του παραπάνω τύπου Επίσης, οσο αυξάνεται η συχνότητα ταλάντωσης, αυξάνεται και η παραμόρφωση στο ημίτονο. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο δεν χρησιμοποιούμε αυτή την τοπολογία ταλαντωτή όταν επιθυμούμε υψηλές συχνότητες λειτουργίας 15
Μελέτη Θορύβου Φάσης στο Hartley Ταλαντωτή Ο θόρυβος σε έναν ταλαντωτή προστίθεται από τα στοιχεία που τον αποτελούν τόσο τα ενεργητικά(τρανζίστορ) όσο και τα παθητικά(πυκνωτές, πηνία). Οσο υ- ψηλότερο είναι το Q από το LC-tank μας τόσο μικρότερη είναι η επίπτωσή του στο θόρυβο φάσης. Από τον θόρυβο φάσης επηρεάζεται τόσο το πλάτος όσο και η συχνότητα της ταλάντωσης. Οι αυξομειώσεις όμως που δημιουργεί στο πλάτος είναι εύκολο να αντιμετωπιστούν, όμως δεν συμβαίνει το ίδιο και στη συχνότητα. Υψηλός θόρυβος φάσης εισάγει (τυχαία)μεγάλη απόκλιση στη συχνότητα, το οποίο εμείς μπορούμε πρακτικά να το δούμε(στο πεδίο του χρόνου) ως μια μετακίνηση, είτε προς τα εμπρός είτε προς τα πίσω, στα σημεία που η κυματομορφή του ημιτόνου μας τέμνει τον άξονα του χρόνου. Επιπρόσθετα, ο θόρυβος φάσης μετριέται σε ένα φάσμα γύρω από κεντρική συχνότητα του ταλαντωτή. Για τον υπολογισμό του θορύβου καθοριστική σημασία έχουν οι αρμονικές συχνότητες του ταλαντωτή, δηλαδή τα ακέραια πολλαπλάσια της κεντρικής συχνότητας ταλάντωσης. Οσο καλύτερη είναι η τοπολογία του ταλαντωτή, τόσο μεγαλύτερη μείωση/εξασθένιση εμφανίζει το πλάτος στις αρμονικές. Ενδεικτικά, στον παρακάτω πίνακα καταγράφονται τα πλάτη των αρμονικών σε σχέση με την κεντρική συχνότητα ταλάντωσης (F = 563,77 KHz - C = 10nF) σε λογαριθμική κλίμακα( db ) όπως αυτά προκύπτουν από τις εργαστηριακές μετρήσεις Συχνότητα 1η Αρμονική - 1080 KHz 2η Αρμονική - 1620 KHz 3η Αρμονική - 2160 KHz Εξασθένιση Πλάτους -27 db -38 db -46 db Στις εικόνες που ακολουθούν μπορούμε εύκολα να διακρίνουμε τόσο τις αρμονικές συχνότητες του ταλαντωτή μας όσο και την εξασθένιση του πλάτους των αρμονικών σε λογαριθμική κλίμακα( db ) 16
Εργαστηριακή Μέτρηση από τον Hartley Ταλαντωτή με τους κέρσορες βλέπουμε την συχνότητα ταλάντωσης και συχνότητα πρώτης αρμονικής Εργαστηριακή Μέτρηση από τον Hartley Ταλαντωτή με τους κέρσορες βλέπουμε την συχνότητα της δεύτερης και τρίτης αρμονικής 17
Εργαστηριακή Μέτρηση από τον Hartley Ταλαντωτή εξασθένιση πρώτης αρμονικής σε db 18
Σύγκριση των δύο τοπολογιών ταλαντωτών Ring vs Hartley Οπως αναφέραμε οι παραπάνω δυο τοπολογίες ταλαντωτών χρησιμοποιούνται σε αρκετές εφαρμογές ανάλογα με τα πλεονεκτήματα που η κάθε μία από αυτές εμφανίζει. Ο Ring ταλαντωτής χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, για να παρέχει και σήμα το ρολογιού με βάση το οποίο λειτουργούν όλα τα ακολουθιακά κυκλώματα του ολοκληρωμένου. Είναι ιδιαίτερα απλός σε υλοποίηση ταλαντωτής, έχει μικρή κατανάλωση(εξαρτάται από πόσα στάδια αντιστροφέων αποτελείται) και είναι πολύ εύκολο να διαχειριστούμε και να ρυθμίσουμε τη συχνότητα ταλάντωσής του. Παρ όλα αυτά εμφανίζει σχετικά υψηλά επίπεδα θορύβου(jitter ) και η απόδοση αλλά και η κατανάλωσή(απαιτούμενη ισχύς) του επηρεάζεται/αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ο Hartley ταλαντωτής χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στα αναλογικά κυκλώματα λόγο της απλής συνδεσμολογίας του. Είναι εύκολο να ρυθμίσουμε την συχνότητα ταλάντωσης της εξόδου του, μεταβάλλοντας την τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή που συναποτελεί το LC-tank μέρος του κυκλώματος. Εμφανίζει ιδιαίτερα χαμηλό θόρυβο φάσης, στις χαμηλές συχνότητες λειτουργίας, γεγονός που τον κάνει ιδανικό για τέτοιες υλοποιήσεις. Παρ όλ αυτά απαιτεί σχετικά υψηλή τάσης τροφοδοσίας και η απόδοσή του μειώνεται αισθητά όσο αυξάνεται η συχνότητα λειτουργίας. Παρατηρούμε, πως τόσο ο θόρυβος φάσης όσο και το πλάτος των αρμονικών συχνοτήτων αυξάνεται αρκετά όσο αυξάνεται η συχνότητα με αποτέλεσμα και το ημίτονό μας να χάνει την ϊδανική του συμπεριφορά. Εν κατακλείδι, βλέπουμε πως οι δύο προαναφερθείσες τοπολογίες εμφανίζουν ιδιαίτερα καλή απόδοση δεδομένων των κατάλληλων συνθηκών. Αυτός είναι και ο λόγος που πρέπει να γνωρίζουμε καλά, κάτω από ποιες συνθήκες θα λειτουργήσει το κύκλωμά μας ώστε να επιλέξουμε την καταλληλότερη για αυτές τοπολογία. 19