Despre oscilatoarele L-C (VFO) de mare stabilitate

[VAX]

Am citit pe elforum.info mai multe discutii in legatura cu acest subiect si am constatat ca cei care postasera nu le cam aveau cu partea teoretica (principiile de baza). Incercau sa obtina ceva, mai mult pe potriveala, "cu dalta si cu ciocanul".

 

Sa le luam pe rand:

 

1. Prima cauza a instabilitatii frecventei de oscilatie este de la circuitul LC. Bobina fara miez magnetic are coeficient de temperatura pozitiv pentru inductanta (se dilata) si prin urmare, din cauza ei scade frecventa cand creste temperatura. La condensatoare coeficientul de temperatura este variabil, de la un tip la altul. Cele cu stiroflex sunt destul de stabile, dar pot fi bune si cele cu mica sau ceramicele (unele). Ma refer la cele care se gasesc usor. Este bine sa se utilizeze termocompensarea, adica sa se foloseasca condensator cu coeficient negativ de temperatura, astfel incat variatia frecventei de rezonanta cu temperatura ambianta sa fie minima. 

La bobinele cu miez de ferita situatia stabilitatii cu temperatura este mult mai rea (a se evita miezurile magnetice). Cum se construiesc bobinele de calitate cititi pe net, ca se spune.

 

2. A doua cauza a instabilitatii de frecventa este de la amplificator. Capacitatile (reactantele, impedanta) de intrare si de iesire variaza cu punctul static de functionare al elementului activ, care depinde de temperatura si de tensiunea de alimentare.

Pentru a se reduce cat mai mult influenta amplificatorului, trebuie sa se procedeze astfel:

 

a. Se creste impedanta la maxim (zeci, sute de megaohmi) si se reduce capacitatea de la intrare la minim (sub 1pF) prin tehnica numita bootstrapare. 

 

http://www.seekic.com/uploadfile/ic-circuit/s2009625213117153.gif

http://www.ti.com/lit/an/snoa620/snoa620.pdf

http://scipp.ucsc.edu/~johnson/phys160/lecture13.pdf

 

Obligatoriu se va folosi JFET la intrare (BF245, BF256, J309, etc), de frecventa mare si cu capacitati interne reduse. Mai bune ar fi tranzistoarele MOSFET neprotejate, cele de RF (fabricate pe vremuri de RCA, foarte greu de gasit in aceste vremuri), pentru ca la ele capacitatea de intrare (de ordinul pF) nu depinde de temperatura sau de tensiunile de alimentare. 

Tranzistoarele bipolare care sunt asociate JFET-ului trebuie sa aiba Ft si beta cat mai mari (castig mare), sa asigure bootstrapare eficienta.

 

b. Iesirea amplificatorului sa se faca din colectorul unui tranzistor in conexiunea cu baza la masa. Astfel se obtine o impedanta de iesire de minim cateva sute de kiloohmi si o capacitate de sub 1 pF (la tranzistoare de RF, cum ar fi BF214, BF254, BFX89, etc). Ma refer la componentele mai vechi, care acum se gasesc greu. Echivalentele lor, mai noi, le gasiti dumneavoastra. Colectorul tranzistorului de la iesire se va lega la o priza a circuitului oscilant. Cuplajul se poate face si printr-o bobina cu cateva spire. Se poate utiliza la iesire si tranzistor pnp de RF (de ex. BF450, BF324, BF479, etc). Astfel se simplifica conectarea cu circuitul oscilant. Important este ca acel tranzistor sa aiba capacitatea de iesire (colector-baza) de cel mult 1 pF.

Obligatoriu montajul se va alimenta cu tensiune stabilizata si ceva mai mare (minim 10V), pentru ca pe jonctiunile tranzistoatelor sa se aplice tensiuni inverse mari si capacitatea de bariera sa fie redusa.

Cu aceste "fente" circuitul oscilant nu este amortizat sau influentat de amplificator. 

 

Pentru a se reduce si mai mult influenta amplificatorului asupra frecventei oscilatorului, se mai practica utilizarea de capacitati de acord (in circuitul LC) de valoare relativ mare, cu cel putin doua ordine de marime mai mari decat capacitatile de intrare si de iesire ale amplificatorului.

, 

c. Deosebit de importanta este metoda de stabilizare a amplitudinii oscilatiilor. Trebuie sa stiti ca functionarea amplificatorului in regim neliniar (deformant, cu armonice ale semnalului) are ca efect scaderea frecventei de oscilatie, sub cea de rezonanta. Din acest motiv trebuie ca reactia sa fie doar cu putin peste pragul de oscilatie si ar fi bine sa fie controlata de un circuit care asigura si stabilizrea amplitudinii oscilatiilor, prin controlul amplificarii.

 

Daca se folosesc diode varicap la acordul circuitului LC, atunci trebuie ca amplitudinea oscilatiilor (pe LC) sa fie cat mai mica, sub 100 mV. La nivel mare al oscilatiilor frecventa incepe sa depinda puternic de nivelul tensiunii alernative, pentru ca diodele varicap sunt elemente neliniare.

 

Trebuie sa mai stiti ca stabilizarea amplitudinii oscilatiilor cu o dioda legata in paralel cu intrarea amplificatorului, este o MARE PROSTIE.

 

http://mysite.du.edu/~etuttle/electron/circ218.gif

http://www.tradeofic.com/Circuit/1314-JFET_VARIABLE_FREQUENCY_OSCILLATOR.html

http://www.pan-tex.net/usr/r/receivers/vfoaa.gif

 

Dioda respectiva este o sursa majora de instabilitate a frecventei. Capacitatea ei (dinamica in principal, dar si de bariera) depinde puternic de temperatura si de nivelul oscilatiilor. 

 

Mai corect ar fi ca limitarea semnalului sa se faca cu un element de circuit introdus intre etajul amplificator de la intrare (cel bootstrapat) si etajul de iesire. Nu dau detalii, pentru ca vreau sa brevetez ceva. Si pe om trebuie sa-l ajuti, nu sa-l cari in spinare. Trebuie sa cititi si sa ganditi singuri.

 

Nu in ultimul rand, trebuie sa amintesc si etajul separator. Acesta este bine sa fie tot cu JFET la intrare (un simplu repetor pe sursa) si sa ia semnalul de la iesirea etajului bootstrapat.

 

Pentru incepatori, care nu stiu mai nimic in domeniul electronicii (elevi, studenti), recomand o schema simpla, care merge satisfacator.

 

http://www.robkalmeijer.nl/techniek/electronica/radiotechniek/hambladen/radcom/1990/02/page32/fig5.jpg

 

Nu are separator, dar i se poate pune (un repetor pe sursa cu JFET). Sa se conecteze la sursele celor doua JFET-uri (care trebuie sa fie impereheate). Evident ca se conecteaza prin condensator (cam de 10 pF), nu direct.

 

O schema buna, dar care poate fi imbunatatita prin bootstraparea etajului de la intrare, si ce am mai zis, este urmatoarea:

http://www.tradeofic.com/Circuit/13832-VACKAR_VFO.html

Principalul avantaj al oscilatorului Vackar este ca nivelul reactiei se mentine constant, chiar daca este variata mult frecventa de oscilatie prin modificarea capacitatii de acord (din condensatorul variabil).

[VAX]

Sper ca aceste precizari sa le fie de ajutor celor care construiesc VFO-uri de mare stabilitate. Important este sa inteleaga cum merg aceste circuite si sa nu se limiteze la lipit piese dupa scheme dubioase, cu care e plin Internetul. Este clar ca un oscilator LC de mare stabilitate nu se poate construi cu un singur tranzistor. Se apeleaza la scheme mai complicate, care contin si tranzistoare cu efect de camp, pentru ca este nevoie de impedanta mare la intrare, acolo unde se leaga circuitul oscilant la amplificator. Acum tranzistoarele sunt ieftine si nu este o problema sa se utilizeze mai multe, pentru a se obtine performanta. Schemele clasice au limitari in functionare.

[cirip]

Va salut,Daca tot e vorba de stabilitate, nu ne povestiti cate ceva si despre PLL-uri? Cum se fac, cum se calculeaza, cum se analizeaza, ce masuri practice trebuie luate la constructie?Multumesc

[Vizitator]

Scaderea frecventei de oscilatie sub cea de rezonanta are loc pentru ca oscilatiile se stabilizeaza pe acea frecventa la care reteaua de reactie nu introduce defazaj.

Este conditia de faza din relatia lui Barkhausen. Faptul ca limitarea amplitudinii de oscilatie pe baza neliniaritatii elementului activ este neesentiala.

[VAX]

@nanopico

 

Cred ca in cartea lui D.Dascalu, Circuite electronice, am citit chestia cu influenta armonicelor asupra stabilitatii oscilatoarelor. 

http://www.cartile.ro/books/pictures/0_67551400_1365021466.jpg

Se prezenta si un calcul, nu era o simpla afirmatie. Am sa caut cartea si va spun la ce pagina sa cititi. In urma cu cativa ani se gasea cartea si pe net (pdf), pe un torrent.

Este ceva mai de finete, ce nu stie toata lumea. Si puteti sa verificati si Dvs. cu un oscilator (cu AO in JF. cu dioda tunel, cu orice) ca atunci cand se creste reactia si semnalul incepe sa devina dreptunghilar, frecventa oscilatiilor scade.

Acest aspect este esential atunci cand construiesti oscilatoare de mare stabilitate. Trebuie sa se tina seama de el si cand construiesti oscilatoare cu XT, care sunt mult mai stabile decat LC-urile. Daca vrei o baza de timp cu instabilitatea relativa de 10 la -10, atunci trebuie sa nu neglijezi nimic, chiar daca se recurge la termostatare. 

@Monoda

 

Despre PLL-uri sunt materiale pe net. Cautati tutoriale date de Motorola si de alte firme mari. PLL-urile cam baga zgomot de faza de tip 1/F. De asta se merge mult cu DDS.

[cirip]

Aveti dreptate, exista multa documentatie pe net, dar as fi sperat ca prin abilitatea dvs de a sintetiza informatia asa de clar si fara prea multe formule, ar fi fost mai usor de inteles. Dar daca nu se poate, asta este.De exemplu, ce este "zgomotul de faza de tip 1/F" si de ce sunt PLL-urile mai predispuse la a genera un astfel de zgomot? Care este mecanismul de generare?Si ce este aceea DDS? Am cautat pe internet si am gasit cam asa:Dumb Douglas SlutDrop Dead SexyDragon Dagger SpecialDing Dong SchoolDead Dick SyndromeDoctor of Dental SurgeryCe legatura au astea cu PLL-urile?

Editat Octombrie 15, 2016 de cirip

[Vizitator]

Asta este o mica rautate, nici eu nu am auzit de DDS dar dand o combinatie PLL- DDS- stabilitate(asa, la inspiratie) G a dat cateva pagini:

 

 Aproximativ 98.400 (de) rezultate (0,21 secunde) 

Rezultate Căutare

Digital Clocks for Synchronization and Communications

https://books.google.ro/books?isbn=1580537650 - Traducerea acestei pagini

Masami Kihara, ‎Sadayasu Ono, ‎Pekka Eskelinen - 2006 - ‎Technology & Engineering

Consequently, the PLL output phase stability is degraded. Because here the reference clock is converted once by the DDS, it is possible to make the PLL phase ...

TCXO vs PLL or DDS. Frequency stability comparison? - Forum for ...

www.edaboard.com/thread262953.html

Traducerea acestei pagini

15 aug. 2012 - 6 postări - ‎4 autori

Hello, Which is generally speaking more frequency stable? 1. A TCXO 2. A PLL 3. A DDS.

frecuency stability in PLL - Forum for Electronics

www.edaboard.com/thread4693.html - Traducerea acestei pagini

27 ian. 2003 - 9 postări - ‎7 autori

I`d like to know if the frecuency stability of the output signal in a PLL is ... PLL with a x15 multiplication factor, then the D.D.S. generates a 120 ...

Single-Chip Direct Digital Synthesis vs. the Analog PLL

www.analog.com/library/analogDialogue/.../single_chip.htm...

Traducerea acestei pagini

Single-Chip Direct Digital Synthesis vs. the Analog PLL ... C-DDS-based synthesizers are immune to such loop filter stability issues and are tunable over the full ...

AD9910 Eval Board PLL lock stability and output... | EngineerZone

https://ez.analog.com/thread/21157

Traducerea acestei pagini

19 mai 2013 - The PLL stability also seems to change with the output frequency, which I don't understand. When I run the DDS at single tone mode at ...

Circuits and Systems Tutorials - Pagina 401 - Rezultate Google Books

https://books.google.ro/books?isbn=0780311701 - Traducerea acestei pagini

Chris Toumazou, ‎Nicholas C. Battersby, ‎Sonia Porta - 1996 - ‎Technology & Engineering

In this area, the DDS is very much better that the PLL, since the former has no loop setting or stability problems like the PLL. In addition, the DDS can switch very ...

PLL Gain | Phase Locked Loop Stability | Synthesizer Loop Gain

www.radio-electronics.com/.../pll.../phase-locked-loop-gain-...

Traducerea acestei pagini

Equations, calculations and essential details about the phase locked loop, PLL loop stability and its effects on PLL based frequency synthesizers.

Applied Scanning Probe Methods VI: Characterization

https://books.google.ro/books?isbn=3540373195 - Traducerea acestei pagini

Bharat Bhushan, ‎Satoshi Kawata - 2006 - ‎Technology & Engineering

(b) PLL using an oscillator based on direct digital synthesis (DDS) technology as the VCO, which dramatically improves thermal stability. © PLL using a ...

[PDF]DDS Based Phase Locked Loop - IJIRCCE

www.ijircce.com/upload/2015/august/58_DDS_new.pdf

Traducerea acestei pagini

Consequently, the PLL output phase stability is degraded. ... doesn't require special high-frequency PLL for DDS clock[4], since it is produced by the VCO of ...

[PDF]Comparative Study of PLL, DDS and DDS-based PLL ... - CS Journals

www.csjournals.com/IJEE/PDF%202-1/8.pdf

Traducerea acestei pagini

Keywords: Phase Locked Loop(PLL), Direct Digital Synthesis(DDS) and Frequency Synthesis. ... the PLL output phase stability is degraded. 

[VAX]

Vad ca s-a trecut la mistocareala si la spamuirea postarii mele, Era vorba de ce trebuie sa tii seama atunci cand construiesti VFO-uri de mare stabilitate, nu de PLL sau DDS. Am venit cu precizari pe care multi nu le cunosc. Si informatia era pentru cei care sunt in formare, nu pentru cei cocliti. 

https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_digital_synthesizer

[VAX]

Cine are chef de discutie serioasa pe tema oscilatoarelor LC cu stabilitate mare a frecventei, sa posteze scheme pe care le considera bune, ca sa le analizam si sa vedem ce lipsuri au. Oscilatoarele LC (VFO) se vor folosi si de acum inainte, chiar daca s-a trecut partial la DDS. Semnalul de la VFO este curat, sinusoida pura, fara multe armonice. In multe situatii acest aspect este dominant. Si in plus VFO-urile sunt ieftine si usor de construit. 

[gica70]

Factorul major pertubator este temperatura. Oricate metode de compensare si aranjamente se vor face tot vor fi probleme la cerintele actuale ale aplicatiilor. Eu am experimentat niste termostate dar pentru oscilatoarele pilotate cu cristal de cuart (pentru banda de 2m). Acum sunt oscilatoare cu cristale gata termostatate tip TCXO care pot fi folosite referinta pentru VFO-uri.

Editat Octombrie 16, 2016 de gica70

[+_Florin_+]

Oscilatoarele LC au limitele lor in ce priveste stabilitatea.

 

Factorul major pertubator este temperatura. Oricate metode de compensare si aranjamente se vor face tot vor fi probleme la cerintele actuale ale aplicatiilor. 

 

Chiar daca (ipotetic) am stabiliza perfect tensiunea de alimentare, am ecrana tot montajul intr-o cutie in care si temperatura am stabiliza-o cu precizie de zecimi de grad, tot ar fi factori asupra carora nu putem interveni.

Elementele active (tranzistoarele, de ex) isi modifica temperatura cristalului semiconductor in timpul functionarii cu efecte asupra capacitatilor dintre jonctiuni, lucru imposibil de compensat din afara capsulei.

Din acest motiv se prefera un regim de putere disipata cat mai mica pentru tranzistorul oscilator, dar efectul nu poate fi anulat complet.

 

Si asa se ajunge la PLL ori alte solutii care implica utilizarea cuartului ca element de referinta. Cuartul e sfant.

Sigur ca si VFO-urile clasice (dar bine proiectate/executate) pot fi folosite cu rezultate bune la frecvente mai mici si in aplicatii in care cerintele de stabilitate nu sunt draconice.  

Editat Octombrie 16, 2016 de +_Florin_+

[VAX]

Sa zicem ca se termocompenseaza perfect circuitul oscilant LC si ca are Q ridicat. Ramane de rezolvat instabilitatea de frecventa produsa de amplificator. Daca aceste probleme sunt abordate corect, atunci stabilitatea frecventei creste de cel putin zece ori in raport cu cea de la oscilatoarele clasice, ceea ce nu este de neglijat. Un amplificator bun se realizeaza cu minim trei tranzistoare, din care primul e cu efect de camp, in repetor de semnal pe sursa. Daca se foloseste o schema de amplificator compresor, la care amplificarea este maxima la semnal mic si scade pe masura ce creste semnalul, fara ca tranzistoarele sa intre in saturatie sau in limitare, sau sa se apeleze la limitarea cu diode, atunci e mult mai bine decat cu un oscilator clasic. Daca se foloseste si o bucla AGC, care sa stabilizeze suplimentar nivelul oscilatiei, este maximul ce se poate obtine din VFO.

Asta am vrut sa scot in evidenta, ca se poate creste stabilitatea frecventei VFO-urilor prin complicarea schemei amplificatorului. Nu se pot indeplini conditiile de functionare optima cu un singur tranzistor,

Aceste tehnici sunt folosite la realizarea oscilatoarelor din circuitele integrate (de ex. TDA1046). Puteti sa studiati schema circuitului respectiv din cartea: 

http://www.scheme.ro/wp/wp-content/uploads/2014/11/Catalog-de-circuite-integrate-analogice-Editura-Tehnică-București-1983.pdf

http://john.ccac.rwth-aachen.de:8000/telefunken/rt100/tda1046.pdf

http://pdf.dzsc.com/TDA/TDA1046.pdf

 

 

[Vizitator]

Eu am inteles ca analiza se adresa (radio)amatorilor incepatori, multe din cele expuse aici probabil provin si se pot regasi excelent sintetizate si in cartile lui Florin Cretu - YO8CRZ.

 

Am atasat schema concreta a etajului VFO de la Yaesu FT-107, schema este utilizata in toata gama de hibride FT-101ZD, FT-901/902DM, FT-707, etc.

Oscilatorul nu este construit cu FET ci doar bipolar si limitarea amplitudinii oscilatiilor se face pe seama neliniaritatii elementului activ. Circuitul LC are

un factor de calitate suficient de mare pentru a "curata" armonicile fundamentalei si a asigura reproducerea semnalului pe bucla de reactie. Etajele

separatoare sunt banale.

 

La orice oscilator LC exista un timp de incalzire pana la atingerea unui echilibru termic, dupa acest timp alunecarea de frecventa este neglijabila.

S-au construit oscilatoare cu tuburi la care s-au masurat alunecari de 5 Hz / h, fara sa fie nevoie de bucle savante pentru RAA.

E mult de discutat dar din pacate nu mai avem timpul si rabdarea de acum 25 de ani. Sfatul meu pentru incepatori este sa insiste pentru un

oscilator construit foarte rigid mecanic. Stratificat de 2 mm chiar, peretii cutiei identic - nu tabla de conserve, CV de calitate, bobina departe de

ecrane, cel putin o data diametrul de bobinaj.

 

[VAX]

Nu am citit cartile lui Florin Cretu - YO8CRZ si nu m-am inspirat de nicaieri. Initial m-a interesat sa pun la punct un amplificator regenerator pentru receptoare cu reactie. Schemele clasice nu m-au multumit. Asa am aprofundat subiectul, ca sa inteleg care sunt problemele fundamentale. Se pare ca si altii, din alte tari, tot radioamarori, se cam apropie de solutia practica descoperita de mine. 

Si teoria era cunoscuta in mare de multa vreme (citisem ceva si in Sport si Tehnica din anii '70), dar lumea a casunat pe schemele clasice si nu si-a mai obosit creierul sa analizeze in detaliu sursele instabilitatii oscilatoarelor. E mai simplu sa lucrezi dupa retetar (sablon, procedura), ca medicii. Inginerii de la firme aplica ce li s-a spus la facultate, chestii clasice, nu se strofoaca sa despice firul in patru. Mai mult radioamatorii pasionati se preocupa de experimentare si dau solutii noi. Si nici nu e cine stie ce mare descoperice, ci aplicare cu strictete a unor tehnici cunoscute.

 

Montajul exemplificat de dvs. este clasic.

Eu am spus ca se poate reduce cu un ordin de marime influenta amplificatorului asupra frecventei de oscilatie, daca se respecta doua lucruri usor de inteles:

1. Prin tehnicile cunoscute (bootstrapare) se creste rezistenta la intrarea amplificatorului la Mohmi si se reduce capacitatea la sub 1 pF. Se mareste rezistenta la iesirea amplificatorului tot la Mohmi si se reduce capacitatea la sub 1pF, prin utilizarea unui etaj cu tranzistor bipolat in montaj cu baza comuna. Astfel circuitul oscilant LC este prins intr-o bucla care nu il sunteaza si nici nu ii modifica reactantele.

2. Folosind un etaj de limitare a semnalului, care nu intra in saturatie sau blocare (circuit clasic), plasat intre circuitul de la intrarea si cel de iesirea amplificatorului, se asigura stabilizarea amplitudinii oscilatiilor fara sa apara modificari mari de reactante (defazaj) si cu un continut redus de armonice. O astfel de schema lucreaza optim daca are si AGC. 

Un oscilator VFO de tipul asta este potrivit pentru aplicatiile pretentioase (receptie CW si SSB). La un convertor de UKW pentru radio FM este bun si un oscilator clasic, cu un singur tranzistor. 

Ce am spus eu minimizeaza deriva frecventei datorata amplificatorului. Ce tine de deriva termica a componentelor din LC si de partile mecanice, se rezolva cu metodele cunoscute.

La un VFO de tipul propus de mine se utilizeaza mai multe tranzistoare (minim 3), in functie de configuratie. Nu apare efect Miller, ca la circuitele clasice. Variatia capacitatilor de pe jonctiunile tranzistoarelor are efect minim asupra frecventei de oscilatie. 

Am dat suficiente indicatii. 

[Vizitator]

Cu respect, imi puteti explica pentru ce sunt necesare impedante de ordinul megohmilor in cazul oscilatoarelor LC?