Množilno vezje oscilatorja

Množilno vezje oscilatorja je prvo izmed treh vezij, ki sestavljajo novi instrument. Njegova glavna funkcija je množenje osnovne frekvence oscilatorja na višjo frekvenco, ki je kasneje uporabljena kot takt ure za delovanje DDS integriranega vezja. Druga njegova prav tako pomembna funkcija pa je natančno uglaševanje frekvence oscilatorja z eksternim referenčnim signalom, ki omogoča sinhronizacijo z ostalimi časovnimi sistemi pospeševalnika.

Množilno vezje oscilatorja je sestavljeno iz naslednjih petih glavnih delov (slika 3.3):

– temperaturno reguliranega kristalnega oscilatorja, – predojačevalnika,

– fazno sklenjene zanke ter fiksne napetostne reference, – 5-stopenjske množilne verige,

– napajalnega dela.

Slika 3.3: Blokovna zgradba množilnega vezja oscilatorja

28 3 Razvoj referenčnega oscilatorja na osnovi DDS

3.2.1 Temperaturno stabiliziran oscilator

Kristalni oscilator je eden izmed najbolj kritičnih komponent v nizko-šumnih generatorjih signala, saj nam njegove lastnosti že takoj v začetku razvoja definirajo najnižji dosegljivi fazni šum. Poleg tega nam v večini primerov predstavlja tudi večino celotnega faznega šuma sistema, saj je njegov prispevek bistveno višji od prispevka ostalih komponent. V našem konkretnem primeru je bil izbran temperaturno reguliran kristalni oscilator renomiranega evropskega proizvajalca. Oscilator je klasificiran kot izjemno nizko šumni in ima nizko občutljivost na sile pospeška. Slednje v našem primeru ni velikega pomena, saj instrument ne bo izpostavljen prekomernim vibracijam, ki bi lahko kritično vplivale na fazni šum. Oscilator za pravilno delovanje potrebuje dovedeno enosmerno napajanje, ki poganja oscilacijsko vezje ter regulator, ki oscilator drži na konstantni temperaturi. To preprečuje lezenje frekvence s spremembo temperature okolice. Poleg tega ima izbran oscilator tudi napetostni vhod za fino nastavitev izhodne frekvence, ki ga lahko fiksiramo ali pa aktivno reguliramo.

Slednje nam omogoča to, da lahko več oscilatorjev sinhroniziramo med seboj.

3.2.2 Fazno sklenjena zanka

Drugi del OCXO množilnega dela predstavlja fazno sklenjena zanka, katere naloga je sinhronizacija faze lokalnega oscilatorja s fazo eksternega referenčnega signala. Lastnosti referenčnega signala sta zelo dobra dolgoročna stabilnost, a precej visok fazni šum, kar je obratno kot pri lokalnem oscilatorju, ki generira nizek fazni šum, vendar ima slabo dolgoročno stabilnost. Z uporabo fazno sklenjene zanke lahko združimo dobri lastnosti obeh signalov.

Fazno sklenjena zanka frekvenco signala lokalnega oscilatorja deli z nastavljivim številom N. To število definira, za kolikšen faktor bo frekvenca oscilatorja višja od referenčne frekvence. Signal z deljeno frekvenco primerjamo z referenčnim signalom v vezju, imenovanem frekvenčno fazni primerjalnik. Le-ta generira napetost ali tok, ki je proporcionalen fazni razliki oziroma razliki frekvenc obeh signalov. To napetost lahko filtriramo z nizko prepustnim sitom in uporabimo kot vhodni signal oscilatorja za fino nastavitev njegove frekvence. Na tak način dosežemo, da se faza in frekvenca oscilatorja poravnata s fazo in frekvenco referenčnega signala. Hitrost in stabilnost te poravnave je odvisna predvsem od pasovne širine nizko prepustnega sita, s katerim filtriramo izhod iz frekvenčno faznega primerjalnika. Načrtovanje teh sit je sicer zelo zahtevno, a v splošnem velja, da manjša kot je pasovna širina, boljša sta stabilnost in fazni šum, čas poravnave pa je večji [12].

3.2 Množilno vezje oscilatorja 29

V našem konkretnem primeru je fazno sklenjena zanka izvedena z uporabo namenskega integriranega vezja ter posebno razvitega nizko prepustnega sita s pasovno širino pod 1 Hz. Za pravilno delovanje zanke je ob vsakem zagonu naprave potrebno nastaviti faktor deljenja N na število, ki ustreza količniku frekvenc oscilatorja in referenčnega signala. Za primere, ko referenčnega signala nimamo ali ga ne želimo uporabiti, vezje vsebuje tudi programsko kontrolirano stikalo, s katerim lahko zanko prekinemo ter namesto nje na uglaševalni vhod oscilatorja povežemo fiksno referenčno napetost.

3.2.3 RF množilna veriga

Največji del množilnega vezja oscilatorja predstavlja RF množilna veriga, katere namen je množenje osnovne frekvence oscilatorja na višjo frekvenco, ki jo lahko uporabimo kot taktni signal DDS integriranega vezja. Veriga je sestavljena iz petih zaporednih stopenj, ki so si funkcijsko zelo podobne.

Za primere, ko bi z instrumentom morali generirati samo nižje frekvence, lahko vsako stopnjo s spremenjenim opremljanjem vezja tudi obidemo, kar nam omogoča, da lahko za takt ure DDS uporabimo nižjo frekvenco. Na tak način bi lahko v takih primerih zmanjšali stroške materiala za izdelavo instrumenta.

Vsaka izmed stopenj je sestavljena iz vhodne prilagoditve signalnega nivoja, množilne stopnje ter filtriranja izhodnega signala.

Prilagajanje signalnih nivojev je izvedeno s slabilci signala, ki so sestavljeni iz treh uporov v konfiguraciji črke π (slika 3.4). Vrednosti in razmerja uporov določajo nivo slabljenja ter vhodno in izhodno impedanco.

Slika 3.4: Slabilec signala v PI konfiguraciji

Za množenje uporabljamo frekvenčni množilnik, katerega namen je množenje vhodne frekvence na določen večkratnik. Obstaja veliko načinov, kako to doseči.

Množilniki v našem primeru izkoriščajo nelinearnosti polprevodniških komponent, ki

30 3 Razvoj referenčnega oscilatorja na osnovi DDS

signal popačijo in v njem posledično generirajo višje harmonike. Značilno za množilnike takšnega tipa je, da izhodni signal poleg želenega harmonika vsebuje tudi osnovno frekvenco in harmonike višjih redov, ki niso zaželeni. Poleg tega imajo precej slab izkoristek in moč signala tipično znižajo za vsaj 10 dB.

Zaradi neželenih harmonikov, ki jih množilniki ustvarijo, mora vsaka množilna stopnja vsebovati pasovno prepustno sito. Ta iz signala odstrani vse neželene frekvenčne komponente. Vsa uporabljena sita so integrirana v obliki ene same komponente, saj bi lasten razvoj iz diskretnih komponent vzel veliko časa, problem pa bi lahko postala tudi ponovljivost karakteristik sit zaradi toleranc komponent.

Zaradi oslabitve signala v frekvenčnem množilniku ga je potrebno v vsaki stopnji nazaj ojačati. Za to skrbi nizko-šumni RF ojačevalnik v vsaki stopnji. Izbrani ojačevalnik je zgrajen tako, da si deli en sam priključek za napajanje in izhod signala.

Da se RF signal ne bi mešal v napajalne linije, skrbi nizkoprepustno sito. V nasprotni smeri postavljen kondenzator C2 pa preprečuje uhajanje enosmerne napetosti v RF signal (slika 3.5).

Slika 3.5: Izvedba napajanja RF ojačevalnikov

3.2 Množilno vezje oscilatorja 31

3.2.4 Napajalni del

Pomemben del vezja predstavlja tudi napajalni del. Njegova glavna funkcija je, da 15 V vhodne napetosti, ki jo imamo na voljo v instrumentu, razdeli in regulira na več različnih napetosti, ki jih potrebuje vezje.

Slika 3.6: Blokovni diagram napajanja vezja

Prvi del vezja za napajalnim priključkom je vhodna zaščita, ki vezje ščiti pred preobremenitvijo in napačno priključitvijo napajalne napetosti. To je pomembno predvsem v fazi testiranja in sestavljanja instrumenta, kjer bi lahko majhna človeška napaka povzročila veliko škode. Vhodna zaščita je sestavljena iz PPTC varovalke, P kanalnega MOSFET tranzistorja, zener diode in upora (slika 3.7).

Slika 3.7: Vhodna zaščita vezja

32 3 Razvoj referenčnega oscilatorja na osnovi DDS

Po zaščiti je napajalno napetost seveda potrebno zregulirati na primerne nivoje.

Zaradi velike napetostne razlike je bila regulacija izvedena v dveh delih. Prvi del predstavljata dva stikalna napajalnika, ki napetost znižata na nivo, ki je primeren za linearne regulatorje. Zaradi želje po čim manjših motnjah, je bil izbran dvojni stikalni napajalnik z integriranimi tranzistorji in tuljavami. To je vezje tudi precej poenostavilo, saj so tako bili edini elementi, ki jih je bilo potrebno izračunati, upori za nastavitev frekvence delovanja in izhodne napetosti. Ker pa imajo izhodi stikalnih napajalnikov za naše potrebe še vedno prisotnega preveč šuma, je bilo potrebno napajanje dodatno zgladiti z nizko-šumnimi linearnimi regulatorji in preprostimi siti.

Izbrani so bili linearni regulatorji, ki v nizkem frekvenčnem območju zelo dobro dušijo vhodne motnje. Za dušenje višjih frekvenc pa so bila uporabljena sita, sestavljena iz keramičnih kondenzatorjev in feritnih dušilk.

Na prvega od linearnih regulatorjev je povezana napetostna referenca (slika 3.6), ki oscilatorju v primeru, ko ni fazno sklenjen z zunanjim virom, dovaja konstantno napetost, ki ga drži na konstantni frekvenci.

Drugi linearni regulator skrbi za napajanje kristalnega oscilatorja. Ker smo instrument zasnovali tako, da lahko podpira različne oscilatorje z različnimi napajalnimi napetostmi, je z različnim opremljanjem vezja izhodno napetost regulatorja možno prilagoditi.

Tretji in četrti regulator napajata ojačevalnike v RF množilni verigi. Da bi bilo prenosa motenj po napajalnih linijah čim manj, eden izmed njiju napaja prvo polovico verige, drugi pa drugo.

Zadnji regulator napaja vezje s fazno sklenjeno zanko in vso pripadajočo elektroniko.

3.2 Množilno vezje oscilatorja 33

3.2.5 Zgradba tiskanega vezja

Prva stvar, ki jo je pri zasnovi vezja potrebno določiti, je sama izbira materiala vezja in iz kolikšnega števila slojev bo to vezje zgrajeno.

Prišli smo do zaključka, da bo za naše vezje, ki bo imelo opremljene komponente z obeh strani, minimalno potrebno število slojev enako štiri. Od tega bo prvi sloj uporabljen za vezavo zgornjih komponent in vseh RF impedančno kontroliranih linij, drugi sloj pa bo služil ekskluzivno le kot 0 V referenčna ploskev prvemu sloju. Tretji sloj se bo pretežno uporabljal za vezavo napajalnih linij in nekritičnih signalov, četrti sloj pa bo uporabljen za vezavo spodnjih komponent.

Nato je bilo potrebno izbrati materiale dielektrikov med posameznimi sloji bakra.

Slika 3.8: Zgradba tiskanega vezja

Za prvi dielektrik smo izbrali material RO4350B, ki se pogosto uporablja v visoko frekvenčnih vezjih. Njegovi glavni lastnosti sta precej nizka relativna dielektrična permitivnost (𝜖_𝑟≈ 3,5) in nizek izgubni faktor (𝛿 ≈ 0.0037). Namesto materiala FR-4, ki velja za nekakšen de facto standard, smo ga izbrali predvsem zaradi nižjih toleranc odstopanj od nominalne vrednosti 𝜖_𝑟, ki so lahko pri uporabi FR-4 materialov različnih proizvajalcev precejšne. Debelino dielektrika smo izbrali tako, da smo s širino impedančno kontroliranih linij prišli čim bližje širini komponent v RF verigi. Na tak način smo zmanjšali impedančne nezveznosti po dolžini verige.

Za ostala dva sloja, ki ne bosta prenašala RF signalov, smo izbrali material FR-4.

Debelini srednjega in spodnjega dielektrika smo izbrali tako, da smo se s skupno debelino vezja čim bolj približali standardni debelini 1,6 mm. Fototisk je bil nanesen samo na spodnjo stran vezja. Njegov edini namen je označitev mehanskih pritrjevalnih mest za lažjo sestavo instrumenta. Obrisi komponent in njihove oznake niso bili vključeni, saj zavzemajo dragoceni prostor na vezju.

34 3 Razvoj referenčnega oscilatorja na osnovi DDS

3.2.6 Zasnova tiskanega vezja

Zasnova vezja se je najprej začela s postavitvijo komponent. Komponente so bile razdeljene na skupine, znotraj katerih veljajo lokalna pravila. RF veriga je bila zvita po levem delu vezja, oscilator postavljen na sredino, fazno sklenjena zanka in napajalno vezje pa sta bila postavljena na desno stran. Pri povezovanju RF povezav so bile uporabljene impedančno kontrolirane koplanarne linije. Po končanem povezovanju komponent se je na vezje še zarisalo površino z odstranjeno spajkalno masko za pritrditev RF ščita in luknje za njegovo pritrditev. Končen rezultat vezja je prikazan na sliki 3.9.

Slika 3.9: Zasnova množilnega vezja oscilatorja