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Oscillatore 2.4 GHz gate comune e resistenza negativa

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Oscillatore 2.4 GHz gate comune e resistenza negativa

Messaggioda Foto Utentegvee » 16 mag 2018, 11:27

Un saluto a tutti,

Sto svolgendo un esercizio il cui richiede di disegnare un oscillatore a resistenza negativa a gate comune (con induttanza di L = 1.75 nH tra gate e GND) che oscille attorno ai 2.4 GHz con un transistore MESFET NE900175, il tutto usando il simulatore ADS della Keysight. Non si specificano margini di errore, suppongo che il buon senso ci debba mettere la sua parte..

Il problema che riscontro è l'oscillatore oscilla a una frequenza ben diversa dai 2.4 GHz.
Cercerò di esporre i miei dubbi ed il procedimento nella maniera più chiara possibile.

L'esercizio, in primis, richiede di misurare i parametri S del transistore nella configurazione a gate comune, il professore specifica che la rete di polarizzazione deve avere una tensione V_\text{DS} = 5\,\text{V} e V_\text{GS} = 0\,\text{V} (non si danno specifiche di corrente).

La teoria parte dal seguente schema con la matrice di parametri S



e specifica che dopo una analisi dei cerchi di stabilità sull'uscita, si sceglie il coefficiente \Gamma_T da provocare il maggior valore di resistenza negativa all'entrata dato che

\Gamma_\text{in} = S_{11} +\frac{S_{12}S_{21}\Gamma_T}{1 - S_{22}\Gamma_T} = \frac{1}{\Gamma_L}

e successivamente si dimensiona Z_L in modo tale che

Z_L = R_L + \mathrm{j}\,X_L = -\frac{R_\text{in}}{3} - \mathrm{j}\,X_\text{in}

Se non mi sono perso nulla questo è il succo del procedimento, e per l'adattamento della rete di uscita si calcola \Gamma_\text{out}:

\Gamma_\text{out} = S_{22} +\frac{S_{12}S_{21}\Gamma_L}{1 - S_{11}\Gamma_L}

ed il calcolo di Z_\text{out} o Z_T dovrebbe essere immediato.
Il PDF del professore relaziona lo schema con la matrice a parametri S con il seguente:



mentre consultando in rete fonti alternative vedo che Z_\text{in} è la resistenza vista tra source e gate e Z_\text{out} è quella vista tra drain e gate, ma Pozar dice che sono possibili ambi i casi. Da quello che capisco in tal caso si invertono solo i riferimenti dei parametri S.
Io credo che qui entro un po' in confusione e mi lascio confondere dalle nomenclature Z_\text{in} e Z_\text{out} e confondo entrata con uscita, comunque per il momento mi limito seguire il procedimento dell'esempio che ho a dispozione.

Per effettuate la misura dei parametri S rifferiti ad una impedenza caratteristica di 50 Ohm in configurazione common gate, il setup che definisco è il seguente:

S_params_measurement_setup.png


dove Term1 e Term2 definiscono rispettivamente la porta 1 e 2.

La simulazione dei parametri S e dei cerchi di stabilità restituisce i seguenti risultati:

Source_Load_Stability_circles.png


in azzurro il cerchio di stabilità del carico sulla porta 2, in rosso quello di entrata sulla porta 1, e la matrice di parametri S calcolata con ADS è:

S = \begin{pmatrix} 
0.986 \angle -54.788^\circ & 1.657 \angle -40.270^\circ\\
0.039 \angle 13.103^\circ & 0.725 \angle 179.230^\circ 
\end{pmatrix}

Dato che |S_{11}| < 1 la zona all'interno del cerchio di stabilità sull'uscita è quella stabile, quindi scelgo \Gamma_T = 0.99\angle -45^\circ, da cui ottengo:

\begin{aligned}
\Gamma_\text{in} &= 0.59215 - 0.83755\,\mathrm{j}\\
Z_\text{in} &= -0.034713 - 1.924591\,\mathrm{j}\\
Z_L &= 0.011571 + 1.924591\,\mathrm{j}\\
\Gamma_\text{out} &=  1.1785 + 1.1785\,\mathrm{j}\\
Z_\text{out} &= -1.2513 + 1.6590\,\mathrm{j}\\
Z_T &= 1.2513 - 1.6590\,\mathrm{j}
\end{aligned}

Calcolando le reti di adattamento sull'uscita (al source) e Z_L il tutto con la carta di Smith ottengo questo circuito con la seguente simulazione del transitorio di uscita (non posso aggiungere più di 3 allegati quindi ho dovuto fare lo screenshot del circuito più transitorio)

circuit_osc.png


Si vede bene che l'uscita è attorno ai 4.\overline{54}\,\text{GHz}, ben lontani dai 2.4 GHz richiesti.

Dopo numerosi tentativi non riesco a capire dove sbaglio, anche perché il procedimento è lo stesso che viene esposto nel PDF del professore, ma è ovvio che qualcosa non va.

Qualcuno ha qualche considerazione utile a riguardo ?
Ringrazio in anticipo.

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[2] Re: Oscillatore 2.4 GHz gate comune e resistenza negativa

Messaggioda Foto Utentegvee » 19 mag 2018, 14:48

Nel post anteriore c'è un errore (salvo altri che potrei aver commesso) dovuto ad una mia disattenzione, ed è stato quello di scrivere

\Gamma_T = 0.99\angle -45^\circ

Secondo i risultati postati \Gamma_T corrisponde a

\Gamma_T = 0.6\angle -45^\circ

Aldilá di questo dopo numerose prove sono arrivato alla conclusione che con una bobina da 1.75 nH non si ottiene l'oscillazione a 2.4 GHz ma sempre attorno ai 4 - 5 GHz. Lo intuisco anche dal grafico dei parametri S a per L = 1.75 nH (a parte dal fatto che non c'è stato verso di farlo oscillare a 2.4 GHz con la configurazione anteriore... :roll:):

S_params_L_1n75.png


il quale ci dice che il transistore è molto più instabile in quella banda e quindi molto più propenso ad oscillare ad una frequenza appartenente ad essa. Infatti la frequenza centrale della sinusoide ottenuta nella simulazione anteriore è proprio attorno ai 4.6 GHz.

Deduco che per farlo oscillare attorno ai 2.4 GHz la bobina deve essere di un valore attorno ai 5 nH (grafici per L = 5.75 nH):

S_params_L_5n75.png


con la quale forse è anche troppo instabile. Applicando la teoria a partire dai parametri S ottenuti, sono riuscito ad ottenere questo risultato:

OSC_2400_MHz.png


è anche vero che per ottenere una sinusoide sufficientemente pulita ci ho messo un filtro con linee di trasmissione per via di qualche armonica, forse dovute appunto all'eccessiva instabilità.

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[3] Re: Oscillatore 2.4 GHz gate comune e resistenza negativa

Messaggioda Foto Utentegvee » 7 nov 2018, 22:24

Riprendo questo vecchio monologo solo perché mi ero dimenticato di postare la soluzione corretta, quindi:
gvee ha scritto:sono arrivato alla conclusione che con una bobina da 1.75 nH non si ottiene l'oscillazione a 2.4 GHz

Sbagliato.

L'errore principale che avevo commesso nel post #1 era quello di misurare la tensione di uscita sul Source e non sul Drain. #-o

È anche vero che dovetti giocare un po' con la lunghezza della linea di trasmissione (in questo caso sul source TL2), come mi era stato suggerito dal professore di circuiti a micro-onde.

Il risultato ottenuto è stato poi questo:

2400MHz_osc.png


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[4] Re: Oscillatore 2.4 GHz gate comune e resistenza negativa

Messaggioda Foto UtenteIanero » 9 nov 2018, 11:39

Ho visto adesso questo bel thread e mi complimento con te.
Bella disamina, l'ho letta con piacere. :-)
Servo, dai a costui una moneta, perché ha bisogno di trarre guadagno da ciò che impara.
Euclide.
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