AC-Analyse eines Oszillators

Diese Frage bezieht sich auf meine vorherige Frage .

Ich interessiere mich für die Ableitung einer analytischen Beziehung für die Schwingungsfrequenz dieses Oszillators.

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Als ersten Schritt habe ich die Frequenzbereichssimulationen initiiert und die Ergebnisse sind wie folgt. Um den Effekt der Oszillationsfrequenz zu sehen, überstreiche ich den Wert von C2 von 0,5 pF bis 6 pF (die Oszillation hält innerhalb dieses Bereichs an).

Das AC-Modell ist: (Mosfet-Kapazitäten sind dem Datenblatt entnommen)Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Phase und Beträge der Spannungen an der sekundären Induktivität und der Gate-Spannung sind wie folgt. Ich habe Resonanzen in der Nähe der Schwingungsfrequenz markiert. Simulationen werden für verschiedene sekundäre Kondensatorwerte von 0,5 pF und 5 PF durchgeführt. In beiden Fällen sind drei Resonanzen zu sehen (z. B. f1, f2 und f3).

Wenn C2 = 5 pF (Oszillationsfrequenz in der Zeitbereichssimulation ist 8,3 MHz)

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Wenn C2 = 0,5 pF (Oszillationsfrequenz in der Zeitbereichssimulation beträgt 25,1 MHz)

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Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Resonanzen in der AC-Simulation und die Oszillationsfrequenzen signifikant unterschiedlich sind, insbesondere für hohe Frequenzen.

Meine Fragen sind:

  1. Bewege ich mich mit dem simulierten AC-Modell in die richtige Richtung?
  2. Was könnten die Gründe für die Unterschiede zwischen AC-Modell und Zeitbereichssimulationen sein?
  3. Ich verstehe, dass Mosfet-Kapazitäten mit Frequenz und Spannung variieren können. Außerdem können bestimmte Kapazitäten während der Oszillationsperiode (wenn der Schalter vollständig eingeschaltet ist) nicht wirksam sein. Wie kann ich die Mosfet-Kapazitäten in dieser Schaltung modellieren?
  4. Da ich den Transistor gerade genug vorspanne, um die Schwingung zu starten (Vt0 = 4,486 V und V (bias) = ​​4,26 V), können wir immer noch davon ausgehen, dass Mosfet eine Phasenverschiebung von 180 Grad liefert? Wie kann ich das in die AC-Simulation einbauen.

Ein Update

Ich habe eine ähnliche Analyse für einen etwas anderen Oszillator in „ Class-E Mosfet Tuned Power Oscillator Design Procedure “ gefunden. In der Analyse haben sie die Mosfet-Kapazitäten bei der interessierenden Frequenz gemessen, und die durch den Mosfet eingeführte Phasenverschiebung war bekannt (die Phasenscheiße betrug in ihrer Studie 196 Grad). Wenn ich diese Parameter (dh Cgs, Cgd, Cds und durch den MOSFET eingeführte Phasenverschiebung) bei jeder Oszillationsfrequenz annähern kann, sollte ich in der Lage sein, eine analytische (eher eine halbanalytische) Lösungsform abzuleiten.

Gibt es eine simulationsbasierte Methode, mit der ich die durch die Verstärkerstufe eingeführten MOSFET-Kapazitäten und Phasenverschiebungen annähern kann?

Aktualisierung 2

Versuchen, den Loop-Gain-Ausdruck auszudrücken

Zunächst habe ich versucht, das gekoppelte Netzwerk für die Grundfrequenzkomponente wie folgt zu vereinfachen.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wobei die reflektierte Impedanz berechnet wird als (Mij stellt die Gegeninduktivität zwischen der i-ten und der j-ten Induktivität dar)

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Jetzt ist es mein Ziel, Schleifenverstärkungsgleichungen zu schreiben, um die Oszillationsbedingungen zu erhalten. Aber ich bin mir nicht sicher, wie ich den Verstärker und das Rückkopplungsnetzwerk differenzieren soll

Es könnte sich lohnen, den MOSFET in der Transientenanalyse durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle zu ersetzen, die von den entsprechenden Werten von CGS und CGD und CDS umgeben ist. Dann sehen, was es oszilliert.
Ich glaube nicht, dass Sie den Transistor durch sein lineares Modell ersetzen können, da der Eingang sehr groß ist (und nicht im Bereich "Kleinsignal" berücksichtigt wird). Sie sollten versuchen, die beschreibende Funktionsanalyse zu verwenden, um genaue Ergebnisse zu erhalten.
AC-Simulation braucht eine AC-Quelle, richtig? Wo ist die Quelle?
Darüber hinaus denke ich, dass Sie zur Identifizierung der Schwingungsfrequenz im Frequenzbereich eine Analyse der LOOP GAIN-Antwort durchführen müssen.
@ Andy aka, Es ist sehr nah an der ersten Resonanz (f1) in der Wechselstromsimulation. dh nahe 2 MHz (ich ändere die Transkonduktanz der spannungsgesteuerten Stromquelle empirisch, um eine Schwingung zu erhalten - aber es war eine zunehmende Schwingung)
Sie haben so viele Daten, dass dies schwer zu verstehen ist. Ich würde Ihnen dringend raten, Diagramme mit einem Kapazitätswert zu vereinfachen und nur zu zeigen, was das Problem demonstriert, und dann zu erklären (indem Sie einen "Marker" auf demselben Diagramm zeichnen), wie hoch die tatsächliche Schwingungsfrequenz ist.
@sarthak, danke, können Sie bitte einen Vorsprung verschaffen, um dies mithilfe der "Beschreibung der Funktionsanalyse" zu analysieren? Ich habe es vorher nicht studiert.
Pojj, seien Sie sich bewusst, dass ein Resonanzpunkt nicht unbedingt bedeutet, dass bei dieser Frequenz eine Schwingung stattfindet. Eine solche Resonanzstelle muss das Schwingungskriterium erfüllen. Dazu benötigen Sie die Loop-Gan-Analyse.
Zu Ihrem Update: In der ref. doc sprechen sie über Klasse-E-Betrieb eines BJT. Sind Sie sicher, dass die Arbeit auf einer (notwendigerweise) LINEAR ac Analyse basiert? Mir ist nicht klar, was du wirklich machen willst. Was ist das erwartete Endergebnis?
@LvW, danke, die Referenz spricht von einem Klasse-E-Betrieb eines MOSFET bei einer bestimmten Betriebsfrequenz. Ich interessiere mich für die Ableitung einer analytischen Beziehung zwischen Schwingungsfrequenz und Schaltungsparametern. Ich denke, ihr Entwurfsverfahren kann mir helfen, wenn ich ungefähre Werte der MOSFET-Kapazitäten bei verschiedenen Betriebsbedingungen habe.
..... "zwischen Schwingfrequenz und Schaltungsparametern". Meiner Meinung nach besteht der direkteste (der einzige?) Weg darin, mit der Oszillationsbedingung (Einheitsschleifenverstärkung) zu beginnen - und dann nach dem gewünschten Parameter zu lösen.
"Ein analytisches Modell für die ...Frequenz" ? Ein "Modell" für eine Frequenz?? Wie könnte ein solches Modell aussehen? In welcher Form? Nur eine Formel?
@LvW, Ja, ich möchte eine Formel ableiten, die die Beziehung zwischen der Oszillationsfrequenz und den Schaltungsparametern enthält. Wie kann ich die Oszillationsbedingung (Unity Gain und / oder Nullphase) anwenden, ohne die Werte der MOSFET-Kapazität zu kennen?
Wenn es Ihr Ziel ist, den bekannten Oszillationszustand (Einheitsschleifenverstärkung) unter Verwendung der verschiedenen Teile der Schaltung auszudrücken, müssen Sie sowohl den Rückkopplungsfaktor als auch den Verstärkungsblock durch die relevanten Teile ausdrücken. Eine solche Aufgabe ist für einen idealisierten Operationsverstärker relativ einfach - jedoch ziemlich aufwendig, wenn der aktive Block mit einem Transistor realisiert wird (was natürlich eine realistische Modellbeschreibung erfordert).
PojjPojj 21:05 Danke Lvw, ja, ich bin daran interessiert, eine Gleichung für einen bekannten Schwingungszustand dieser Schaltung zu entwickeln. Schlagen Sie zu diesem Zweck eine andere Modellbeschreibung (als die in der Frage) für den Transistor vor?

Antworten (1)

Ich bin nicht an meinem Computer, aber hier ist eine schnelle Einrichtung dessen, was LvW vorschlägt:

prüfen

Sie können mehr von dieser Topologie im ExamplesVerzeichnis von LTspice sehen (in My Documents/LTspiceXVII/examples/Educational, siehe LoopGain.ascund LoopGain2.asc, und die Links in ihren Beschreibungen).

Danke, es gibt eine genaue Oszillationsfrequenz, bei der die Gesamtphase Null wird. (Nur dass die Polarität von L1 anders ist als die Phase bei der Oszillationsfrequenz Null wird). Wie können wir jedoch Transistoreigenschaften (dh Cgs, Cgd, Cds und durch den MOSFET eingeführte Phasenverschiebung) bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen daraus ableiten? Hier interessiert mich die Ableitung einer analytischen Lösung. (oder eine halbanalytische Form, in der numerische Werte von Mosfet-Parametern bei jedem parametrischen Sweep definiert werden)
@Pojj Sie könnten das Innenleben des MOSFET-Modells explodieren lassen, aber ich denke nicht, dass dies der Weg ist, sondern Sie könnten ein akoModell Ihres MOSFET und .stepeinige seiner Parameter verwenden, etwa so: .model BSP89x ako:BSP89 Cgs={x}. Ehrlich gesagt denke ich, dass Sie versuchen, dies zu stark zu vereinfachen, aber wenn es für Sie funktioniert, ...
Danke, ich habe Ihre Methode verwendet, um die Auswirkung der MOSFET-Modellparameter (Cgdmax, Cgdmin, Cgso und Cjo) auf die Oszillationsfrequenz zu sehen. Und mir ist aufgefallen, dass nur Cgd die Oszillationsfrequenz signifikant beeinflusst.
Vielmehr würde ich mit einem sehr einfachen Transistormodell (ideale spannungsgesteuerte Stromquelle - vielleicht mit endlichem Ausgangswiderstand) beginnen. Dies ist der erste Schritt mit dem Ziel zu überprüfen, ob der Rest (Rückkopplungsfaktor, Schleifenverstärkung) stimmt Ansatz sinnvoll, weil der Rückkopplungspfad kein einfacher ist.
@LvW Ich habe versucht, den Rückkopplungspfad zu vereinfachen, bin mir aber nicht sicher, wie der Rückkopplungsfaktor und die Schleifenverstärkung mit dieser Darstellung definiert sind.
Ihr Problem: "Ich bin mir nicht sicher, wie ich Verstärker und Rückkopplungsnetzwerk unterscheiden soll". Meine Antwort: Öffnen Sie die Schleife am Gate (lassen Sie die gleiche DC-Vorspannung zu), speisen Sie ein AC-Testsignal in das Gate ein und versuchen Sie herauszufinden, wie viel von diesem Signal auf der anderen Seite der Öffnung ankommt (aufgrund des Kopplungseffekts zwischen L1 und L3). Dadurch erhalten Sie die Loop-Verstärkung.
AC-Analyse eines Oszillators
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