Periodische Steady-State-Analyse für Klasse-C-Verstärker

Bei Oszillatoren mit hohem Q ist es sehr schwierig, die Energiemenge zu ändern, die an der Oszillation beteiligt ist.

Nehmen Sie einen einfachen RLC-Oszillator mit niedrigem Q wie diesen:

Bei dieser Schaltungsart ist das Q des LC-Tanks (hauptsächlich L1 und C1) nicht sehr hoch. Etwas wie ein Q von 100 sollte bei HF-Frequenzen erreichbar sein. Auf einem Chip oder für sehr hohe Frequenzen kann Q viel niedriger sein wie Q = 10.

Ein Tank mit niedrigem Q bedeutet, dass die Schwingung nach nur wenigen Zyklen (der Schwingungsfrequenz) absterben würde, wenn es keinen aktiven Schaltkreis gäbe, um die Schwingung am Laufen zu halten. Die Aufgabe des aktiven Schaltkreises besteht darin, Energie in den Tank zu pumpen , um die Schwingung am Laufen zu halten.

Sie können solche Schaltungen leicht simulieren, auch in einer PSS-Simulation, da der Oszillator schnell (innerhalb weniger Zyklen) auf Änderungen reagiert.

Schauen wir uns nicht einen High-Q- Oszillator wie diesen Crystal-Oszillator an:

Als Tank wird ein Kristall verwendet, der wie folgt als High-Q-RLC-Tank modelliert werden kann:

Ein Kristall verhält sich wie ein RLC-Tank mit sehr geringem Verlust (und daher hohem Q). Dies wird durch ein Modell mit einem sehr kleinen C1 (einige Femto-Farad) und einem sehr großen L1 (einige Milli-Henry) modelliert . Es ist nicht ungewöhnlich, dass Kristalle einen Q-Faktor in der Größenordnung von 100.000 (100.000) haben. Vergleichen Sie das mit einem Faktor Q = 100, der für eine Schaltung, die nur Kondensatoren und Induktivitäten verwendet, bereits ziemlich gut ist.

Dies führt zu einem sehr hohen Q-Tank, und das Ergebnis davon ist, dass es viele Zyklen dauert, bis Änderungen bezüglich der Signale im Tank stattfinden. Es ist, als wäre die Energie im Tank "gefangen" (die Energie wechselt zwischen C1 und L1) und in jedem Zyklus können nur kleine Energieportionen dem Tank hinzugefügt oder entnommen werden.

Das Ergebnis ist, dass es sehr unpraktisch ist , Oszillatoren mit sehr hohem Q unter Verwendung einer PSS-Simulation oder sogar einer transienten Simulation zu simulieren. Viele Zyklen müssen simuliert werden, um beispielsweise das Startverhalten zu simulieren. Für einen 25-MHz-Quarzoszillator, an dem ich gearbeitet habe, wurde die Startzeit mit etwa 10 ms gemessen, was bedeutet, dass Sie mehr als 250000 (250k) Zyklen simulieren müssten, um dies zu simulieren.

Was ich als Problemumgehung mache, ist, ein Versionsmodell des Kristalls mit niedrigerem Q zu erstellen, beispielsweise mit einem Q von 1000. Dann mache ich meine Zeitsimulationen (transient oder PSS) mit diesem Modell. Ich kann das High-Q-Modell jedoch immer noch in einer AC-Analyse verwenden, um Schleifenverstärkung und Frequenzgang zu bestimmen.