Warum funktioniert dieser Transistoroszillator nicht bei 100 MHz?

Ich denke, dies ist ein häufiges Missverständnis der Eigenschaft "Übergangsfrequenz" von Transistoren / Operationsverstärkern. Eine Übergangsfrequenz von 300 MHz bedeutet nicht, dass der Transistor bis 300 MHz "arbeitet". Das bedeutet, dass es oberhalb von 300 MHz völlig nutzlos ist (Verstärkung < 1, egal welchen Betriebsmodus Sie verwenden).

Praktische Schemata erwarten, dass Transistoren (unter anderem) eine Verstärkung >> 1 haben. Wenn Ihr Design also keine schwerwiegende Parameterverschlechterung berücksichtigt, die auftritt, wenn Sie sich der Übergangsfrequenz nähern, sollten Sie eine Frequenz anstreben, die mindestens eine Größenordnung beträgt (dh 10 mal) kleiner als die Übergangsfrequenz, und in Anwendungen mit hoher Verstärkung ist es üblich, Teile mit 1/100 ihrer Übergangsfrequenz zu verwenden.

Warum funktioniert dieser Transistoroszillator nicht bei 100 MHz?

In einer Ihrer vorherigen Fragen habe ich diese 100-MHz-Oszillatorschaltung vorgeschlagen: -

Wie Sie sehen können, ist L1 etwa zehnmal so groß wie Sie und C1 und C2 sind auch viel kleiner als das, was Sie in Ihrer Schaltung vorschlagen. Sie müssen auch einen Transistor verwenden, der ein anständiges β in den GHz hat, möglicherweise einen BFR90, um Ergebnisse zu erhalten, die den Formeln nahe kommen.

In meiner Simulation oben habe ich 100,6 MHz bekommen, aber das war mit einem BC547. Theoretisch sollten es ungefähr 140 MHz sein (aus dem Speicher) und um dies zu erreichen, benötigen Sie einen viel besseren Transistor oder leben mit der Diskrepanz zwischen Realität und Formel.

1. Sie haben einen Transistor gewählt, der nicht viel Verstärkung bietet$100\mathrm{MHz}$, Und
2. Der Wellenwiderstand Ihres Schwingkreises ist viel, viel zu niedrig.

Ich habe keine Daten für einen 2N2222 zur Hand, aber das Datenblatt, das ich für einen 2N3904 zur Hand habe, listet eine auf$f_T$von$250\mathrm{MHz}$. Sie können einen Transistor dazu bringen, bei oder darunter zu schwingen$f_T$, aber es wird schwierig und die Qualität des Oszillators ist gering.

Eine typische Faustregel ist die Verwendung von an$f_T$das ist 10-mal höher als Ihre Designfrequenz. Dies bedeutet, dass Ihr Platinenlayout nicht trivial ist ($1\mathrm{GHz}$-- eek!), aber für Simulationen sollte es sicherlich funktionieren*. Das kannst du wahrscheinlich noch ein wenig dämpfen. Finden Sie also einen Transistor mit$f_T \ge 500\mathrm{MHz}$.

Ein Oszillator schwingt, weil Sie ein Signal hineingeben, es durch die Schleife geht und mit genau der gleichen Phase und Amplitude herauskommt. Um etwas zum Schwingen zu bringen , benötigen Sie eine Schleifenverstärkung, die bei einer Phasenverschiebung von Null deutlich höher als 1 ist. Es gibt viele Möglichkeiten, wie Sie dies erreichen können - für einen Colpitts-Oszillator mit Moorstandard und einem Kleinsignaltransistor bedeutet dies, dass Ihre Kondensatoren bei Ihrer Entwurfsfrequenz einen haben sollten$X_C \simeq 100\Omega$, und Ihre Spule sollte eine haben$X_L \simeq 200\Omega$. Dein$250\mathrm{pF}$Kappen haben$X_C \simeq 6.5\Omega$-- das geht einfach nicht**.

Also - ändern Sie Ihren Transistor, beide Kappen und Ihre Spule, und Sie haben etwas, das OK simulieren sollte. Wenn Sie dann bereit sind, es zu entwerfen, schauen Sie hier noch einmal nach, denn Sie werden es fast garantiert falsch machen.

* Für das HF-Design der 1980er Jahre bin ich es gewohnt - mit Durchgangslochkomponenten und TO-92-Gehäusetransistoren -$100\mathrm{MHz}$ist es, die obere Grenze der Frequenzen zu erwägen, ohne zu "Mikrowellen" -Methoden zu gehen. Mit allen oberflächenmontierten Teilen und einem engen Layout können Sie wahrscheinlich einen "traditionellen" Colpitts-Oszillator verwenden - aber Sie müssen möglicherweise mit einer "mikrowellenähnlicheren" Schaltung arbeiten, bei der Sie jede Leiterbahn wie einen Resonator behandeln müssen. Es ist wahrscheinlich eine sehr gute Idee, einige neuere Amateurfunkdesigns in die Hände zu bekommen .

** Vielleicht für eine Superhochleistungsanwendung, bei der Sie einen HF-Ausgangstransistor verwenden, der vorgespannt ist, um eine so niederohmige Last zu verstärken. Aber nicht mit einem Kleinsignaltransistor.

Meine Erinnerung an einen "freistehenden" Oszillator ist, dass er eine positive Rückkopplung in der Schaltung hat und von der Verstärkung des Komponentenrauschens abhängt, um zu schwingen. Das reale Rauschen und die Startbedingungen lassen sich in einem Simulatormodell nicht leicht duplizieren, sodass man möglicherweise Tipps und Tricks anwenden muss, um den Oszillator zu simulieren.

Diese Referenz beschreibt das unten zitierte Startproblem, und der Artikel enthält viele weitere spezifische Tipps und Tricks, die sich möglicherweise auf die Antwort auf Ihre spezifische Frage beziehen oder nicht:

https://docs.easyeda.com/en/Simulation/Chapter9-Initial-conditions-and-starting-up-circuits/index.html

Selbst wenn die Schaltung ein Oszillator ist, wird angenommen, dass sie sich vor t = 0 in einem stabilen, nicht oszillierenden stationären Zustand befindet. Bei t = 0 startet die Schaltung dann von diesen anfänglichen DC-Bedingungen. Es wird dann entweder in diesem stationären, nicht oszillierenden Zustand bleiben oder langsam von dem stationären DC-Zustand wegdriften und Oszillationen bauen sich auf.

Der Anfangszustand von Oszillatoren, die auf einem abgestimmten Kreis basieren, wie z. B. Phasenverschiebungs-, Wien-Brücken- und Quarzoszillatoren, wird durch ihre DC-Vorspannungsbedingungen definiert. Wenn es keine Rauschquellen in der Schaltung gibt (der Standardzustand für alle Komponenten, sofern nicht anders angegeben, wie z. B. Widerstände, die für Rauschbeiträge definiert sind), gibt es nichts, was die Schaltung aus dem Gleichgewicht bringen könnte, und daher beginnt sie möglicherweise nie zu oszillieren.

Obwohl solche Oszillatoren in den meisten Fällen aufgrund der „versteckten“ Rauschquelle, die einfach auf das mathematische Rauschen zurückzuführen ist, das durch die endliche Auflösung und Rundungsfehler der Berechnungen beim Ausführen einer Simulation erzeugt wird, schließlich anlaufen, kann dies sehr lange dauern Zeit verglichen mit der Zeit, die benötigt wird, um den Oszillator einige Zyklen lang in einem stabilen Schwingungszustand zu betreiben. Insbesondere Quarzoszillatoren können viele hunderttausend Mal die Oszillatorperiode benötigen, um hochzufahren und einen stabilen Zustand zu erreichen.

Um die Simulationszeit zu minimieren, die mit dem Warten auf den Start eines Oszillators verbracht wird, ist es nützlich, eine anfängliche Startbedingung einzuführen, um die Schaltung in Schwingung zu versetzen.

Beachten Sie, dass ein typischer Mikrocontroller es dem Schaltungsdesigner ermöglicht, eine Anlaufverzögerung festzulegen, die dazu beiträgt, ein stabiles Oszillatorsignal vor der Programmausführung nach dem Einschalten, Spannungsabfall oder einem Reset-Zustand sicherzustellen.