OSCILADOR A CRISTAL PARA USO EM SDR
11/FEV/2006
Objetivo - construir um oscilador a cristal em 28MHz com baixo ruído, seguido de divisor por 4 para gerar saídas IQ em 7MHz para uso num simples receptor SDR.
Referências iniciais:
Introduction to Radio Frequency Design (IRFD),
Experimental Methods in RF Design (EMRFD),
Designing Low-Phase-Noise Oscillators, Rohde, QEX oct 1994
All About Phase Noise in Oscillators, Rohde, Parts 1 2 3, QEX dec 1993, jan/feb 1994
Simulating Circuits and Systems with Serenade
SV, Newkirk, QST jan 2001
A low noise, four phase crystal oscillator,
Leif Asbrink,
http://www.nitehawk.com/sm5bsz/linuxdsp/rxiq/osc.htm
sine-to-square converters, http://www.wenzel.com/documents/waveform.html
Como o circuito precisará opcionalmente trabalhar em frequências superiores, a topologia escolhida emprega cristal na ressonância série, capaz de trabalhar em overtones. Contudo, necessita de circuito sintonizado.
O circuito básico, muito utilizado em osciladores em VHF, é dimensionado segundo o IRFD:
Fig1
Um excelente exemplo é o oscilador de SM5BSZ:
Fig 2
Colocado com permissão do Autor.
O transistor escolhido em razão de disponibilidade foi o BC847W (semelhante ao BC547). Apesar de não ser um tipo específico para uso em RF ele se mostrou plenamente capaz. O encapsulamento utilizado é SMD.
Condições: obter o melhor desempenho em ruído (em dBc/Hz), sem exceder a dissipação máxima permitida pelo cristal (HC-49U), e obter saída capaz de excitar uma porta lógica CMOS.
O circuito em simulação ficou assim:
Fig 3
A saída foi modificada para uma topologia consistindo numa rede LC simples com acoplamento por derivação capacitiva na entrada e saída, com isso se pode ajustar o nível na saída e a realimentação adequada no oscilador, ademais da ressonância. Esse circuito é também o utilizado pelo Asbrink, SM5BSZ.
Os resistores permitem ajustar níveis de excitação no loop oscilador e impedâncias. Asbrink entende que o cristal deve estar terminado por impedâncias baixas (abaixo de 4 ohms) nos dois pórticos, para com isso funcionar como filtro. Tanto Hayward quanto Rohde demonstram diferentemente, há uma decisiva vantagem em limitar a corrente (em RF) entrando no emissor por meio de um resistor e fazendo com isso também aumentar a impedância de entrada, mesmo que intuitivamente isso pareça ser introdução de ruído. A demonstração está no IRFD.
Depois de infindáveis horas e dias no simulador..., o resultado da otimização é este:
Fig 4
Os capacitores C5 e C6 serão avaliados na montagem do protótipo, para obter a excitação adequada a uma porta 74AC74 de alta impedância, razão porque não requer maior atenção por enquanto. O valor equivalente para ressonância é de cerca de 20 pF.
Pode parecer que o circuito continua a versão básica inicial. Os resultados na simulação mostram que fazer um oscilador funcionar é tarefa ocasional muito fácil. Com poucos cuidados já se obtem oscilação. Contudo, para obter alta performance, é necessário grande cuidado com cada item do circuito. O resultado obtido é excelente.
Fig 5
No gráfico se vê o pedestal de ruído do FT1000MP e IC706 para comparação, obtidos nos "product reviews" da QST. No trecho acima de 10 Hz o oscilador descrito tem pedestal de ruído melhor.
Neste resultado de ruído espectral, a linha verde superior é uma experiência, resultado de mudar o resistor de base de 22k para 10k, trazendo a corrente de coletor de 10 mA para 6 mA. Uma mudança pequena com resultado profundo, com péssimo desempenho no ruído de fase. No entanto continua oscilando! A diminuição da corrente quiescente de coletor corresponde a um funcionamento no segmento linear do transistor. A pureza espectral é aumentada, no caso não interessa, mas o ruído de fase aumenta.
Fig 6
Gráfico de Ic, corrente de coletor, para dois valores do resistor de base. Resistor de 22k , Ic quiescente = 10 mA.
Resistor de 10k , Ic quiescente = 6 mA
A mudança corresponde a passar do funcionamento em classe C, desejado pelo ruído menor, para classe A.
Modificações 13/fev 2006
Vcc passa para 5V
Um choque de RF é necessário para isolar o resistor de polarização de emissor e o circuito ficou mais parecido com o de Leif.
Fig 7
Houve ganho de 6 dB no topo do pedestal e também no platô inferior (a escala do eixo vertical é diferente do gráfico anterior) .
Posteriormente foi retirado o choque de RF no emissor, perdendo só um pouco no item ruído.
A potência dissipada no cristal ficou em 1.75 mW, aceitável para o HC49-U
Fig 8
última versão: está nos arquivos do SDR-BR
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