VCO Dimensionieren, Tuning Bereich einschränken

[Endwiggler (Gast)]

Hallo,

ich habe einen Colpitts Oszillator versucht zu dimensionieren. Da es 
dazu leider sehr widersprüchliche Angaben gibt, wie man das richtig 
macht, und auch der Tietze Schenk nicht ganz klar darauf eingeht, habe 
ich mir selber versucht ein paar Gleichungen zurecht zu legen.

Ich habe mir überlegt, dass die Schleifenverstärkung etwa den Wert 2 
erreicht, wenn C1 und C2 gleich gross sind, also Spannung über R1 = 1/2 
der Spannung über L1. Damit wird die Verstärkung der Drainschaltung, 
welche kleiner als 1 ist, kompensiert. Soweit so gut.
Wie man die Spule und den C3 dimensioniert, um einen "guten" 
Parallelschwingkreis zu erhalten, dazu habe ich mir überlegt: der 
Tietze-Schenk spricht vom Kennwiderstand

$$R_k = \sqrt{ \frac{ L }{ C } }$$

und dieser soll ca. 100 Ohm betragen. Ist das eine dumme Forderung, oder 
wie könnte man es besser machen? Aus der Forderung für R_k und der 
gewünschten Resonanzfrequenz erhält man 2 Gleichungen mit 2 Unbekannten. 
Lösen ergibt L und C3. Damit hat man dann eine ungefähre 
Resonanzfrequenz. C1 und C2 beeinflussen das ganze ja noch ein wenig.

Wie man C4 gescheit dimensioniert, da habe ich keine Idee. Der Witz von 
C4 ist ja

a) nur ein Teil der Schwingkreisspannung auf das Gate zu leiten um den 
Schwingkreis möglichst gut zu entkoppeln
b) die Wechselspannung wird von D1 Gleichgerichtet, C4 lädt sich auf, 
das Gate des FET wird mehr und mehr negativ vorgespannt und die 
Verstärkung verkleinert sich. Damit sollte man weniger Oberwellen und 
eine konstantere Amplitude erhalten. Richtig?

Jtzt noch zu den beiden Varaktoren. Man sollte ja zwei Antiserielle 
benutzen. Damit aber nun das Phasenrauschen des VCO minimiert wird, 
sollte man den Tuning-Bereich so klein wie möglich wählen. Normalerweise 
würde man das machen, indem man in Serie zum Varaktor noch ein kleines C 
schaltet. Hier geht das ja aber nicht: Wenn in Serie zu D2 ein 
Kondensator liegt, dann ist der DC-Pfad für D2 'abgeschnitten' und D2 
ist (mehr oder weniger) wirkungslos. Wie würde man es richtig machen?

Und noch die letzte Frage: über den gesamten Tuning-Bereich meines VCO 
schwankt die Amplitude um ca. +/- 400 mV. Also am unteren Ende (min. 
Frequenz) 400 mV kleiner und am oberen Ende (max. Frequenz) 400 mV 
grösser. Und das trotz meiner Amplitudenregelung. Wie kriege ich die 
Amplitude stabiler hin? Ich habe eine Anwendung, wo ich auf eine 
konstante Amplitude angewiesen bin. Sagen wir mal, sie darf sich bei der 
minimalen und maximalen Frequenz um 200 mV unterscheiden. Wie bringe ich 
also eine bessere Konstanz hin?

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Endwiggler schrieb:
> Wenn in Serie zu D2 ein
> Kondensator liegt, dann ist der DC-Pfad für D2 'abgeschnitten' und D2
> ist (mehr oder weniger) wirkungslos. Wie würde man es richtig machen?

Widerstand gegen Masse - aber ein wenig grösser, damit nicht zu stark 
gedämpft wird. 22k-100k sollten klappen.

C3 ist wohl eher symbolisch gemeint? Der wird von C1 und C2 im Moment 
bei weitem übertrumpft.

[Endwiggler (Gast)]

Ja C3 würde man dazu benutzen die Frequenz nach unten zu schieben. Aber 
klar, mit 1p ist er nutzlos :-)

Hast du eine Idee wie ich die Amplitude am Schwingkreis verkleinere? sie 
sollte ja möglichst klein sein damit sie mir nicht unerwünschterweise 
die Varaktoren moduliert.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Endwiggler schrieb:
> Hast du eine Idee wie ich die Amplitude am Schwingkreis verkleinere? sie
> sollte ja möglichst klein sein damit sie mir nicht unerwünschterweise
> die Varaktoren moduliert.

Du kannst mit dem kapazitiven Spannungsteiler spielen und C1 
verkleinern, allerdings besteht im Extremfall das Risiko, das die 
Schwingung abreisst. Die Dioden würden allerdings sowieso im Takt der 
Schwingung moduliert, was i.A. nicht stört.

Um gleichmässige Amplitude über den Bereich zu bekommen, kann man den 
absoluten Bereich des VCO sehr viel grösser machen als erforderlich und 
dann nur einen kleineren Ausschnitt des Bereiches benutzen.

[Endwiggler (Gast)]

Hmm ok ich dachte C1 und C2 bestimmen zusammen die Schleifenverstärkung? 
diese sollte ja grösser als 1 sein. Richtig gute Gleichungen dazu findet 
man allerdings nie. Auch über C4 wird meist geschwiegen :-) Gibt es 
wenigstens Faustregeln oder ist mein Vorgehen grundsätzlich sinnvoll?

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Bisschen was ist hier:
http://www.play-hookey.com/oscillators/lc/colpitts_oscillator.html

http://fourier.eng.hmc.edu/e84/lectures/ch4/node12.html
mit Animation, aber ungewöhnlichen Design:
http://www.falstad.com/circuit/e-colpitts.html


Titze-Schenk beschreibt den Colpitts nur in Basisschaltung, bei dir 
liegt aber ein Sourcefollower vor. Auch Horowitz/Hill sind hier nicht so 
hilfreich.

[B e r n d W. (smiley46)]

Hallo Endwiggler

Schau dir erst mal den Hartley-Oszillator an. Die der Spule zugeführte 
Energie wird transformiert, dabei wird zum oberen Ende die Spannung 
höher, der Strom jedoch geringer. Hat der Schwingkreis z.B. eine Güte 
Q=100, so schaukelt sich der zugeführte Strom im Schwingkreis auf den 
100-fachen Wert auf.

Ähnlich beim Colpitts, mit einem kleinen Unterschied. Hat der 
Schwingkreis keine ausreichende Güte, dann sind C1 und C2 nicht in der 
Lage, die zugeführte Energie zu transformieren. Die Blindströme im 
Schwingkreis müssen deutlich höher sein, als der vom J310 zugeführte 
Strom.

Nochwas: Dein Sourcewiderstand R1 wird benötigt, damit der JFet 
überhaupt arbeiten kann, er bestimmt den Ruhestrom/Arbeitspunkt des 
JFet. Er bedämpft aber auf der anderen Seite den Schwingkreis. Beim 
Hartley könnte Source direkt an die Anzapfung der Spule angeschlossen 
werden und der Widerstand kann entfallen. Oder wie im angehängten 
Schaltbild kann der Widerstand mit einem C überbrückt werden, um den 
Ruhestrom zu reduzieren, jedoch einen AC-Einfluss zu verhindern.

Gruß, Bernd

[Günter Lenz (Gast)]

Endwiggler schrieb:
>Hast du eine Idee wie ich die Amplitude am Schwingkreis verkleinere?

Nicht die Schwingkreisamplitude verkleinern, sondern die
Steuerspannung muß größer sein als die Schwingkreisamplitude,
damit die Varaktoren nicht in den leitenden Zustand kommen.

>Damit aber nun das Phasenrauschen des VCO minimiert wird,
>sollte man den Tuning-Bereich so klein wie möglich wählen.

Das geht, in dem man C3 vergrößert,
C4 liks neben C1 setzt und kleiner macht.

[B e r n d W. (smiley46)]

Um die Amplitude konstant zu halten, gibt es mehrere Möglichkeiten:

- Der Oszillator bleibt selber konstant
- Die Amplitude wird nachgeregelt
- Die Amplitude wird begrenzt
- Es folgt ein Begrenzer-Verstärker und ein Tiefpass
  (aus Rechteck mach Sinus)

Die angehängte Schaltung begrenzt die Amplitude. Das Ausgangssignal wird 
am Schwingkreis abgegriffen.
Dies ergibt einen sauberen Sinus, Oberwellen bei -50dB.