Um einen Oszillator (VCO, hier aber immer mit konstanter Steuerspannung betrachtet) zu untersuchen habe ich aus der Schwingkreisschaltung einen Schaltkreisblock in LTspice erzeugt, in dem der Eingang in den Schwingkreis (LoopIn) und der Ausgang des verstärkenden Transistors (LoopOut) aufgetrennt sind. Den Funktionsblock habe ich dann 64-mal hintereinandergeschaltet und eine AC-Analyse mit Testsignal am ersten Eingang und Meßsignal am letzten Ausgang gemacht. Die Hintereinanderschaltung hat den Sinn, eine geschlossene Schleife anzunähern. Aus dem Bodeplot des Ausgangs wollte ich dann die Frequenzen ablesen, für die die Barkhausensche Schwingbedingung, also Verstärkung = 0dB Phase = n 2 Pi erfüllt ist, und so die Schwingfrequenz voraussagen. Als Gegentest habe ich den Schwingkreis dann geschlossen und eine Transientensimulation gemacht und die relevante Frequenz (der Kollektorspannung) mit FFT bestimmt. Es fällt dabei auf, daß die Frequenz im Schwingkreis mit der Zeit deutlich niedriger wird: Eine Simulation von 100n bis 200n bringt etwa 320 MHz, eine Simulation von 5u bis 6u (meistens meine Standardeinstellung) nur noch etwa 308 MHz. Die nach der Barkhausenbedingung vorausgesagte Frequenz liegt bei etwa 321 MHz, also nahe an der anfänglich im geschlossenen Schwingkreis auftretenden Frequenz. Man kann also von einer "säkularen", das heißt mit der Zeit in eine Richtung fortschreitenden, Abweichung der Frequenz nach unten sprechen. Wie ist diese zu erklären? Sind dies bereits thermische Effekte, falls solche von LTspice erfaßt werden? Oder handelt es sich um numerische Probleme?
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Das ist nichts ungewöhnliches, da es in einer Schaltung noch weitere Bauteile gibt mit einer Zeitkonstanten, so dass Einflüsse der parasitären Kapazitäten der Transistoren als parasitäre Kapazitätsdioden in der Startphase zum Tragen kommen.
Danke erstmal für die beiden Antworten, ich habe dann auch wirklich mal mit timestep 5p gerechnet, was aber keine wahrnehmbare Änderung der auftretenden Frequenz brachte. Als nächstes habe ich mir nochmal meine Open-Loop Simulation vorgenommen und eine kleine, aber vielleicht wichtige Änderung vorgenommen: Einem Video auf der LTspice-Seite folgend, habe ich dann einfach eine 0V/AC=1 Spannungsquelle zwischen LoopOut und LoopIn geschaltet und nur noch einen Schaltungsblock verwendet, statt 64 Stück hintereinanderzuhängen. Wenn man sich die dann entstehenden Übertragungsfunktionen genau ansieht, so fällt auf, das sie an einem potentiellen Barkhausen-Punkt (so nenne ich einen Punkt wo die Phasendrehung n * 360° ist) in der Regel eine von 0dB ziemlich verschiedene Amplitude haben. Bei Bauteilwerten, mit denen in der Transientensimulation wirklich eine Schwingung auftrat, war an dem Barkhausen-Punkt die Amplitude meist +20..+40 dB. Allerdings fand die Schwingung dann (wie schon in meinem Anfangspost thematisiert) gar nicht an der Frequenz des Barkhausen-Punktes statt, sondern immer an einer viel niedrigeren Frequenz. Wenn man diese Frequenz dann in dem Plot der Übertragungsfunktion aufsuchte, so war er ziemlich wenig herausragend: Die Phasendrehung konnte z. B. in einem Fall bei -90° in einem weiten Bereich ähnlicher Phasendrehung liegen und auch der Amplitudenverlauf war dort nicht herausragend. Wahrscheinlich hat der Wert der Übertragungsfunktion der AC Simulation am tatsächlichen Schwingungspunkt überhaupt keine praktische Bedeutung. Ich vermute, daß nichtlineare Effekte erst die Schwingungsfrequenz festlegen und man diesem Phänomen mit einer linearen Betrachtung nicht direkt Herr werden kann. Was ich jetzt konkret bei der Dimensionierung des VCO mache: Ich wähle zuerst den Kollektorwiderstand R3 nach der Stärke des geplanten durchschnittlichen Kollektorstroms. Anschließend senke ich die Widerstände R4 und R6 am Emitter langsam ab, bis eine kleine Schwingung einsetzt. (Die Heuristik ist, daß eher größere Werte für R4, R6 günstig sind, weil sie den Oszillatorteil weniger belasten. Kleinere Werte führen zu einer größeren Verstärkung, also zum leichteren Einsetzen einer Schwingung. Experimentell wird ein Kompromiß gefunden... ). Gegebenenfalls wird noch etwas mit dem Emitter-Signalkurzschlußkondensator C3 experimentiert. Dieses Probieren ist natürlich unbefriedigend, ich würde eine analytische Lösung vorziehen. Eine solche habe ich vor einigen Jahren einmal aus einer Betrachtung mit Y(s)-Matrizen für einen Colpitts-Oszillator gewonnen, die auch in der Praxis realistische Bauteilwerte ergab. Allerdings sind hier doch deutlich mehr Komponenten im Spiel und außerdem ist das ja auch wieder nur eine Kleinsignalbetrachtung. Daher noch eine Frage an die Mitleser dieses Threads, auch wenn sie nicht mehr mit der Eingangsfrage zu tun hat: Wie könnnte man diese Schaltung möglichst gut optimieren, wenn man nicht gleich zu einer analytischen Rechnung greifen möchte? (Mit "optimieren" meine ich: gleichmäßiger Amplitudenverlauf für verschiedene Steuerspannungen des VCO, geringe Verzerrungen im Signal, im Idealfall möglichst geringes Phasenrauschen).
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