Hallo, ich habe erfolgreich einen Verstärker gebaut, der noch bis über 1 GHz gut nutzbar (>10 dB) ist. Aufgebaut als einfache Emitterschaltung mit einem BPF196WN (mein kleiner Favorit). Um nun zu einem 433 MHz Oszillator zu kommen war mein Gedanke einfach den Tank Circuit (2 C's und 1L, siehe Foto) vom Colpitts Oszillator zwischen Eingang und Ausgang zu setzen (Quelle: http://www.circuitstoday.com/colpitts-oscillator). Meine Erwartung wäre, dass der Tank Circuit nur bei 433 MHz resoniert und diese somit an den Eingang rückkoppelt. Diese werden immer wieder verstärkt und ich sollte einen Oszi für 433 MHz haben. Für eine erste Näherung habe ich mal C1=20pF,C2=40pF und L=10nH gewählt. Das trifft gemäß der Resonanzformel die 433 noch nicht genau, ist für das Prototypen an dieser Stelle aber für mich ausreichend. Leichter gedacht als getan, denn leider springt der Oszilator gar nicht an und es scheint eher so zu sein, dass die beiden C's das RF-Signal einfach auf Masse kurzschließen (da gemäß Z=1/jwC nahezu kein Widerstand bei 433 MHz). Übersehe ich etwas? Wie schaffe ich es den im Bild dargestellten Colplitts-Oszillator für 433 MHz funktionstüchtig zu realisieren? Übersehe ich kritische parasitäre Effekte? Viele Grüße und Danke für eure Hilfe Lucky
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Bastian H. schrieb: > die beiden C's das RF-Signal einfach auf Masse kurzschließen nein, die sind in Resonanz mit der Spule. Damit der Oszillator schwingt, müssen sowohl die Amplitudenbedingung (Betrag der Schleifenverstärkung >1) als auch die Phasenbedingung (Phasenverschiebung in der Schleife n*360°) erfüllt sein. Das kann man testen, wenn man die Schleife auftrennt (zB vor Cin) und da ein 433MHz Signal einspeist und sich anguckt, wie das Signal vor der Trennstelle (Verbindung von C2 und L) aussieht. Eventuell muss man noch beachten, dass Cin eine Belastung für dieses Signal darstellt. "einfach so" aber einen Verstärker mit dem Resonanzkreis verbinden funktioniert aber tatsächlich nicht ;-)
Die 10 nH kommen mir bauchmäßig als zu niedrig vor für 433 MHz.
@hubertus Danke, ich werde die Messungen gleich mal machen @jamesy: 1/(2*pi*sqrt(10e-9*(20e-12*40e-12)/(20e-12+40e-12))) = 4.3586376e8 -> 435 MHz
Ich meinte nicht den Absolutwert, sondern das Verhältnis C/L. Den Wert habe ich nicht bezweifelt, aber mache Dir mal klar, wie wenig 10 nH sind - das ist etwa 1 cm Draht, nicht gebogen. Ich habe hier Oszillatoren aufgebaut als VCO, und bin bisher immerhin bis 5.5 GHz gekommen, beruflich arbeite ich gerade an einem 80 MHz-VCO, der allerdings ein paar Nebenbedingungen erreichen muß. Ich wollte nicht Deine Kenntnisse in Frage stellen, das wäre in dem Fall falsch rübergekommen - bitte entschuldige das.
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@jamesy Bitte versteh das auch von meiner Seite aus nicht falsch. Ich habe das nicht so gemeint :) Das L/C-Verhältnis ist tatsächlich eher suboptimal, aber leider weiß ich nicht wie ich die Induktivität größer wählen soll, da die Kapazitäten bereits so klein. Diese weiter zu verringern wäre schwierig. Aktuell habe ich für die Frequenzen leider nur meinen Spektrumanalysator, da mein Oszi erst nächste Woche wieder kommt. Demnach konnte ich nur die Amplitude auswerten: 1.Messung: Tank circuit abgehangen und nur den Verstärker an sich bei 433 MHz mit -56 dBm angeregt -> Ergebnis 12 dB Verstärkung 2.Messung: Messung wie von hubertus beschrieben: Vor Cin mit 433 MHz angeregt und am Verbindungspunkt C2 und L abgegriffen -> Ergebnis -1 dB Verstärkung bzw. 1 dB Dämpfung Die geringen Amplituden habe ich gewählt, da der Verstärker nur bis -27dBm hoch kommt (dient aktuell als LNA). Die zweite Messung zeigt demnach, dass mein Problem die Schleifenverstärkung ist bzw. zu viel Insertion loss durch den Tank circuit. Den Transistor reize ich schon ziemlich stark aus, daher ist eine größere Verstärkung nur schwierig erreichbar. Die Frequenz sei jetzt mal dahingestellt, da bei einer Verstimmung des Tank circuits zumindest eine Oszillation auf einer anderen Frequenz entstehen sollte (sofern die Schleifenverstärkung ausreichend ist). Frage: Hat jemand eine Idee wie ich den Tank Circuit umgestalten kann, damit er mir nicht meine ganze Verstärkung raubt? Oder einen anderen Vorschlag wie ich das Problem lösen kann? Danke für eure Hilfe und viele Grüße Lucky
Jochen F. schrieb: >Die 10 nH kommen mir bauchmäßig als zu niedrig vor für 433 MHz. Ich habe 436MHz ausgerechnet. Bastian H. schrieb: >Übersehe ich etwas? Wie schaffe ich es den im Bild dargestellten >Colplitts-Oszillator für 433 MHz funktionstüchtig zu realisieren? >Übersehe ich kritische parasitäre Effekte? Wie sind die anderen Bauteile dimensioniert? Cout kannst du weglassen. Arbeitspunkt des Transistors richtig eingestellt? Vielleicht ist die Schwingkreisgüte zu schlecht. Wie sieht die Spule aus? Ich würde versilberten Kupferdraht so etwa 1mm Durchmesser verwenden. Vielleicht sind die Verbindungsleitungen der Schaltung zu lang. Hat die Betriebsspannung einen Stützkondensator? Wie hast du detektiert ob die Schaltung schwingt oder nicht? Vielleich ist die Schaltung für so hohe Frequenzen nicht geeignet. Um Erfahrungen zu sammeln würde ich mit niedrigeren Frequenzen anfangen.
Tip: Rechne doch mal den Blindwiderstand von C und L bei 435 MHz aus. Das ist im einstelligen Ohm-Bereich. Selbst bei einer hohen Güte des Kreises wird man unter einem Kiloohm bei Resonanz bleiben, besonders wegen der extrem niedrig gewählten Induktivität. Das meinte ich mit "Bauchgefühl", da die Impedanzen um den T höher sein werden.
Die charakteristische Impedanz des Schwingkreises Z=sqrt(L/C) ist eine wichtige Kenngrösse. Prinzipiell kann man jede LC Kombination schwingen lassen, aber wenn Z sehr klein ist werden die Ströme gross und der Verstärker wird stärker belastet. Im anderen Fall, wenn Z sehr gross ist, dann ist zwar die Spannung hübsch gross, aber der Schwingkreis wird sehr leicht verstimmt und der geringste parasitäre Effekt verschlechtert das Q. Tietze und Schenk empfehlen für solche diskreten Oszillatoren ca. 100-1000 Ohm für Z anzustreben.
Ausführungen sind in SMD 0603 mit gemessenen Streukapazitäten im Bereich von 0,5 pF und Streuinduktiväten im Bereich von 0,5 nH. Betriebsspannung ist gestützt. Ob sie schwingt ist mit Spektrumanalysator detektiert. Der Verstärker funktioniert bis weiter über 1 GHz, gemessen mit Netzwerkanalysator. Erfahrungen mit ~ 100 MHz habe ich durch viele Projekte in der Richtung schon aufgebaut und auch 433 MHz ist kein Neuland. Nur meine bisherigen Oszilatoren gingen nicht weit über 100 MHz hinaus. Wohl fühle ich mich eigentlich in höheren Frequenzbereichen, da ich lieber mit Hohlleitern arbeite. Das wird jedoch aus finanziellen Gründen nur auf der Arbeit etwas, sodass Hobbyprojekte in dem Bereich stattfinden müssen.
@hubertus @jamesy Danke für eure Bemerkungen. Diese treffen beide zu, doch soll ich dann wirklich lieber 1 oder 2 pF Kapazitäten nehmen? Hinsichtlich der Streukapazitäten glaube ich nicht die Frequenz dann noch halbwegs genau treffen zu können :( Z=sqrt(L/C) genau darüber mache ich mir Sorgen. Wenn ich L=50nH wähle, benötige ich für 100 Ohm 5pF. Da gelange ich in den Bereich der Streukapazitäten. Für noch höheren Widerstand sogar noch geringe Kapazitäten. Z= sqrt(50e-9/5e-12) = 100 1/(2*pi*sqrt(50e-9*(5e-12*5e-12)/(5e-12+5e-12))) -> ungefähr 450 MHz Soll ich nun wirklich Kapazitäten mit 1 oder 2 pF verwenden? Ich stelle mir sehr schwer vor dann am Ende die Frequenz noch präzise zu treffen.
von Jochen F. schrieb: >aber mache Dir mal klar, wie wenig 10 nH sind >- das ist etwa 1 cm Draht, nicht gebogen. Ja, so ist das. Früher in Fernsehtunern waren solche Schwingkreise ein gerades Stück versilbertes Kupferröhrchen, etwa so wie eine Kugelschreibermine. Ich habe hier gerade eine interessante Seite zu disem Thema gefunden. https://www.robkalmeijer.nl/techniek/electronica/radiotechniek/hambladen/ukw-berichte/1986/page150/index.html
als Startwert würde ich C1=C2 wählen. Und vielleicht eher einen JFET in Goral-Konfiguration. Ich kann heute Abend meine Spice-Dateien dazu posten.
Bastian H. schrieb: > @hubertus @jamesy Danke für eure Bemerkungen. > Soll ich nun wirklich Kapazitäten mit 1 oder 2 pF verwenden? Ich stelle > mir sehr schwer vor dann am Ende die Frequenz noch präzise zu treffen. Ich gebe zu bedenken: Die Streukapazitäten sind ja nicht zeitvariante Zufallswerte. Die sind da, und bleiben da. Wenn das ganze abgeschirmt ist, sind die externen Einflüsse einigermaßen beherrschbar. Wenn schon ein SpA vorhanden ist, so kann man das doch gut nachvollziehen.
Das stimmt allerdings. Ich baue es nachher Mal um und teile die Ergebnisse. Einen schönen Sonntag euch noch
Wie gesagt hilft hier Spice sehr viel und es ist auch hilfreich, Simulationen zu machen durch Auftrennen der Schleife. Das Problem dabei ist dann aber, dass sich die Impedanzverhältnisse ändern, wenn man die Schleife auftrennt, deshalb habe ich weiter oben den Goral empfohlen, weil da das Problem etwas entschärft ist. Mehr dazu später. Ich lade dann ein Beispiel hoch, wo ich das für 250MHz durchgespielt habe.
Schau doch mal, wie die Chinesen das mit ihren 433MHz-ISM-Sendemodulen machen: https://gemischtwaren-haendler.de/shopdateien/5299_1.pdf Einfacher geht's nicht! Ist billig und du bist sicher, dass du auf der richtigen ISM-Frequenz bist. Aber bitte keine Antenne an den Verstärker hängen!
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@hubertus ich habe für den bfp196wn bisher noch kein passendes Spice Model und schaffe es auch ehrlich gesagt dort nicht sinnige HF Simulationen zu erzeugen. Daher sitze ich mit dem tietze schenk am Schreibtisch und rechne noch altmodisch :D Würde gerne bei dem Transistor bleiben, da ich keinen JFET da habe @dc3yc danke für den Link. Der Spaß an der Geschichte ist aber das selber bauen :) Das ganze ist für ein Projekt auf der Empfangsseite.
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Bastian H. schrieb: > Übersehe ich etwas? Wie schaffe ich es den im Bild dargestellten > Colplitts-Oszillator für 433 MHz funktionstüchtig zu realisieren? Scheint zu funktionieren. Darauf achten den Verstärkereingang nur leicht an den Schwingkreis anzukoppeln.
Hallo r0bm, danke für die Simulation. Das ist wirklich sehr hilfreich. Ich überprüfe nochmal die Koppelkondensatoren. Welches Simulationstool verwendest du und wie hast du da ein passendes Modell für den Transistor gefunden und eingebunden ? Viele Grüße Lucky
Bastian H. schrieb: > Welches Simulationstool verwendest du und wie hast du da ein passendes > Modell für den Transistor gefunden und eingebunden ? sieht nach Multisim aus. Die hier https://www.infineon.com/cms/en/product/rf-wireless-control/rf-transistor/high-linearity-si-and-sigec-transistors-for-use-up-to-6-ghz/bfp196/ scheinen auch ein SPICE Modell anzubieten! Bin noch unterwegs und habe grad keinen Zugriff auf meine Files. Da hätte ich aber noch einen Designvorschlag. Evt dann morgen ;-) Bastian H. schrieb: > Würde gerne bei dem Transistor bleiben, da ich keinen JFET da habe fair enough. Für später würde ich aber schon empfehlen, ein paar MMBFJ310 auf Halde zu legen - die eignen sich perfekt für sowas. Der Vorteil ist halt, dass man da keinen Spannungsteiler für das Gate braucht - der Spannungsteiler an der Basis deines Transistors stellt ja eine zusätzliche Last für den Schwingkreis dar und senkt so dessen Q.
@TO ich habe hier mal das ganze durchexerziert. Es ist zwar mit JFET. Das hat aber wie erwähnt den Vorteil, dass der JFET-Verstärker wesentlich hochohmiger ist an seinem Input. Du kannst es aber auch ohne JFET machen. Dann würde ich aber dennoch einen Versuch machen mit dieser Goral-Topologie. Sie ist zwar recht unbekannt und wird auch im Tietze Schenk nirgends erwähnt, aber ich habe damit gute Erfahrungen gemacht. Dank des zusätzlichen Transistors ist die Analyse einfacher, weil der Loop besser entkoppelt ist (d.h. die Impedanzverhältnisse ändern sich weniger stark, wenn du zur Analyse die Schleife auftrennst). Ich habe damals den Oszillator genau so aufgebaut, wie ich ihn simuliert hatte, und er ist auf anhieb angeschwungen, ohne dass ich ein einziges Bauteil optimieren musste, auch der Frequenzbereich hat sehr gut zur Simulation gepasst :-) das hat mich enorm gefreut. Vielleicht helfen dir die Graphen ja ein bisschen was. Den Oszillator habe ich verwendet um ein 0dBm Signal für einen Mischer zu erzeugen. Der musste genaue 50 Ohm sehen, daher war es auch noch Vorteilhaft, dass man mit dem 2. Transistor quasi kostenlos einen sauber isolierten 50 Ohm Ausgang bauen kann. Gruss Tobias
Jochen F. schrieb: > Bastian H. schrieb: >> @hubertus @jamesy Danke für eure Bemerkungen. >> Soll ich nun wirklich Kapazitäten mit 1 oder 2 pF verwenden? Ich stelle >> mir sehr schwer vor dann am Ende die Frequenz noch präzise zu treffen. > > Ich gebe zu bedenken: Die Streukapazitäten sind ja nicht zeitvariante > Zufallswerte. Die sind da, und bleiben da. Wenn das ganze abgeschirmt > ist, sind die externen Einflüsse einigermaßen beherrschbar. Wenn schon > ein SpA vorhanden ist, so kann man das doch gut nachvollziehen. Hallo nochmal an alle, @jamesy Vielen Dank nochmal für den hilfreichen Hinweis! Ich habe es umgebaut und entsprechend mit einer größeren Induktivität und kleineren Kapazitäten ausgestattet. Dank Spektrumanalysator ließen sich auch die parasitären Einflüsse in den Griff bekommen. Aktuell habe ich die Frequenz noch nicht ideal getroffen, aber das bekomme ich auf jeden Fall auch noch hin. Final optimiere ich das ganze nun noch noch. Ich rechne mir aktuell das T nochmal separat aus (Analyse hinsichtlich Güte etc.) und werde die Impedanz am Ende noch matchen. Außerdem werde ich das ganze nun parallel auch in der Simulation versuchen mal durchlaufen lassen. Dank euch habe ich jetzt eine gesunde Basis mit der ich weiterarbeiten kann. Tobias P. schrieb: > ich habe hier mal das ganze durchexerziert. Wow, vielen Dank, dass du die Ergebnisse mit mir teilst. Ich mache aktuell gerade wieder eine Mouser-Bestellung fertig und habe mir gemäß deinem Rat auch ein paar hier von reingetan: https://www.mouser.de/ProductDetail/ON-Semiconductor/MMBFJ310LT3G?qs=HVbQlW5zcXUxpOb1Nt2lgA%3D%3D Sobald die da sind, versuche ich mein Glück mal mit der Goral-Topologie. Die Geschichte scheint wirklich Charme zu haben. Falls jemand von euch mal Unterstützung mit Hohlleiter- oder dielektrischen Komponenten benötigt, kann ich mich vielleicht revanchieren ;) Vielen Dank an alle für die tolle Unterstützung! Viele Grüße Lucky
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Bastian H. schrieb: > Falls jemand von euch mal Unterstützung mit Hohlleiter- oder > dielektrischen Komponenten benötigt, kann ich mich vielleicht > revanchieren ;) da meld ich mich doch gleich ;-) * design von DRO-Oszillatoren - ich habe mal einen gebaut (2.5GHz), hat gut funktioniert und ca. 20dBm Leistung raus gehauen, aber das war wohl eher so ein "lucky punch" :-) Doku ist leider alles verloren gegangen. Würd aber gern wieder einen bauen, so für 10GHz oder ähnlich. * Hohlleiter Oszillatoren: wie könnte man für 26.5-40 GHz einen Oszi in Hohlleitertechnik bauen? oder vielleicht einfacher, einen Multiplier mit Diode, wo man z.B. mit 13-20 GHz rein kommt? so wie hier: http://www.pacificmillimeter.com/Multipliers.html die Dinger sind extrem kompakt und da scheint nicht mehr als eine einzelne Diode drin zu sein. Aber Anpassnetzwerk=? verwendeter Diodentyp=? keine Idee diesbezüglich. Spannend wäre es aber, weil ich dann mit meinem 20GHz Signalgenerator und einem Speki zumindest einen einfachen Skalaranalysator bauen könnte. Tja das sind die ewigen Klassiker auf meiner Todo Liste. Besonders die DROs werden immer stark mystifiziert und niemand will da so recht sagen, wie man die baut. Bastian H. schrieb: > gerade wieder eine Mouser-Bestellung fertig und habe mir gemäß > deinem Rat auch ein paar hier von reingetan: > https://www.mouser.de/ProductDetail/ON-Semiconductor/MMBFJ310LT3G?qs=HVbQlW5zcXUxpOb1Nt2lgA%3D%3D gut ;-) ja, obwohl die Dinger SMD sind, kann man sie trotzdem noch einigermassen gut als Dead-Bug zusammen braten, die Pins sind grade noch gross genug. Man muss also nicht gleich eine Leiterplatte machen.
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Tobias P. schrieb: > design von DRO-Oszillatoren - ich habe mal einen gebaut (2.5GHz), hat > gut funktioniert und ca. 20dBm Leistung raus gehauen, aber das war wohl > eher so ein "lucky punch" :-) Doku ist leider alles verloren gegangen. > Würd aber gern wieder einen bauen, so für 10GHz oder ähnlich. An was genau für einen Dro denkst du da ? 10 GHz, also mit WR90 Rausführung? Was für Dielektrika hast du auf Lager? Womit machst du die Simulation ? CST oder HFSS? CST wäre schöner , weil ich mit HFSS erst zwei Jahre Erfahrung habe :p Tobias P. schrieb: > Hohlleiter Oszillatoren: wie könnte man für 26.5-40 GHz einen Oszi in > Hohlleitertechnik bauen? oder vielleicht einfacher, einen Multiplier mit > Diode, wo man z.B. mit 13-20 GHz rein kommt? so wie hier: > http://www.pacificmillimeter.com/Multipliers.html die Dinger sind extrem > kompakt und da scheint nicht mehr als eine einzelne Diode drin zu sein. > Aber Anpassnetzwerk=? verwendeter Diodentyp=? keine Idee diesbezüglich. > Spannend wäre es aber, weil ich dann mit meinem 20GHz Signalgenerator > und einem Speki zumindest einen einfachen Skalaranalysator bauen könnte. Im "Grundprinzip" ist es auch nicht viel mehr. Die Arbeiten da mit einer Gunn-Diode. Diese besitzt keinen klassischen PN Übergang, sondern einen n+,n,n+ und hat die schöne Eigenschaft mit der richtigen Vorspannung einen negativen differentiellen Widerstand zu haben, welcher sich mit dem positiven Widerstand der restlichen Schaltung canceld und zu einem differentiellen Widerstand insgesamt von 0 führt.Dadurch fängt es zu schwingen an. Die Frequenz hängt von der gewählten Gunn-Diode ab, da die aus der breite der aktiven Schicht in der Diode resultiert. Zu bedenken gibt es eben, dass die Wellenlängen bei dem von dir genannten Frequenzbereich kleiner gleich einem cm sind und gemäß Rayleigh-Kriterium für Wellen (ursprünglich aus der Optik) selbst die kleinsten Abweichungen schon einen Einfluss auf das Ergebnis haben (kleiner gleich Lambda/16). Deshalb ist die genaue Positionierungen der Diode im Hohleiter-Element sehr wichtig. Da lohnt es sich vorher 3D Simulationen laufen zu lassen, sich das E-Feld im Hohlleiter bei der gewünschten Frequenz anzuschauen und die Diode entsprechend zu platzieren (hier steck mehr oder weniger deine Anpassung). Mit Faustregeln kommt man hier meines Wissens nach nur noch begrenzt weiter. Schau am besten mal hier: http://www.ijmer.com/papers/Vol2_Issue5/FC2539083911.pdf EDIT: Hab das hier noch gefunden: https://www.elprocus.com/gunn-diode-working-characteristics-and-its-applications/ -> Da wird es auch schön erklärt und ist ein leichteres Beispiel als in dem Paper (Nur Waveguide Feed + Gunn Diode)
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