Применение MAX2620

Потребности в качественном источнике частоты (т.е. генераторе) велики. Это и беспроводная телефонная трубка, как опорная частота в параметрическом генераторе с фазовой синхронизацией, и в задающем генераторе микропроцессора или в системах сбора данных.

Важными параметрами генератора являются точность и стабильность частоты. Точность определяет начальное значение частоты, а стабильность - относится к фазовому шуму частоты (в краткосрочном плане) и дрейфу (долгосрочно), зависящему от температуры и старения.

Для кварцевого генератора ключевыми параметрами являются: резонансная частота, реактивное сопротивление и Q-фактор (добротность). За исключением фазового шума, все это относится к функции самого кварца.

Низкий фазовый шум зависит от резонатора и активного элемента. Резонатор должен иметь высокую добротность (обычно Q равняется от 10000 до 50000). Активный элемент должен иметь низкий фликер-шум, низкое численное значение шума, а его нагрузка на резонатор должна быть минимальна. Все эти требования выполняет прибор MAX2620. Он имеет низкий фликер-шум, свойственный высокочастотному биполярному процессу, низкое численное значение шума и малое паразитное r_B, минимальная загрузка которого в активном устройстве поддерживает высокий Q, желательный в схеме генератора. На рис. 1 показан простой кварцевый генератор на микросхеме MAX2620.

Рис. 1. Простая схема кварцевого генератора на одной микросхеме MAX2620

Наличие буферных усилителей позволяет минимизировать уход частоты от нагрузки при работе с напряжением питания в диапазоне +2,7 В до +5,25 В.

Основными критериями для выбора кварцевого резонатора являются: начальная частота, начальная точность частоты и стабильность частоты от воздействия температуры и старения. На практике, проектировщик должен учитывать центральную частоту кварца, добротность Q, динамическое сопротивление и нагрузочную емкость.

В схеме (рис.1) используется кварцевый резонатор (Х1) для поверхностного монтажа фирмы STATEК. Значение динамического сопротивления необходимо знать для вычисления значений конденсаторов С3 и С4. Кварцевый резонатор с высоким значением динамического сопротивления наиболее неблагоприятный вариант. В этом случае изготовитель кварца определяет максимальное динамическое сопротивление в 150 Ом.

Для начала колебательного процесса необходимо, чтобы это значение было меньше, чем половина входного отрицательного сопротивления (Rin= - gm Xc3 × Xc4) активного устройства. Считается нормальным, если

gm × Xc3 × Xc4 ≥ 2 R1max, где:

gm крутизна характеристики прямой передачи активного прибора.

В нашем случае это соответствует 18 mS (18 миллиСименс);
Xc3 - реактивное сопротивление конденсатора С3 (1/2Пf C3);
Xc4 - реактивное сопротивление конденсатора С4 (1/2Пf C4);
R1max - максимальное динамическое сопротивление кварцевого резонатора = 150 Ом.

Принимаем Xc3 = Xc4, тогда

Для частоты 10 МГц значение С3 = С4 будет

С3 = С4 = 1/( 2Пf × ХС4) = 123,3 рF

Выбирая значение конденсатора из стандартного ряда, получаем С3 = С4 = 120 рF.

Нагрузочная емкость этих конденсаторов составляет С3посл С4 = 1/(1/С3+1/С4) = 60 рF. Для гарантированного возбуждения генератора на желаемой частоте резонатор должен быть нагружен емкостью, не превышающей 20 рF (для выбранного кварца).

Это означает, что каждый из конденсаторов С3 и С4 должен быть не более 40 рF. В результате необходим очень большой дополнительный избыток крутизны (Rвх + R1 max), который может быть вреден для получения минимального шума генератора.

Предпочтительнее ставить добавочный конденсатор (С5). В данной схеме достаточно чтобы С5=30 рF.

Прямой (выв. 8) и инверсный выход (выв. 5) с открытым коллектором обеспечивают дифференциальный выход. Втекающий ток через каждый вывод до 2,5 mА. Высокочастотный дроссель или резистор на каждом из этих выводов должны быть однотипны. Имейте ввиду, что нагрузочный резистор величиной более 100 Ом вызывает чрезмерное понижение напряжения. Для 50-омной нагрузки несимметричный выходной уровень составляет - 6 dВm (320 mVp-p) с высокочастотным дросселем и около - 13 dВm (140 mVp-p) для 50-омного подтягивающего резистора.

На рис. 2 представлена упрощенная модель генератора. Для частоты, представляющей интерес, показана однопортовая модель схемы для вывода "TANK".

Рис. 2. Упрощенная модель схемы генератора

Резонансный контур, связанный с выводом "TANK" должен иметь импеданс, который является дополнением к контуру микросхемы генератора. Положительная действительная часть резонансной схемы должна быть не более ½ отрицательной действительной части импеданса микросхемы. То же самое требование касается реактивной части колебательного контура, который по знаку является обратным реактивному компоненту микросхемы, приведенному к выводу "TANK".

После запуска отрицательное сопротивление генератора уменьшается, главным образом, вследствие нелинейности амплитудной характеристики и достигается баланс с вещественной частью (схема без потерь) колебательного контура. Создание резонансного контура перестраиваемого реактивным сопротивлением (например, использование варакторного диода) позволяет изменять частоту колебаний до тех пор, пока генератор имеет отрицательное сопротивление. На рис. 3 представлена схема генератора, в колебательном контуре которого используется варакторный диод, управляемый напряжением (генератор, управляемый напряжением - VCO).

Рис. 3. 10 МГц-генератор, управляемый напряжением, с LC-резонатором

Отрицательное сопротивление микросхемы, приведенное к выводу "TANK" может быть оптимизировано для желаемой частоты надлежащим выбором конденсаторов обратной связи С3 и С4.

На рис. 4а и 4в представлены диаграммы Смита, где показан импеданс микросхемы на соответствующих частотах при указанных номиналах элементов контура.

Рис. 4. Комплексное сопротивление генераторной схемы в зависимости от частоты

На рис. 5 показана электрическая модель резонансного контура.

Рис. 5. Электрическая модель колебательного контура для генератора на MAX2620

Согласно этой модели резонансная частота может быть рассчитана по формуле:

(1)

Rn отрицательная вещественная часть полного сопротивления устанавливается с помощью С3 и С4 и рассматривается по формуле:

(2) где: g = 0,018 mS

Используя модель на рис. 5, можно рассчитать элементы схемы для генерации на частоте 900 МГц. Возьмем катушку с индуктивностью L1=5нГн±10% и добротностью Q=140. Вычисляем Rp=Q×2π×f×L1/

Используя уравнение (1), найдем емкость варактора C_DL , когда к нему приложено половинное напряжение управления (среднее значение емкости варактора).

Принимаем следующие значения:

Cstray=2,7 pF, C17=1,5 pF, C6=1,5 pF, C5=1,5 pF, C3=2,7 pF и C4=1 pF.

Cstray было получено опытным путем в изделии MAX 2620EV kit.

Значения С3 и С4 выбраны такими, чтобы минимизировать Rn (уравнение 2) и не перегрузить резонансную схему чрезмерной емкостью.

Величина емкости варактора должна учитывать желательный диапазон настройки. Необходимо, чтобы в диапазоне настраиваемой частоты Rp<1/2Rn.

Керамический резонатор или катушка индуктивности должны иметь высокую добротность Q. Для увеличения до предела добротности Q необходимо сохранить емкость С5 и С17 с минимальными значениями, насколько это возможно, при поддержании и настройке желаемой частоты. Есть много статей на тему построения генератора. Отличная статья "The Oscillator as a Reflection Amplifier, an Intuitive Approach to Oscillator Design, by John W.Boyles. Microwave Journal, June 1988, pp 83-98".

MAX2620 имеет два выхода. Один выход, который генерирует - 2 dBm на 50-омную нагрузку, управляет смесителем гетеродина. Другой выход, генерирует - 12,5 dBm также на 50-омную нагрузку, управляет синтезатором частот с фазовой синхронизацией через предварительный делитель радиочастоты.

Как выход OUT, так и OUT - это транзисторы с открытым коллектором, которые необходимо подключить к шине питания через внешние компоненты. Для снятия максимальной мощности выход OUT микросхемы подключают через индуктивность как показано на рис. 1 или 3. Выходной импеданс схемы и импеданс нагрузки должны быть согласованы. В таблице 1 указаны рекомендованные импедансы нагрузки на выводы OUT и OUT для максимальной передачи мощности сигнала.

Таблица 1

Частота (МГц)	Действительная часть компоненты R [Ом]	Мнимая часть компоненты X [Ом]
250	106	163
350	68	102
450	60	96
550	35	79
650	17,5	62,3
750	17,2	50,6
850	10,9	33,1
950	7,3	26,3
1050	6,5	22,7

При монтаже схемы надо стремиться к максимальному снижению паразитных емкостей, линии связи должны быть минимально возможными, а чип элементы не более размера 0805.