Thảo
QuốcGia
Gia2015
2015về
về Điện
Điện Tử,
Truyền Thông
Thông
Tin Tin
(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
Tử, Truyền
ThôngvàvàCông
CôngNghệ
Nghệ
Thông
(ECIT
2015)

Thit K và Ch To B Dao ðng VCO Băng S
Rng Mt Octave
Nguyn Tn Nhân

B Môn Vô Tuyn, Khoa Vin Thông II,
Hc Vin Công Ngh Bưu Chính Vin Thơng cơ s Tp. H Chí Minh
Email:
Abstract—Bài vit này trình bày phương pháp thit k và ch to mt
b dao ñng ñiu khin ñin áp bng phương pháp phn x, hot

đng  băng S có đ rng mt octave2GHz ñn 4GHz. Mch s
dng transistor BJT cu hình cc base chung ni trc tip xung đt
đ to ngun ñin tr âm, kt hp vi diode bin dung gi vai trò như
b cng hưng. Ngun cung cp 12 Volts và 5Volts, mc ra nm
trong khong 14,5 dBm ñn 17,5 dBm và nhiu pha 60dBc/Hz cách
sóng mang 10kHz.

Power
supply

Resonator



I.

Active device

GII THIU

Matching net

ΓR

Các b dao ñng VCO là mt b phn khơng th thiu
trong các máy đo, ra đa và h thng thơng tin vơ tuyn như các
máy phân tích ph, phân tích mng vơ hưng, phân tích mng
vector, máy thu phát ña băng… Thách thc ln nht ñi vi
các k sư thit k các b dao ñng là ñ sch pha ñưc ñánh
giá bng ñ nhiu pha nht là các b dao đng VCO có di tn

hot đng rng, thưng hai ch tiêu này ngưc nhau. Trưc ñây
trong thit b truyn thng ñ ñt ñưc các mc tiêu trên, các
nhà sn xut thưng dùng dao ñng YIG – Yttrium Iron Garnet
– mt loi vt liu st t đc bit, khó ch to, kích thưc ln
nên giá thành rt cao dù chúng có đ tuyn tính tt.

ΓIn
Hình 1. Mơ hình mch dao đng đin tr âm.

II.

THIT K

Mơ hình dao đng phn x gm có các thành phn trình bày
trên Hình 1, khi cp ngun, phn t tích cc đ to ngun
đin tr âm, b cng hưng xác lp tn s dao ñng ca mch
và mng phi hp tr kháng ngõ ra. Nhm đt đưc di tn
trên, mi phép tính phi đưc thc hin ti tn s gia di:
f 0 = 2 × 4 = 2.828 MHz.

Trong bài này trình bày phương pháp thit k và ch to
mt b dao ñng VCO có di tn rng mt octave nhm khc
phc các yêu cu trên vi vt liu, linh kin thơng dng, kích
thưc nh và ñc bit là giá thành r.

ð mch dao ñng khi ñng ñưc phi tha ñiu kin sau
[3], [4]:

Dao ñng phn x thc cht là dao ñng s dng ngun
đin tr âm to ra t linh kin tích cc ñ bù li suy hao ca b

cng hưng ñã ñưc trình bày nhiu trong các tp chí chun
ngành; đc bit Silver J. P. [1]. Phương pháp thit k tn dng
ñc tính khơng n đnh ti ưu vn có ca linh kin tích cc
đưc chn ngay ti tn s thit k; ñng thi s dng cu hình
cc base chung trc tip ni ñt ñ nâng phm cht n ñnh
nhit ca mch. Mch cũng có vài hn ch như phi dùng
ngun đơi, nhiu pha và đ tuyn tính thp, tuy nhiên d dàng
khc phc các hn ch trên đưc trình bày trong phn kt lun.

Γ*R × Γ In ≥ 1,

(1)

*
R

trong đó, Γ là h s phn x liên hip phc ca b cng
hưng và Γ In là h s phn x ngõ vào ca phn t tích cc; 
đây chính là S11 .
Nói cách khác, ta có th vit li phương trình (1) như sau:

Γ*R ≥

1
1
= ,
Γ In S11

(2)


Mch ñưc xây dng trên tham s S tín hiu nh ca linh
kin, tuy nhiên vì s dng phn mm AWR [2], nên có th s
dng phương pháp cân bng hài đ mơ phng tuyn tính cũng
như phi tuyn.

hay biên đ S11 và S22 phi ln hơn và h s n ñnh K phi
nh hơn ñơn v, ñng thi ñ mch d khi ñng ti thiu biên
đ S11 ≥ 1, 2 [5].

Phn cịn li ca bài báo ñưc t chc như sau: trong phn
II, chúng tôi miêu t phương pháp thit k. Trong phn III,
chúng tơi thc hin các thc nghim và đo th. Cui cùng, các
kt lun ca bài báo đưc trình bày trong phn IV.

Mc đích to dao đng là làm cho linh kin tích cc hot đng
trong min bt n đnh ca chúng. Như vy phi xét hot ñng
ca linh kin  cu hình đưc chn có tha mãn hay khơng,
nu khơng, phi kt hp vi các linh kin th đng bên ngoài

102

ISBN: 978-604-67-0635-9

102


Thảo
QuốcGia
Gia2015
2015về

vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thơng
Thơng và
Thơng
TinTin
(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
vàCơng
CơngNghệ
Nghệ
Thơng
(ECIT
2015)

B. Phân tích phi tuyn
Phân tích tuyn tính ch cho bit hot đng gn đúng ca
mch dao ñng, ñ bit chính xác ph ngõ ra, h s nhiu
pha... chúng ta cn phân tích mơ hình phi tuyn bng phương
pháp cân bng hài. ðu tiên cũng dùng phn mm AWR ñ
xác ñnh ñim phân cc cho transistor như trên Hình 3. Các
đin tr =
R1 140  , R
=
120  kt hp vi các ngun
2


ñ ñưa linh kin vào vùng bt n đnh bng cách phân tích ma
trn tham s S tín hiu nh ca nó. Trong thit k này,
transistor 2SC4226 [6] ca CEL – California Eastern
Laboratories  ñưc s dng làm phn t tích cc đ to đin
tr âm,b cng hưng dùng hai diode bin dung BB833 [7] ca
Infineon ni ñu lưng nhau dùng ñiu khin tn s VCO.
A. Phân tích tuyn tính
T bng tham s S ca transistor  ñim phân cc
Vc = 10 (V), I c = 30 (mA); t đó chúng ta xây dng cu hình
BC cho transistor và s dng AWR mơ phng tuyn tính ta
nhn đưc kt qu cho các tham s S11 , S22 và h s  đnh K
như trên Hình 2. Trong đó ta thy =
S11 1.535 > 1 ,
S22 1.483 > 1 và K =
=
−0, 6733 < 1 có giá tr gn ti ưu ti
tn s 2,828GHz. Như vy phn t tích cc s dao đng nu
vào cc E ca nó mt b cng hưng thích hp và ngõ ra kt
cui R=
50  [1].
L

VC = 12 V và VE = −5 V , gii hn dịng và to đin th
VCE ≈ 10 V và I C = 29,8 mA .

Vì Γ R ≈ 1∠ − 82, 08 nên b cng hưng phi có tính thun
dung kháng đ cng hưng vi đin cm ngõ vào ca linh
kin tích cc; giá tr dung kháng xác ñnh trên Smith
chart 51, 76  . Giá tr t ñin tương ng:


C=

1.4

K() (R)
Linear

RES
ID=R1
R=140 Ohm

E
3

-0.7

0.6

OSCAPROBE
ID=X1
Fstart=1 GHz
Fend=5 GHz
Fsteps=200
Vsteps=30

CAP
ID=C5
C=1.09 pF


-1
1

2

3
Frequency (GHz)

4

Hình 2a. Biên đ S11 , S22 và K.

Power output (dBm)

2.828 GHz
-97.56 Deg

Ang(S(1,1)) (Deg)
Linear

1

2

DB(|Pharm(PORT_1)|)[*,*] (dBm)
OSC

2.828 GHz
16.92 dBm


15

5.656 GHz
8.683 dBm

10
5
0

8.484 GHz
-5.515 dBm

-5

Ang(S(2,2)) (Deg)
Linear

-200

VIA1P
ID=V4
D=0.8 mm
H=0.75 mm
T=0.017 mm
RHO=1

MSUB
Er=4.6
H=0.75 mm
T=0.017 mm

Rho=1
Tand=0.025
ErNom=4.6
Name=SUB1

Spectrum

20

0

-100

A

25

2.828 GHz
82.08 Deg

100

2

Hình 3. Mch dao đng tn s xác đnh 2.828 MHz.

S Ang

200


PORT
P=1
Z=50 Ohm

CAP
ID=C1
C=100 pF

1

VIA1P
ID=V5
D=0.8 mm
H=0.75 mm
T=0.017 mm
RHO=1

5

CAP
ID=C3
C=100 pF

RES
ID=R2
R=120 Ohm
SUBCKT
ID=S3
NET="NE85630/CEL"


-0.4

0.8

CAP
ID=C2
C=330 pF

IND
ID=L2
L=47 nH

IND
ID=L1
L=47 nH

-0.1

2.828 GHz
-0.6733

DCVS
ID=V1
V=12 V

B

1

CAP

ID=C4
C=1 pF

0.2

|S(2,2)| (L)
Linear

2.828 GHz
1.483

1.2

0.5

|S(1,1)| (L)
Linear

2.828 GHz
1.535

DCVS
ID=V2
V=5 V

C

S parameter

(3)


= 1, 09 ( pF ) .

Vì S11∠82.08 nên t (2) ñơn gin là ñt mt phn t cng
hưng ñ có h s phn x Γ R ≈ 1∠ − 82, 08 vào cc E
transistor thì mch s dao đng.

1.6

1
1
=
2π × f × X C 2π × 2828 × 106 × 51, 76

11.31 GHz
-7.677 dBm

-10
0

3
Frequency (GHz)

4

5

10
Frequency (GHz)


5

Hình 4a. Ph ngõ ra b dao đng.

Hình 2b. Pha tương ng ca S11 và S22 .

103

103

14


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Vì mơ hình ca diode bin dung thc hin  tn s thp, nên
các ñin cm ký sinh ca dây ni t chip diode ñn chân hàn
linh kin LS = 2, 2 nH , ñt ni tip vi ñin cm ngõ vào phn
t tích cc 2,9 nH kt hp vi đin cm l xun thơng [8]. Do
đó, đin cm toàn phn ca mch vào là

Phase_noise

10
0

Phase noise [dBc/Hz]

-20

-40

L∑ = 2,9 nH + 2, 2 nH + 0, 2 nH = 5, 3nH.

0.01 MHz
-59.38 dB

-60

Giá tr t cng hưng s là: 0,59 pF tương ng vi ñin th
phân cc cho hai diode 14,94 V.

-80

Mch cng hưng, phn t tích cc kt hp vi b mô
phng cân bng hài AWR to VCO hồn chnh đưc trình bày
trên Hình 6 (xem đu trang k tip) và Hình 7 cho kt qu mơ
phng di tn b dao ñng theo ñin th ñiu khin.

-100
-120
.0001

.001

.01
Frequency

.1


1

Kt qu trên Hình 7 cho thy tn s ngõ ra thay ñi t 1.921
MHz ñn 4.045 MHz khi ñin th ñiu khin bin ñi tương
ng t 6V ñn 35V. Quan h này tương đi tuyn tính vi
KVCO ≈ 70 MHz/V .

Hình 4b. Nhiu pha.

Sau khi ni t đin có giá tr 1,09 pF vào cc E và mô
phng. Kt qu trên Hình 4 là ph tn ngõ ra và nhiu pha ca
b dao ñng. Mc ñin ngõ ra ti thành phn căn bn
16,92dBm, hài bc hai 8, 683dBm , hài bc ba −5,515dBm
và nhiu pha 59,38 dBc t v trí lch sóng mang 10 KHz.

35 V
4.045 GHz

4
Frequency (GHz)

1
1
=
ω 2C (2π f ) 2 × C
1
=
(2π × 2828 ×106 ) 2 ×1, 09 × 10−12

V TUNE


5

Trong phn tip theo, ta tính tốn dao đng VCO có tn s
kim sốt bng diode bin dung. T mch dao ñng tn s c
ñnh, ñin cm ngõ vào tương ñương:

=
L

14.94 V
2.828 GHz

3

2
6V
1.921 GHz

(4)

OSC_FREQ()[*,X] (GHz)
OSC

1

≈ 2,9 ( nH ) .

6


Như vy, bây gi nu thay th t đin có giá tr xác đnh
bng diode bin dung ta s đưc mt b dao đng có tn s
kim sốt bng đin th VCO. ðng thi đ ci thin ñ tuyn
tính và gim ñin th ñiu khin; ta s dng cp diode bin
dung BB833 ni –lưng ñu lưng cho b cng hưng. Trên hình
Hình 5 là kt qu mơ phng ñin dung ca chúng theo ñin áp
ñiu khin.

16

Volts (V)

26

III.

THC NGHIM VÀ ðO TH

Capacitance (pF)

4

3

2

14.94 V
0.5865 pF
6V
1.367 pF


0
0

10

20
Voltage (V)

30

35

Hình 7. Tn s ngõ ra b dao ñng VCO theo ñin áp điu khin.

Linear Cv vs Voltage

5

1

(5)

40

Hình 8. Mch dao đng VCO thc t.
Hình 5. ðin dung theo đin áp ca hai diode BB833 ni –back to
back.

104


104


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

DCVS
ID=V2
V=5 V

CAP
ID=C4
C= 1 pF

DCVS
ID=V1
V=12 V

IND
ID=L1
L=47 nH

IND
ID=L2
L=47 nH

RES
ID=R1
R=140 Ohm


RES
ID=R2
R=120 Ohm
CAP
ID=C1
C=100 pF

100

RES
ID=R3
R=1 Ohm

PORT
P=1
Z=50 Ohm

C

E

SUBCKT
ID=S3
NET="NE85630/CEL"
3

2

B


SUBCKT
ID=S2
NET="BB833"

CAP
ID=C3
C=100 pF

CAP
ID=C2
C=330 pF

1

RES
ID=R4
R=10000 Ohm
200
200

DCVSS
ID=V3
VStart=14.94 V
VStop=14.94 V
VStep=0 V

A
OSCAPROBE
ID=X1

Fstart=1 GHz
Fend=5 GHz
Fsteps=200
Vsteps=30

SUBCKT
ID=S1
NET="BB833"
CAP
ID=C5
C=330 pF

MSUB
Er=4.6
H=0.75 mm
T=0.017 mm
Rho=1
Tand=0.025
ErNom=4.6
Name=SUB1

VIA1P
ID=V4
D= 0.8 mm
H= 0.75 mm
T= 0.017 mm
RHO=1

100


VIA1P
ID=V5
D= 0.8 mm
H=0.75 mm
T= 0.017 mm
RHO=1

Hình 6. Mch dao đng VCO rng mt Octve.

Bng 1: So sánh ch tiêu, kt qu mơ phng và thc nghim b dao đng.
Tham s

Ch tiêu

Mô phng

Thc nghim

ðơn v

ðin th ngun
VC
VE
VCONT

12 ± 0,5
5 ± 0,5
(635) ± 0,5

12

5
635

12 ± 0,5
5 ± 0,5
(635) ± 0,5

Volts

Dịng ngun

30

29,8

30,3

mA

Di tn

24

Cơng sut ngõ ra

16

16,92

13,4


dBm

Nhiu pha 10KHz

60

59,38

46,4

dBc/Hz

Hài

30

25,6

x

dBc

1,921 – 4,045

105

105

1,860 – 3,980


GHz


HộiHội
Thảo
Quốc
Gia
2015
và Cơng
CơngNghệ
NghệThơng
Thơng
(ECIT
2015)
Thảo
Quốc
Gia
2015vềvềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThơng
Thơng và
TinTin
(ECIT
2015)
Mch dao đng VCO đưc thc hin bng phn mm Sprint
layout trên nn FR4. Transistor 2SC4226 đóng trong v
SOT343, diode bin dung BB833 đóng v SOD323, các cun
cn cao tn RFC và t đin dáng kích thưc 0805. Hình 8

trình bày bo mch thc hin cui cùng trong đó kt hp mch
suy hao 10dB, lc thơng thp có tn s ct f cut −off = 4,5GHz
và mch MMIC ERA6, mc đích cách ly ti và bo đm mc
ra khong 40 mW.

Kt qu ño th di tn thp hơn mt ít so vi thit k
1860 MHz − 3980 MHz . Trên Hình 9 và 10, mc đin ngõ ra
ti tn s 2.828 MHz là 13, 4 dBm , vi suy hao ngoài 25dB ,
nhiu pha 46, 4 dBc/Hz ti v trí lch vi sóng mang
10 ( kHz ) . Các giá tri này thp hơn so vi giá tr mơ phng

Hình 10a. Nhiu pha ca mch dao đng.

tương ng 3,52 dB và 13dB .
Bng 1 (xem trang trưc) cho kt qu thc t ño ñưc so vi
ch tiêu kỳ vng và kt qu mơ phng.

I.

KT LUN

Tin trình thit k và thc hin mch dao ñng VCO băng
tn S rng mt octave đưc trình bày và kt qu đt thc
nghim ñưc: Di tn 1860 MHz − 3980 MHz tương ng vi
ñin áp ñiu khin thay ñi t 6 ( V ) − 35 ( V ) , mc RF ngõ ra
13, 4 ( dBm ) và nhiu pha 46, 4 ( dBc/Hz ) . So vi mc tiêu ñ
ra, kt qu đo đt thc t có di tn thp hơn kt qu mơ phng
4% do đin cm, đin dung ký sinh ca các đim hàn chân linh
kin khơng đưc đưa vào trong mơ hình. Mc RF ngõ ra thp
hơn giá tr mơ phng 3,5dB vì s dng vt liu nn FR4 có suy

hao tương đi ln δ = 0, 025 ; và cui cùng, diode bin dung có
h s phm cht thp R
=
3, 6  nên nhiu pha thp hơn
s
13dB so vi kt qu mô phng. ð khc phc ngun đơi ta có
th dùng mt chip đi đin đ to ra đin áp 5V t ngun
chính 12V và dùng ngun ñin áp quét ñưc sa dng bù s
phi tuyn ca tn s VCO theo đin áp điu khin nhm có đ
tuyn tính u cu. Tóm li, kt qu chính xác có th đt nu
có đưc vt liu, linh kin phù hp và mơ hình đưc xây dng
đy đ.

Hình 10b. Nhiu pha ca mch dao đng.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]

[6]
[7]
[8]

Hình 9. Ph ngõ ra.

106

106


TÀI LIU THAM KHO

Silver J. P. Reflection Oscillator Design Tutorial, www.rfic.co.uk, E
mail:
Cornelis J. Kikkert, RF Electronics Design and Simulation, James Cook
University, Townsville, Queenland, Australia, 2013.
Guillermo Gonzaler, Microwave transistor amplifiers Analysis and
design, 2nd Edition, Pretice Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey,
United State of America, 1984.
David M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd Edition, John Wiley &
Sons, Inc., New york, United State of America,1998.
Sebnem Seckin Ugurlu “Dielectric resonator oscillator design and
realization at 4,25GHz” ELECO 7th 2011 International Conference on
Electrical and Electronics Engineerng, pp 185188. 14 December,
Bursa, Turkey, 2011.
NEC’s NPN Silicon High Frequency Transistor, NE856 Series.
California Eastern Laboratories, 2005.
Silicon Tuning Diodes, Edition 20110615 Published by Infineon
Technologies, AG 81726 Munich, Germany.
Rowan Gilmore, Les Besser, Practical RF Circuit Design for Modern
Wireless Systems, Artech House, Inc., 685 Canton Street, Norwood, MA
02062, paper 373374, volume I, 2003.