마이크로파 발진기 이론

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마이크로파 발진기 이론에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론

2. 발진기의 기본 동작 개념

3. 일반적인 발진기 topologies

4. 발진기의 등가 모델

5. 발진기의 중요 사양

6. RF/마이크로파 발진기 예제

7. 결론

본문내용

적 관계를 설명하기로 한다.
정궤환 개념을 이용한 발진기는 기본적으로 2극(pole) 소자에 대한 설명인데
이러한 발진기는 부하와 연결된 한쪽 포트를 끊어서 보면 1포트 소자로 볼 수 있고 1포트 소자는 등가적으로 부성저항 발진기로 볼 수 있기 때문에 정궤환 발진기는 부성저항 발진기로 해석이 가능하다.
그림6 정궤환과 부성저항의 물리적 관계
부성저항발진기는 RF/마이크로파 대역에서는 부성저항 개념을 이용하여 설계하는 것이 용이하다.
그림6에서 앞부분(앰프와 공진기 루프)은 2폴 소자를 이용한 정궤환 발진기이다. 이 정궤환 발진기를 한쪽 포트를 끊어서 들여다보면 공진기 루프 부분은 하나의 부성저항을 갖는 발진기로 볼 수 있다.
그림7 정궤환과 부성저항의 수학적 관계
앞에 설명한 정궤환과 부성저항 발진기에 대한 정상적인 설명을 수학적 관계를 설명한다.
좌측 그림은 1포트 소자를 이용한 부성저항 발진기의 회로도인데 여기서 부성저항으로 들어오는 신호 an과 반사신호 bn의 관계를 나타내는 반사계수는 다음과 같다.
입력반사계수:
부하로 들어오는 신호 al과 반사신호 bl의 관계를 나타내는 반사계수는 다음과 같다.
부하반사계수:
이러한 반사관계를 나타낸 것이 좌측의 신호흐름도 이다.
입력에 해당되는 an과 출력 al의 관계를 나타내는 전달함수는 다음과 같이 표현된다.
은 소신호잡음(입력)을 나타내며 은 증폭신호(출력)이다.
앞의 정상상태 전달함수에서 정상상태 발진을 하기 위해서는 분모가 0이라야 한다. 그러기 위해서는 소자 반사계수와 부하 반사계수의 곱이 1이 되어야 한다.
위의 부하반사계수와 부성저항 소자의 반사계수를 대입하면 최종적으로 다음 식을 구할 수 있다.
소자의 저항과 부하저항의 합이 0, 소자의 리액턴스와 부하이액턴스의 합이 0되어야 한다는 두 조건이 요구된다. 그러므로 부성저항 개념을 알을 수 있다.
4. 부성저항 발진기의 graphical 해석
부성저할 발진기는 소자(device)를 들여다 보는 임피던스 Zin이 있고 부하임피던스Zl이 있다. 여기서 미소신호로 출발해서 정상상태에 이르는 과정을 다음과 같다.
-->
-->
두 저항의 합이 0보다 작아야 하고 두 리액턴스의 합이 0이 되어야 한다는 조건에서 출발하여 신호가 커가면서 최종적으로는 두 저항의 합이 0이 되고 두 리액턴스의 합이 0이 되어야 하는 조건을 만족해야 한다.
그림8 부성저항 발진기의 graphical 해석
이 경우 시작하는 A는 작고 시작하는 주파수는 어떤 곳에서 시작할 수 있겠지만 최종 정상적인 상태에서의 A0는 점점 커져서 어떤 값이 될 것이고 ω0도 처음의 ω와 다른 값이 된다. 여기서 A0와 ω0를 구하기 위해 (우측 그림에서)graphical 해석방법이 있다. 능동소자를 들여다본 입력임피던스에 음의 부호를 붙인 것(-Zin(A)을 그린다. 이 크기는 일반적으로 능동소자의 경우 신호크기A만의 함수로 주어지고 부하의 경우는 일반적으로 수동소자이기 때문에 신호의 크기보다는 주파수 함수이다.
그림에서 보면 처음 시작하는 신호가 작을 때는 부성저항값이 크게 시작되고 신호의 크기가 커지면서 부성저항은 작아지고 있다.
한편 부하의 경우 주파수가 낮을 경우에는 부하의 리액턴스가 작다가 주파수가 커지면서 부하의 리액턴스가 올라가는 것을 볼 수 있다.
처음 시작하는 작은 신호의 발진이
점점 커지면서 하향 변화하고 낮은 주파수에서 시작했던 리액턴스가 주파수가 커지면서 올라가게 되며 두 점이 만나는 점에서 정상상태발진이 형성된다.
이러한 graphical한 해석은 발진기를 정상적으로 이해를 하는데 많은 도움이 된다.
-지금까지는 발진기란 무엇인가 발진기를 어떤 식으로 봐야 하는가에 대한 기본적인 개념에 대해 설명했다. 지금부터는 앞의 개념을 이용하여 구체적인 회로를 어떻게 설계할 것인가에 대해서 설명하기로 한다.
3.2. 2포트 소자를 사용한 일반적인 발진기 topologies
2포트를 이용하는 방법 중에는 직렬궤환과 병렬궤환을 이용하는 방법이 있다.
(1) 직렬궤환회로
아래 그림에는 2포트?증폭기가 있고 증폭된 신호 일부분을 궤환회로를 통해서 입력측으로 반복 입력되면서 발진된다. 이 때 궤환회로를 T형으로 구현하는 것이 직렬궤환이다.
이것을 완성하면 맨 아래 그림처럼 직렬궤환 회로가 된다.
그림9 직렬궤환회로
직렬궤환회로는 부하의 위치에 따라서 3가지 구조가 있다. 즉 부하를를 트랜지스터의 어느 단에 놓느냐에 따라 3가지 형태로 구분하고 있다.
첫 번째 그림은 게이트에, 두 번째는 드레인에, 세 번째는 소스에 달고 있다.
이와 같이 T형 궤환회로에서는 능동소자 각단에 임피던스를 직렬로 연결한다.
그림10 직렬궤환회로 3가지
병렬궤환을 이용한 토폴로지에서는 궤환회로를 구현할 때 π형 등가회로를 사용한다.
π형 등가회로를 이용한 발진기형태는 맨 아래 그림과 같다.
그림11 병렬궤환회로
직렬궤환처럼 부하의 위치를 어디에 두느냐에 따라서 3가지 형태로 구분하고 있다.
게이트, 드레인, 소스 등에 접속하고 있다.
그림12 병렬궤환회로 3가지
4. 발진기의 등가모델
발진기 등가 모델에는 직렬형과 병렬형이 있다.
(1) 직렬공진 모델
부하에서 들여다본 발진기 회로가 RLC 직렬형태이다.
발진기를 들여다 본 리액턴스는 일정한 음의 저항에서 주파수가 증가함에 따라서 리액턴스가 양으로 증가하고 있음을 볼 수 있다.
이 경우 발진기의 시작은 부성저항의 절대치는 부하저항 보다 커야하며 20%정도 크게 설정하는 것이 일반적 관습이다.
시작조건
또 앞에서 설명한 바와 같이 정상상태에서는 부성저항과 부하저항의 합이 0이 되어야 하고 리액턴스의 합도 0이 되어야 한다.
정상상태에서
그림13 직렬공진모델
(2) 병렬공진 모델
부하에서 발진기를 봤을 때 회로가 병렬RLC 형태이다.
발진기를 들여다 본 어드미턴스의 경우에, 일정한 음의 콘덕턴스에서 주파수가 증가함에 따라 서셉턴스가 증가하는 경우에 해당된다.
이러한 병렬공진 모델의 경우에는 발진을 시작하는 조건이 콘덕턴스가 부하의 콘덕턴스보다 20%정도 크게 요구되고 있다.
시작조건
또 앞에서 설명한 바와 같이 정상상태에서는 콘덕턴스의 합이 0이 되어야 하고 서

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마이크로,   발진기,   기초이론