如何设计一个高达 200 MHz 的廉价正弦波发生器?

电器工程 射频 振荡器 高频 dds 压控振荡器
2022-01-07 04:20:48

我想为我正在设计的天线分析仪制作一个便宜的宽带振荡器。我想要一个宽频率范围内的简单正弦波。我不想使用像AD9851这样的 DDS IC,因为它很贵而且感觉有点矫枉过正。

我在看SI5351A,它将产生一个高达 200 MHz 的 50 ohm 方波时钟。

我想将该方波输出转换为 1 MHz - 200 MHz 范围内的正弦波。最简单和最便宜的方法是什么?

想到的两个想法是

  1. 两个级联运算放大器集成器,使用OPA355或其他东西
  2. 一系列低通滤波器,可过滤除基波以外的所有内容,覆盖整个频率范围。例如,截止频率为 2、4、8、16、32、64、128 和 256 MHz 的滤波器?随着频率的升高,8 端口模拟开关将切换到正确的滤波器。这看起来像很多过滤器,但所有这些组件都是纯无源的,并且具有相对宽松的容差。

使用时钟发生器 IC 的方法有意义吗?如果是这样,哪些滤波器最适合将输出转换为正弦波?谢谢。

2个回答

您使用开关低通滤波器传递方波基频的第二个想法是在许多商用射频信号发生器中的实现方式。这确实取决于您希望正弦波有多干净。使用这种技术的经济版本来获得优于 40dB 的典型值、30dB 保证的谐波抑制是相当困难的,但这种水平对于许多用例来说已经足够了。

您可以使用几种技巧来降低成本和简化设计。

第一种是使用半倍频程的滤波器,至少对于较高的频率。虽然方波名义上没有偶次谐波,但对于具有不对称性和突破的实际设备来说,这会导致明显的二次谐波。在一些适当的低频下,您可以进入八度频带。

接下来是使用低阶椭圆设计的滤波器,它提高了过渡带的陡度,但代价是在更高频率下“回归”。

接下来是安排级联,使最高频率(因此您可能具有最低功率和最低增益的频率)通过最短、损耗最小的路径,并且随着频率的下降,您可以添加更多部分。在级联开始时,精心设计的固定 256MHz“屋顶”滤波器将处理 192MHz 滤波器的回归,这两个滤波器处理 128MHz 滤波器,依此类推。

接下来是通过使电流通过 PIN 二极管来切换滤波器,这比使用其他切换技术更便宜、更容易。偏置电流通过滤波器串联电感,因此在滤波器级联中特定点的偏置会打开滤波器的正确部分,而其余部分则关闭。

最后是只将滤波器降低到某个合理的频率,并使用 DDS 和单个低通滤波器一次性完成底部频率范围。

如果您准备使用切换式滤波器组,您不妨考虑使用切换式 colpitts 正弦波振荡器组。一个晶体管将为您提供足够好的正弦波并添加几个变容二极管,您可以在大于 2:1 的范围内对频率进行简单的直流电压控制,即一个 colpitts 电路为您提供 100 MHz 至 200 MHz(加上与下一个)。

因此,8 个晶体管振荡器就可以完成这项工作,并且正弦波纯度会好于我所说的 5% 左右。这是我最喜欢的 colpitts 振荡器配置:-

在此处输入图像描述
(来源:radio-electronics.com

我建议你使用一个 5 GHz fT 的晶体管让它在 200 MHz 下工作。BB171 目前可用作变容二极管,具有非常好的 22:1 调谐比。这个调谐比意味着频率比22这可能超过 4:1,但如果你能从一个简单的 colpitts 振荡器设计这个范围并获得低失真和幅度稳定性,你将非常有才华。

要提高质量,您可以将输出馈送到HMC700小数 N 锁相环,并以这种方式(使用 SPI)获得频率和稳定性控制;因为您一次只能选择一个振荡器,所以单个 HMC700 应该可以在整个范围内完成这项工作。

可以使用 pin 二极管选择 8 个信号之一,但使用HMC544A之类的 RF 模拟开关可以减少脑痛。会有其他人,但您需要找到具有高隔离能力的人。

您也许还可以使用模拟开关来选择覆盖整个频率范围的一堆电感器 - 这将是一项成就,因为会有杂散和泄漏电容问题,但是,我想得越多,我认为你可以得到至少 5:1 的频率范围来自一个 colpitts 振荡器和一对开关的电感器。这将使振荡器的数量减半。值得考虑。