Horloge à 400MHz pour l’ AD9951

Horloge à 400MHz destinée à l’analyseur de réseau 150MHz.

Un oscillateur à quartz à 80MHz pilote un « buffer » NC7WZ16

Un filtre passe bande à 400MHz, sélectionne la cinquième harmonique.

Ce filtre est réalisé avec 4 résonateurs, ces résonateurs sont réalisés avec des traces de circuits imprimés et des condensateurs CMS.

Le condensateur C5 et l’inductance de la ligne entre le NC7WZ16 et le premier résonateur, forment un circuit résonant série accordé sur 400MHz. La valeur de C5 doit être ajustée pour avoir une amplitude maximale sur les sorties 400MHz (l’accord n’est pas critique).

Le filtre a été mis au point avec le logiciel « freeEM3DS« .

Cette horloge sert à alimenter deux circuits AD9951. La liaison entre l’horloge et les AD9951, s’effectue à l’aide de deux câbles coaxiaux d’impédance caractéristique 50 ohms ou 75 ohms.

Le filtre est réalisé avec du circuit imprimé d’épaisser 1,6mm. Le matériau est du FR4.

Vue de dessus du filtre

Au dessus du filtre doit être installé un couvercle, la distance entre les traces des résonateurs et le couvercle est de 10mm. L’amplitude du signal sur les sorties 400MHz, ne dépend pas de la présence ou non du couvercle.

Sur le circuit imprimé on aperçoit une empreinte de circuit intégré destiné à un diviseur 74AC161; n’étant plus nécessaire dans notre application, on l’a retiré.

Les condensateurs d’accord des résonateurs sont en fait constitué de trois condensateurs en boitier 0805, mis sur le champ.

L’oscillateur à quartz (n’étant pas un modèle pour le montage en surface) a été mis du coté du plan de masse.

Chaque extrémité des résonateurs est reliée au plan de masse par deux petits fils de diamètre 0,6mm.

La liaison entre le premier résonateur et le condensateur C5, s’effectue du coté du plan de masse, par un petit fil isolé téflon. Le diamètre du conducteur est 0,4mm, le diamètre de l’isolant est de 0,7mm.

La sortie sur le quatrième résonateur s’effectue du coté du plan de masse. Un petit fil de diamètre 0,4mm relie le résonateur à une petite pastille de circuit imprimé d’épaisseur 0,8mm et qui est placée du coté du plan de masse. On évite ainsi de trop perturber le plan de masse sous le résonateur.

 

Vue de dessous du filtre

Sous le petit fil rouge (à l’entrée du premier résonateur), une petite feuille de cuivre assure la continuité du plan de masse.

Sous le quatrième résonateur, la sortie se fait sur une petite pastille de circuit imprimé d’épaisseur 0,8mm. Contrairement à ce que la photo semble montrer, il n’y a pas un grand trou rond dans le plan de masse, ce que l’on voit c’est l’isolant de la pastille de circuit imprimé rapportée.

 

Mesures

Avec une résistance de charge de 56 ohms sur chacune des deux sorties, l’amplitude du signal en sortie est de 500mV crête à crête.

Si on ne dispose pas d’un oscilloscope permettant de mesurer le 400MHz, on peut fabriquer un petit détecteur avec une diode schottky (du genre HSMS2822), un condensateur CMS de 100nF et un voltmètre d’impédance 10M? . Pour étalonner notre détecteur on peut utiliser une simulation avec le logiciel LTspice par exemple. On peut aussi l’étalonner avec un générateur sinusoïdal et un oscilloscope (à une fréquence plus basse). Si on utilise une diode HSMS2822 et des liaisons courtes, la bande passante de ce détecteur est de plus d’un GHz.

L’amplitude peut être augmentée si on augmente la valeur des résistances de charges.

On peut aussi augmenter un peu l’amplitude en mettant en parallèle les deux « buffers » du NC7WZ16.

Si on n’utilise qu’un seul « buffer » du NC7WZ16, l’entrée non utilisée peut être mise à la masse (au lieu de la relier à l’autre entrée; en mettant l’entrée a la masse, on réduit ainsi la puissance dissipée dans le NC7WZ16).

Pour avoir une énergie maximale dans les harmoniques impaires, et le moins possible dans les harmoniques paires, le rapport cyclique du signal à l’entrée du filtre doit être de 50%. On peut quelquefois ajouter une résistance de « pull up » ou de « pull down » à l’entrée du « buffer » pour améliorer un peu le rapport cyclique.

N’ayant pas d’analyseur de réseau pouvant fonctionner dans cette plage de fréquence, il n’est pas facile de mesurer la courbe de réponse du filtre.

Il serait intéressant de mesurer en sortie du filtre, le niveau du 80MHz et des harmoniques 2, 3, 4, 6 et 7. N’ayant pas d’analyseur de spectre on doit se contenter d’une observation à l’oscilloscope.

Dans le but de déterminer le niveau des harmoniques 2, 3, 4 présentes dans le signal à 400MHz, on a réalisé un filtre pour rejeter le 400MHz.
Avec deux stubs séparés par une ligne, on affaiblit très fortement le 400MHz sans atténuer les autres harmoniques (d’après une simulation).
Les stubs et la ligne ont une impédance caractéristique de 75?, les stubs sont ajustés avec un condensateur ajustable de quelques pf

Ce que l’on observe alors à l’oscilloscope , ce ne sont pas les harmoniques que l’on recherchait mais la radiodiffusion FM autour de 100MHz et qui est capté par nos cables de mesure. Le niveau du signal à 100MHz est à environ 55dB en dessous du niveau de sortie du 400MHz . Pour pouvoir mesurer réellement les harmoniques il faudrait enfermer tous nos câbles de mesure dans une boite pour se protéger de la FM.

Cette horloge fonctionne bien pour notre application dans l’analyseur de réseau 150MHz.

 

Simulation de la réponse du filtre avec le logiciel freeEM3ds

Le circuit imprimé sous la forme d’une image au format pdf : filtre_400MHz.pdf

Comme pour l’analyseur de réseau, le circuit imprimé a été réalisé par la méthode du transfert de toner (avec un fer à repasser).