omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2023-188-132-139UJETYFomna-224Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, APPLIANCE AND COMMUNICATIONSПроектирование термокомпенсированного кварцевого генератора в САПР Keysight ADSTemperature compensated crystal oscillator design in Keysight ADShttps://orcid.org/0000-0002-6394-9390ЛяшукА. Н.LyashukA. N.

Ляшук Алексей Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ.

Омск

AuthorID (РИНЦ) 742615

ResearcherID R-2812-2016

Aleksey N. Lyashuk - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Radio Engineering Devices and Diagnostic Systems Department, Omsk State Technical University (OmSTU).

Omsk

AuthorID (RSCI) 742615

ResearcherID R-2812-2016

pribor78@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6705-4255КосыхА. В.KosykhA. V.

Косых Анатолий Владимирович - доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ.

Омск

AuthorID (SCOPUS) 6701547176

ResearcherID G-5127-2013

Anatoliy V. Kosykh - Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean of Radio Engineering Devices and Diagnostic Systems Department, OmSTU.

Omsk

AuthorID (SCOPUS) 6701547176

ResearcherID G-5127-2013

avkosykh@omgtu.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation20233012202304132139Copyright © Ляшук А.Н., Косых А.В., 20232023Ляшук А.Н., Косых А.В.Lyashuk A.N., Kosykh A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/224

В статье предложен метод к проектированию термокомпенсированного кварцевого генератора в САПР Keysight ADS, который позволяет: исследовать условия возникновения автоколебаний в заданной схеме генератора; проанализировать температурно-частотные характеристики резонатора; сформировать требования к функции управления частотой; моделировать шумовые характеристики генератора; выполнить оптимизацию схемы по заданным параметрам. В отличие от известного численного проектирования термокомпенсированного кварцевого генератора в SPICE программах с последующим анализом результатов в математической программе, например, Mathcad предложенный метод позволяет исследовать форму колебаний, спектральную чистоту выходного сигнала, учитывать нелинейное влияние схемы и более тонкие эффекты.

The article proposes an all-embracing approach to designing a temperature compensated crystal oscillator in Keysight ADS CAD system, which allows: to investigate the conditions for the occurrence of self-oscillations in a given oscillator circuit; analyze the temperature-frequency characteristics of the resonator; form requirements for the frequency control function; simulate noise characteristics of the generator; optimize the circuit according to the given parameters. In contrast to the well-known numerical design of a thermally compensated crystal oscillator in SPICE programs with subsequent analysis of the results in a mathematical program, for example, Mathcad, the proposed method allows us to investigate the real shape of oscillations, the spectral purity of the output signal, take into account the nonlinear influence of the circuit and more subtle effects.

кварцевый генераторрезонатортермокомпенсацияСАПР Keysight ADSгенератор КолпитцаSPICE программаcrystal oscillatorresonatorthermal compensationKeysight ADS CADColpitts oscillatorSPICE programReferencesFrerking M. Crystal oscillator design and temperature compensation. New York: Van Nostrand, 1978. 241 p.Frerking M. Crystal oscillator design and temperature compensation. New York: Van Nostrand, 1978. 241 p. (In Engl.).Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. 2-е изд. Москва: Физматгиз, 1959. 916 с.Andronov A. A., Vitt A. A., Khaykin S. E. Teoriya kolebaniy [Vibration theory]. 2nd ed. Moscow, 1959. 916 p. (In Russ.).Евтянов С. И. Ламповые генераторы. Москва: Связь, 1967. 384 с.Evtyanov S. I. Lampovyye generatory [Lamp generators]. Moscow, 1967. 384 p. (In Russ.).Литвинов В. П. Инженерная методика анализа и расчета кварцевых генераторов // Научный вестник МГТУ ГА. 2011. № 171. C. 50–57.Litvinov V. P. Inzhenernaya metodika analiza i rascheta kvartsevykh generatorov [Engineer technique of the quartz generator analysis and calculation] // Nauchnyy vestnik MGTU GA. Civil Aviation High Technologies (Nauchnyi Vestnik MGTU GA). 2011, no. 171. P. 50–57. (In Russ.).Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. Москва: Связь, 1974. 272 с.Altshuller G. B. Kvartsevaya stabilizatsiya chastoty [Frequency stabilisation by quartz]. Moscow, 1974. 272 p. (In Russ.).Петров Б. Е., Романюк В. А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Москва: Высшая школа, 1989. 232 с.Petrov B. E., Romanyuk V. A. Radioperedayushchiye ustroystva na poluprovodnikovykh priborakh [Radio transmitting devices on semiconductor devices]. Moscow, 1989. 232 p. (In Russ.).Андреев В. С. Теория нелинейных электрических цепей. Москва: Радио и связь, 1982. 280 с.Andreyev V. S. Teoriya nelineynykh elektricheskikh tsepey [Theory of non-linear electrical circuits.]. Moscow, 1982. 280 p. (In Russ.).Макаренко В. Проблемы моделирования кварцевых генераторов в среде NI Multisim // Моделирование радиоэлектронных устройств. 2010. № 7. С. 43–49.Makarenko V. Problemy modelirovaniya kvartsevykh generatorov v srede NI Multisim [Quartz generator modelling problems in NI Multisim environment] // Modelirovaniye radioelektronnykh ustroystv. Modelling of Radio Electronic Devices. 2010. No. 7. P. 43–49. (In Russ.).Малышев В. В., Никитин А. Б. Моделирование автогенераторов в системах автоматизированного проектирования // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2016. № 1 (236). С. 15–22. DOI: 10.5862/JCSTCS.236.2. EDN: VUUBFH.Malyshev V. V., Nikitin A. B. Modelirovaniye avtogeneratorov v sistemakh avtomatizirovannogo proyektirovaniya [An oscillator designing using cad simulation] // Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti Sankt-peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta. Informatika. Telekommunikatsii. Upravleniye. Computing, Telecommunication and Control. 2016. No. 1 (236). P. 15–22. DOI: 10.5862/JCSTCS.236.2. EDN: VUUBFH. (In Russ.).Brendel R., Gillet D., Ratier N. [et al.]. Nonlinear dipolar modelling of quartz crystal oscillators. 2000. URL: https://www.researchgate.net/publication/228867063_Nonlinear_dipolar_modelling_of_quartz_crystal_oscillators (дата обращения: 15.05.2023).Brendel R., Gillet D., Ratier N. [et al.]. Nonlinear dipolar modelling of quartz crystal oscillators. 2000. URL: https://www.researchgate.net/publication/228867063_Nonlinear_dipolar_modelling_of_quartz_crystal_oscillators (accessed: 15.05.2023). (In Engl.).Addouche M., Brendel R., Gillet D. [et al.]. Modeling of Quartz Crystal Oscillators by Using Nonlinear Dipolar Method // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2003. Vol. 50, no. 5. P. 487–495. DOI: 10.1109/TUFFC.2003.1201461.Addouche M., Brendel R., Gillet D. [et al.]. Modeling of Quartz Crystal Oscillators by Using Nonlinear Dipolar Method // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2003. Vol. 50, no. 5. P. 487–495. DOI: 10.1109/TUFFC.2003.1201461. (In Engl.).Губарев А. А. Повышение эффективности моделирования кварцевых генераторов в схемотехнических САПР общего назначения // Омский научный вестник. 2003. № 2. С. 89–101.Gubarev A. A. Povysheniye effektivnosti modelirovaniya kvartsevykh generatorov v skhemotekhnicheskikh SAPR obshchego naznacheniya [Increase of quartz oscillator modelling efficiency in general-purpose circuit CAD] // Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2003. No. 2. P. 89–101. (In Russ.).Gubarev A. A., Kosykh A. V., Zavjalov S. A. [et al.]. SPICE simulation of high-Q crystal oscillators: single and dual-mode oscillator analysis // Proc. of the 2003 joint meeting IEEE IFCS and 17th EFTF. 2003. P. 606–614. DOI: 10.1109/FREQ.2003.1275160.Gubarev A. A., Kosykh A. V., Zavjalov S. A. [et al.]. SPICE simulation of high-Q crystal oscillators: single and dual-mode oscillator analysis // Proc. of the 2003 joint meeting IEEE IFCS and 17th EFTF. 2003. P. 606–614. DOI: 10.1109/FREQ.2003.1275160. (In Engl.).Gehring M. Fast crystal-oscillator-simulation methodology. 2005. URL: https://designers-guide.org/forum/Attachments/GEHRING_-_Fast_Crystal-Oscillator-Simulation_Methodology.pdf (дата обращения: 02.01.2023).Gehring M. Fast crystal-oscillator-simulation methodology. 2005. URL: https://designers-guide.org/forum/Attachments/GEHRING_-_Fast_Crystal-Oscillator-Simulation_Methodology.pdf (accessed: 02.01.2023). (In Engl.).Ratier N., Bruniaux M., Galliou S. [et al.]. A very high speed method to simulate quartz crystal oscillator // 19th European Frequency and Time Forum (EFTF). 2005. URL: https://www.researchgate.net/publication/29615543_A_Very_High_Speed_Method_to_Simulate_Quartz_Crystal_Oscillator (дата обращения: 02.01.2023).Ratier N., Bruniaux M., Galliou S. [et al.]. A very high speed method to simulate quartz crystal oscillator // 19th European Frequency and Time Forum (EFTF). 2005. URL: https://www.researchgate.net/publication/29615543_A_Very_High_Speed_Method_to_Simulate_Quartz_Crystal_Oscillator (accessed: 02.01.2023). (In Engl.).Ляшук А. Н., Завьялов С. А. Генератор на поверхностных акустических волнах с широкой перестройкой по частоте // Омский научный вестник. 2011. № 3 (103). С. 300–303. EDN: OPFKAF.Lyashuk A. N., Zavyalov S. A. Generator na poverkhnostnykh akusticheskikh volnakh s shirokoy perestroykoy po chastote [Surface acoustic wave generator with wide frequency tuning range] // Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2011. No. 3 (103). P. 300–303. EDN: OPFKAF. (In Russ.).Addouche M., Ratier N., Gillet D. [et al.]. ADOQ: a quartz crystal oscillator simulation software // 2001 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition. 2001. P. 753–757. DOI: 10.1109/FREQ.2001.956375.Addouche M., Ratier N., Gillet D. [et al.]. ADOQ: a quartz crystal oscillator simulation software // 2001 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition. 2001. P. 753–757. DOI: 10.1109/FREQ.2001.956375. (In Engl.).Крылов Н. М., Боголюбов Н. Н. Символические методы нелинейной механики в их приложениях к исследованию резонанса в электронном генераторе // Известия Российской академии наук. VII серия. Отделение математических и естественных наук. 1934. Вып. 1. С. 7–34.Krylov N. M., Bogolyubov N. N. Simvolicheskiye metody nelineynoy mekhaniki v ikh prilozheniyakh k issledovaniyu rezonansa v elektronnom generatore [Symbolic methods of Nonlinear Mechanics in their application to the study of resonance in the electronic generator] // Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. VII seriya. Otdeleniye matematicheskikh i estestvennykh nauk. Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR. Series VII. Class of Mathematical and Natural Sciences. 1934. Issue. 1. P. 7–34. (In Russ.).Крылов Н. М., Боголюбов Н. Н. Введение в нелинейную механику. Киев: Изд-во АН УССР, 1937. 364 с.Krylov N. M., Bogolyubov N. N. Vvedeniye v nelineynuyu mekhaniku [Introduction to non-linear mechanics]. Kiev, 1937. 364 p. (In Russ.).Rohde U. L. Harmonic Balance Method Handles Nonlinear Microwave CAD Problems // Microwave Journal. 1987. № 10. P. 203–210.Rohde U. L. Harmonic Balance Method Handles Nonlinear Microwave CAD Problems // Microwave Journal. 1987. No. 10. P. 203–210. (In Engl.).Горгадзе С. Ф., Максимов А. А. Теория гармонического баланса для схемотехнического проектирования // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Т. 14. С. 21–32. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-11-21-32. EDN: NVPJJN.Gorgadze S. F., Maksimov A. A. Teoriya garmonicheskogo balansa dlya skhemotekhnicheskogo proyektirovaniya [Harmonic balance theory for scheme technical design] // T-Comm: Telekommunikatsii i transport. T-Comm: Telecommunications and Transport. 2020. Vol. 14. P. 21–32. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-11-21-32. EDN: NVPJJN. (In Russ.).Specification. URL: https://datasheet.lcsc.com/lcsc/1912111437_NDK-EXS00A-CS11019_C280829.pdf (дата обращения: 02.01.2023).Specification URL: https://datasheet.lcsc.com/lcsc/1912111437_NDK-EXS00A-CS11019_C280829.pdf (accessed: 02.01.2023) (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.