Principe de fonctionnement.
Les téléphones portables opèrent dans la bande des 900 MHz, ils utilisent deux bandes de fréquence de 25 MHz de large espacées de 45 MHz, l’'une pour la voie montante 890-915MHz du mobile vers réseau, l'’autre pour la voie descendante 935-960 MHz du réseau vers mobile. Les portables utilisent une modulation numérique assez robuste (GMSK) avec code correcteur d'erreur et dispersion temporelle et fréquentielle de l'’information (FDMA/TDMA) ; la voie montante du téléphone peut atteindre une puissance de 1 à 2 Watts. Le brouillage sera le plus efficace sur la voie descendante : la perturbation sera donc portée sur le récepteur GSM. Un VCO balayera la bande de fréquences 935 à 960 MHz, la fréquence de balayage correspondra à celle du débit binaire des données soit environ 271 kHz. Le montage retenu est constitué d'un étage oscillateur dont la commande est issue d'un générateur de rampe basse fréquence.Analyse du montage.
Pour comprendre le montage, qui n'est pas des plus simple il faut reconnaître, il faut en premier lieu analyser son comportement statique : donc du point de vue du continu. Dans ce cas les selfs sont équivalents à des circuits fermés et les condensateurs des circuits ouverts. Le courant de la base du transistor est dérivé de la tension de collecteur. Une régulation est ainsi faite, en effet, une augmentation du gain en courant (hfe) augemente Ic (Ic#hfe.Ib) et diminue Vc, diminuant ainsi Ib.
Calcule du point de polarisation du transistor : Vbase=(Vcc-Vc)/2#4V Vbe=0,7Volts (régime linéaire du transistor) Vemetteur=4V-0,7V=3,3V Iemetteur=22mA Ie#Ic donc Vce#Vcc-2*3,3V=5,4V. Vce#5V et Ic#22mA.Deuxième étape : l'analyse hautes fréquences, c'est là que les choses se compliquent. L'oscillateur est construit autour d'un montage base commune, Lo et Co représentent le circuit résonnant principal connecté à l'émetteur, Rl est la charge externe dans laquelle la puissance est dissipée. L'inductance Lb située à la base du transistor génère une conductance qui pilote la résistance négative. Cb est une capacité de découplage qui évite de perturber la polarisation de la base.
Il est possible de démontrer que la valeur linéique d'une inductance imprimée est de 0,4nH/mm. Le logiciel libre Wcalc permet de vérifier cette valeur. La self de base faisant environ 10 mm de long sa valeur sera de l'ordre de 4nH, l'inductance de base est quant à elle un peu plus élevée. La capacité Co correspond à l'association de 10pf en série avec la diode varicap BB833 dont la capacité varie de 2 à 10 pF pour une tension de 0 à 10 Volts, soit 2pF
Ce montage est normallement anlysé par la méthode de la résistance négative, le circuit oscillant présente un facteur de qualité Q qui est fini, l'oscillation doit donc être entretenue par un apport d'énergie ; c'est le role du transistor et de l'inductance de base. Il faut regarder le coefficient de réflexion au niveau de l'émetteur.
Quelques précautions sont à prendre quant au choix de la capacité Cb : autour de la fréquence de résonnance, l'émetteur peut présenter une résistance négative sur la base, alors l'inductance de base peut résonner avec Cb formant ainsi un mode d'oscillations secondaire.
Fichier 'oscillateur.cir' pour opus-spice, la ligne de commande à éxécuter est "spice3 oscillateur.cir".
* Oscillateur RF à résistance négative * Trois parties : * - les paramètres de controle de la simulation * - les netlists des composants * - le circuit oscillateur .control tran 0.1ns 0.1us 0 0.1ns fourier 1 V(VOSC) plot v(VOSC) *plot v(A1)-v(A2) .endc .MODEL BFR93A NPN( + IS = 8.6752e-15 BF = 137.63 NF = 0.93633 + VAF = 20.011 IKF = 0.33395 ISE = 2.6193e-12 + NE = 1.5466 BR = 59 NR = 0.88761 + VAR = 26.834 IKR = 0.015129 ISC = 7.0823e-16 + NC = 1.95 RB = 7.2326 IRB = 4.3806e-05 + RBM = 3.4649 RE = 1.0075 RC = 0.13193 + CJE = 3.1538e-15 VJE = 0.70393 MJE = 0.5071 + TF = 3.3388e-11 XTF = 0.28319 VTF = 0.17765 + ITF = 0.0025184 PTF = 0 CJC = 1.0395e-12 + VJC = 0.72744 MJC = 0.34565 XCJC = 0.21422 + TR = 1.1061e-09 CJS= 0 VJS = 0.75 + MJS = 0 XTB = 0 EG = 1.11 + XTI = 3 FC = 0.75935) C_Co N33619 N33588 2pF I_I1 N33619 0 PWL(0us 0mA 0.1us 1mA 0.2us 1mA 0.3us 0mA) R_Rc +12V VC 150 R_Rb1 0 N33750 2k2 V_V2 -12V 0 -12V V_V1 +12V 0 12V Q_Q1 VC N33753 N33588 BFR93A R_Rb2 N33750 VC 2k7 C_Cb 0 N33750 470nF C_Cl VC VOSC 100pF R_Rl VOSC 0 50 L_Lb N33750 N33753 7nH R_Re N33588 0 150 L_Lo 0 N33619 5nH .endL'’étage construit autour du second transistor sert uniquement d’'étage tampon, c'est un émetteur suiveur dont l'objectif est d'améliorer le pulling/pushing, la charge de l’'oscillateur directement sur une antenne pouvant générer des instabilités. Il est possible d'ajouter en sortie un monolityc de type ERA 5 qui apporterait un gain supplémentaire de 20dB environ. La rampe qui attaque le circuit oscillant est générée à partir d'un astable à NE555. Partie un peu plus simple que la précédente... La consommation de l'ensemble des 2 transistos et du NE555 n'est pas énorme et permet une utilisation sur pile dans un environnementréduit.
Réalisation et mesures.
TODOGlossaire & documentation.
- Logiciel libre opus-spice, simulation analogique.
- Télécharger Pspice version démo étudients.
- Librairies de modèles de composants.
- Télécharger Wcalc (section : Obtaining Wcalc / sourceforge project).
- Le transistor bipolaire : principe, caractéristiques, montages.
- spice : syntax et principe du moteur.
GSM : Groupe Spécial Mobile puis Global System for Mobiles
TDMA : Time Division Multiple Access
FDMA : Frequency Division Multiple Access
GMSK : Gaussian Minimum Shift Keying
Modulation FSK précédée d'un filtre gaussien
VCO : Voltage Control Oscillator
Florent PORTELATINE, Chevilly Larue (94) - Paris le 19 décembre 2001.Version 0.2 de mai 2006.