Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 1, No. 2,  February 20 1 6 , pp. 294 ~  299   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v1.i2.pp29 4-2 9 9        294     Re cei v ed O c t ober 5, 20 15;  Revi se d Ja n uary 20, 201 6 ;  Accepte d  Ja nuary 31, 20 1 6   Design and Simulation for UHF Oscillator using SAWR  with Different Schematics      M. M. Elsherbini 1 *, M. F.  Elkord y 2 , A.  M. Gomaa 1 Dept. of Electrical En gin eeri n g, Shoubr a F a cult y   of Engin e e rin g , Benh a U n iversit y    Cairo, Eg ypt   2 Dept. of Communic a tions, F a cult y of Electr onic En gin eer i ng, Meno ufia U n iversit y   Menouf, Egy p *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : motaz.ali@fe ng.bu.e du.e g       A b st r a ct   Vario u s sche m atics for col p itts  oscillator  w i th fixed ultra-hi gh frequ en cy using eith e r  LC tank   circuits or o n e  port surface  acoustic w a ve  reson a tor  are p rese nted. F o ur circuits us e d  to ach i eve  4 33. 9   MH z   oscil l atin g frequ ency, T w o of them u s ing NP Bip o lar j uncti on tr ansistor, w h il e  the others  us in g   oper ation a l a m plifier w i th hi gh  speed, ga in a nd accu r a cy. A comp ariso n  b e tw een usin g passiv e  ele m e n ts   as a sourc e  of reson ance fre q uency a nd  usin g SAW   resonat or is intro duce d .Another c o mparis on b e tw ee n   usin g an  eq uiv a le nt lu mp ed c i rcuit inste ad  o f  SAW R pa cka ge i n  osci llator  desi gn is  also  introd uced. T w differentsoftw aretools are us ed  to achi eve   the  re quir ed  simulati on. Pro t eus an d ADS  toolsar e  us ed   i n   simulati on  w i th AC, S-par a m e t ers an d hy brid  si mul a tio n . T h is pa per  is co n s ider ed  a d i rec t  appl icati on fo r   SAW  resonator s in w i deba nd w i dth ASKT ransmitter / Recei v er.    Ke y w ords : os cillator, R e son a tor and SAW       Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h ts reser ve d .       1. Introduc tion   There i s  n o   doubt th at su rface  a c o u sti c   wave  devices  are n o applie d in  ba sic an importa nt  ap plicatio ns  a s  filters, sen s o r s, corr elato r s and  resonat o rs.SA W   re sonator i s   re cently  prefe r abl e th an crystal s  in  desi gn of  oscillators  as a freque ncy sel e ctive  comp o n ent.  It  can b e   use d  to a c hi e v e larg e scal e of freq uen cies from lo range  up to  G i gahe rtz [1 -2] .  Variou s typ e s   of oscillato rs  are  presente d  u s ing  different sch e ma ti c d e si gn  as g eneri c  o scillat o r,  clap,  Ha rtl e y,  VCO, colpitts, and  crystal   oscillators [3] .  In previou s   studie s , L C  t ank  ci rcuits  were  used d u e  to   its simpli city for desi gn, then crystal o scill ator s we re famously u s ed in orde r to its stability  according to  temperature  cha nge. Now SAW co m p onent a c hiev e more stabi lity than crystal   oscillator does.Many other features  of using SAW devices like its  mi nimum inserti on loss [4], low  co st an d fab r icatio n n o t complicated. I n  this  pap er,  a p r eviou s ly  model ed  of  one  port SA W   resonato r  i s  use d  in a fixed freq uen cy  oscilla tor  circuit [5].A pre v ious  work o f  using SA resonato r  in  VCO de sig n  i s  p r esented [ 6 ]. The aim o f  this pap er i s  to achi eve 4 3 3.9 MHz  col p itts  oscillator u s i ng SAW resonator  with h i gh q uality fa ctor. W also  intro d u c ed   a de sig n  fo the   oscillator using primarily LC tank  circuit s . In both cases, oscillator  is built with negative feedback  stru cture usi n g bipola r  jun c tion transi s to r or  ope ration al amplifier a s  sh own in Figure 1.         Figure 1: General Block  Di agram of Col p itts oscillator usi ng LC tank or SAWR  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Design and Sim u lation for UHF  Oscillat o r usi ng SAWR with Different… (M. M. El sherbini 295 2.  Oscillator Schematics and Simulation Results  In this se ction, variou schemati c  fo fixed frequ ency o scill ator of 433.9 2 MHz  are  introdu ce d.Th e main  criteri a  of o scill ator is t hat  a po rt ion of o u tput  being fe edb a c k to the i npu t.  The insertio n loss is ba si ca lly dependin g  on the oscilla ting freque ncy.    2.1.  Ordinar y  Oscillator Circuit Design  w i t h  BJT  Ordinary  desi gn of  colpitts  oscillator based on   simpl e   LC tank  circuitshown i n  Fi gure 2,   that co nne cte d  bet wee n  b a s and  colle ctor of B J T am plifier  o r  between output pi an in put  pi n   of operational  amplifier to  d e liver si ne  wa ve in  output.L C tan k  net wo rk fo rm a  ca p a citive voltag e   divider that control s  the oscillation frequency.           Figure 2. LC - Tank  Circuit of  ordinary colpitts oscillator      To a c hieve  o scill ator  at 4 33.9 M H z,  we u s e th e fol l owin g eq uati on for fre que ncy of  oscillation to  estimate valu es for L 1 , C1  and C2.    1 2 os c eq f L C          ( 1 )     12 12 * eq CC C CC                                       (2)    With simpl e  cal c ulatio ns, we assu med  equated val ues for b o th twocapa citors C1 and   C2 a nd  equ al 20pF,  so  at 4 33.92 M H z, the expe ct ed   value for th coil i s  1 3 .45n H we  can  de sign  a simple o r di nary ci rcuit for colpitt s  oscil l ator usi ng A D S is preced ed in Figu re 3 .         Figure 3. Sch e matic of ordi nary 433.9 M H colpitts o s cillator  with BJT     C1 C2 L1 ou t R R3 R= 1  k O h m p b _nec _2S C 4228_1 9921211 Q2 C C3 C = 10 p F C C4 C = 8. 0 pF C C5 C = 2. 0 pF Te r m Te r m 1 Z= 5 0  O h m Nu m = 1 R R5 R= 5 0  O h m C C6 C = 2. 0 pF R R4 R = 160 O h m V_ D C S RC1 V d c = 12 V R R2 R= 2  k O h m C C1 C = 1 nF C C2 C = 1 nF L L1 R= L= 0 . 269 nH Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  294 – 299   296 The AC Sweep response (Gain in dB ) of the  output waveform of  ordinary oscillator is  sho w n  in Fi g u re  4 a nd it i s  p r o c ed ure  usin p r oteu s tool. A ba nd  of fre quen ci es  between   420  MHz and 450 MHz i s  selected to  ensure  the oscillation frequency.  Figure 5 indi cate s the im peda nc e parameters (S -p ar am eters) fo r refle c ted tra n smitted   signal of the  oscillator and  it is procedure for the sam e  ci rcui t usi n g ADS tool. S m ith chart i s   also  obtaine d to indicate the ov erall im p edan ce of the oscil l ator ci rcuit.      Figure 4. AC sweep respo n se of L C   col p ittsoscillato r (Using Proteu s)            Figure 5. Smith chart and  S-par ameters response of LC colp itts oscillator  (Using ADS)      In order to sustain the osc illations, operational am plifier may al so be used with high  freque ncy a n d  negative a nd po sitive feedb ack rath er than B J T.  Another  co nfiguratio n with   OPAMP is bu ilt using ADS  and proteu sto o ls in the nex t section.     2.2.  Ordinar y  Oscillator Circuit Design  w i t h  OPAMP   The previo us tank ci rcuit  is re-used w ith High  spee d,  Low noi se  op eration a l a m p lifier a n negative fee dba ck to a c h i eve gain.Th e positive fe e dba ck (Ta n k  ci rcuit) is  adde d  to su stain   oscillation. Fi gure  6 indi ca tes 433.9 2 M H z o s cillato rwith the sam e  tank  circuit  param eters  bu with repla c in the NP N bipola r   ju ncti on  tran si sto r   with high  pre c isi on OP AMP.  Another  para m eter va lues sugg esti on fo C1,  C2 an d L 1  i s   cho s e n  to  achieve the  sa me fre q ue ncy of  oscillation.   We appli ed S-Para meter  si mulation u s in g ADS tool and Figure 7 reco rdin g S11  for th e   expecte d out put and i ndicate the maxi mum val ue at  approximate freque ncy  o 4 33.92  M H z (4 34  MHz).Smith chart  that re cord imp eda nce ci rcl e   is also monito re within   the same   figure.The  maximum of S11 is do wn wards d ue to negative feed back of ope ra tional amplifie r that inverts the   expecte d cu rves.    f r eq  ( 4 20 . 0 M H z   t o  45 0. 0M H z ) S( 1 , 1 ) In p u t R e f l e c t i o n  C o e ffi c i e n t 42 5 4 30 4 3 5 4 4 0 44 5 42 0 4 50 -2 0 -1 5 -1 0 -5 -2 5 0 fM H d B (S (1 , 1 ) ) R e v e r s e  T r an s m i s s i on ,  d B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Design and Sim u lation for UHF  Oscillat o r usi ng SAWR with Different… (M. M. El sherbini 297   Figure 6. Sch e matic of ordi nary 433.9 M H colpitts o s cillator  with O PAMP      Figure 7. Smith chart and  S-parameters of Oscillator      2.3.  SAW Localoscillator Ci rcuit using ECM and BJT  No w, the LC tank ci rcuit is repl aced  with  equival e nt circuit mo del of one p o rt SAW   resonato r  th a t  estimate d i n  [5]. To  ach i eve ap pr oxi m ately 12 62 4 Qu ality fact or,  so th se ries  parall e l re so nan ce with p a ram e ters estimated as   shown in Figu re 8. Applyin g  the AC sweep  simulatio n , we obtain si nu soid al wavefo rm sh own  in Figure 9. Sna p sh ot for the output sig nal  is  captu r ed  for a  small  fre quen cy rang e in  pr oof t he m a x/min  gain  occu rs  at the d e si g ned  freque ncy 43 3.9 MHz. Proteus u s ed t o  obtain the result. The value s  of C1, C3 and R1 are   cal c ulate d  to achieve the  same de sire d osc illating  freque ncy. S11 value for  usin g SAWR is   better than  simulated in Fi gure 5 u s in g tank  circuit.      Figure 8. Usi ng ECM for S A W re son a tor in local o scill ator de sign a nd BJT   S- Pa r a m e t e r  Si m u l a t i o n Li near  F r equenc y  S w eep L L1 R= L= 0. 269 n H C C2 C = 1 nF C C1 C = 1 nF R R1 1 R = 50 O h m D i s p l a y T em pl at e di s p t e m p 1 " S _P ar am s _ Q uad_dB _S m i t h " Te m p Di s p S_ Pa r a m SP1 S t ep= S t op= 450 M H z S t ar t = 420 M H z S- PAR AM ET ER S R R8 R = 2 k O hm Te r m Te r m 1 Z = 50 O h m Nu m = 1 Op A m p AM P2 V C C = 15 V VEE= - 1 5  V Z e r o1= P o l e1= BW = 1  M H z VO S= 0  V IOS = 0  A S l ew R a t e = 1e+ 6 CCo m = 0  F R C o m = 1 M O hm CDif f = 0  F R D i f f = 1 M O hm R out = 100 O h m CM R= G a i n = 100 dB R R1 0 R= 1  k O h m fr e q   ( 4 2 0 .0 M H z  to  4 5 0 . 0 M H z ) S( 1 , 1 ) I n p u t R e fl e c ti o n  C o e f fi c i e n t 4 2 5 4 30 43 5 4 4 0 44 5 42 0 4 5 0 -1 3 . 5 -1 3 . 0 -1 2 . 5 -1 2 . 0 -1 1 . 5 -1 4 . 0 -1 1 . 0 fr e q , M H z d B (S (1 , 1 ) ) m1 R e v e r s e T r a n s m i s s i on ,   d B m1 fr e q = d B (S (1 , 1 )) = - 1 1 . 1 4 3 Ma x 43 3. 9M H z Q1 2 S C 1 162 C2 2pF R1 16 0 L2 9 6 . 5 29u C? 0. 00 1 3 9 4 p C6 2. 11 2 p F R4 22 . 1 C2 ( 2 ) R2 2K C4 1u F R5 (2 ) R5 2k C1 10 p F C3 8p F Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  294 – 299   298     Figure 9. AC sweep respo n se of ECM - SAW oscillat o     2.4.  SAW Oscillator Based on  OPAMP using SAW  Resonator  In this se ctio n, another  co nfiguratio n of  SAW oscill ator u s ing on e port SAW re son a to instea d LC ta nk ci rcuit and  based o n  op eration a l am p lifier with hig h  gain. Figure 10 is for using  the eq uivalen t  circuit m ode l for  one  po rt  SAW resonat or,  while  Figu re  11 i n trod u c e s  e m bed de packa ge  co mpone nt in   ADS for SAW  re son a tor.  The  de sig n  is procedu re Referring   to   (SARCC4 3 3 M 92BXM0) S A WR  with eq uivalent circui t model of (L 1 = 96.52 9 u H , C2 = 0.001 394  pF, R4 =22.1  ohm and  C1  = 2.112 p F withqu ality fa ctorcal c ulate d  as 11 908 a c cordi ng to value s   of  equivale nt passive para m eters  of  SA W resonato r  [ 7 ]. The  clo s e d  loop  gai n  i s  de signe d  to  be   (2). Using   ADS  with s-para m eter simul a tion we  g o t Fi gure  12 -13.  5 0  ohm  termi n al impe dan c e  is  adde d for sim u lation. Th e o u tput obtain e d  from  usi ng  SAW re so nat oris relatively better tha n  th at  obtaine d fro m  passive L C  tan ks  circu i t of Figure  5. Figure 14, i s  a com p a r ati v e study of u s ing   LC tan k  circui t and SAW re son a tor on th e S11 param eter of the sa me oscillato r.        Figure 10. Using ECM for  SAW re sonat or in OPAMP oscillator d e si gn           Figure 11. 43 3.9MHz oscill ator usi ng fixed frequ e n c y SAWR    S- P a r a m e t e r  Si m u l a t i o n Li ne ar  F r equenc y   S w e e p D i s p l a y T em p l at e di s p t e m p 1 " S _ P ar am s _ Qu ad _dB _Sm i t h " Te m p Di sp S_P a r a m SP1 St ep= St op= 450  M H z St ar t = 420  M H z S - P A RA M E T E RS Po r t P2 Nu m = 2 Op Am p AM P 1 R C om = 1  M O hm CD i f f = 0  F R D i f f = 1 M O hm R o ut = 1 00 Oh m CM R= Ga i n = 1 00 d B Te r m Te r m 1 Z = 50 Oh m Nu m = 1 c R es SAW SA W r es 1 C p = 2 e- 12 F rs = 1  O h m f o = 433 . 9 2 M H z Q= 11 909 . 6 7 R R2 R= 2  kO h m R R1 R= 1  kO h m R R3 R= 5 0  O h m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Design and Sim u lation for UHF  Oscillat o r usi ng SAWR with Different… (M. M. El sherbini 299       Figure 12. S11 for OPAMP oscill ator u s i ng  ECM of SAWR  Figure 13. S11 of 433.9MHz oscillato r using  fixed frequen cy SAWR        Figure 14. S11 para m eter  while u s ing L C   tank circuit versu s   SAW  reso nator       3. Conclu sion   Some differe nt schemati c s for d e si gn  of 433. 92 M H colpitt s oscillatorare prese n ted in   this pa pe r.Both BJT a nd  O PAMP are  used in th e de si gn u s ing  eith er SAW re so nator  or  ordi n a ry  passive el em ents  (L C tan k   circuit). A D S and  pr ote u s  a r CAD tools used i n  pro c e dure t h e   desi gn sch e m atics  and  si mulation for  AC swee p an d S-pa ramete rs. U sin g  SAW re so nato r  lead for a  high  a c cura cy o scill ator  with mi nim  insertion  lo ss a nd  be st ga in. SAW  reso nator i n  the  b e st  choi se for o s cillator d e si gn  beca u se its stabilit y, high speed a nd fixed freque ncy o f  oscillatio n     Referen ces   [1]  GSM Galanda nci, KO E w a n s i ha. Des i gn An d Simul a tion O f  A 20 Khz  T o   50 Khz Vari abl e F r eque n c Oscillator (VFO).  Internation a l Journ a l of R e searc h  and  R e view s in App l i ed Scie nces (IJRRAS) . 201 3;   16(1): 24- 38.   [2]  S T homas, Z  Rácz, M Cole, JW Gardner.  High-fre q u e n cy One-p o rt  Colp itts SAW Oscillator fo r   Che m ic al S e n s ing.  Proc. of the Si xth Inter n ation a l C onfer ence  on Adv a nces in  Circu its, Electronic s   and Micr o-el ec tronics (CENIC S). 2013; 13- 1 7 [3]  AT Kabir. Voltage C ontrol l ed  O scillators Tune w i th BS T Ferroelectric  Capacit ors. Univers i t y  of   Color a d o  at Co lora do Spri ngs.  2012.   [4]  MM Elsherbini, MF Elkordy ,  A M   Gomaa. Ins e rtion  Loss Pre d ictio n  an d Mo nitori ng for SA W  Dela y-l i n e .   Internatio na l J ourn a l for   Res earch   in E m er gin g   Sci ence    and  T e chn o l o gy  (IJREST ) . 201 5; 2(9): 1 6 - 18.   [5]  MM Elsher bini, MF Elkordy ,   AM  Gomaa. S c attering P a ra meters pre d icti on for 4 33M H z  SAW w i t h   Minimum Ins e rtion loss.  T E LK OMNIKA Indon esia n Journ a l o f   Electrical  Engin eeri n g . 20 1 6 ; 17(1).   [6]  T  Yasuda, K Uchin o , S Izumi y a, T  Adach i , SS Senana yaka. 433 MHz   w i de-tu nab le  hig h  Q SAW   oscill ator.  Eur ope an F r eq ue ncy and T i me  F o rum & Internati ona l F r eque ncy Contr o l Symp osi u (EFTF/ IFC).  IE EE . 2013: 74 4- 746.   [7]  SAW  Resonat ors, SARCC4 3 3 M92B XM 0, http:// w w w . di gch i     4 2 5 4 30 4 3 5 440 44 5 42 0 4 50 -1 2 . 5 -1 2 . 0 -1 1 . 5 -1 1 . 0 -1 0 . 5 -1 0 . 0 -1 3 . 0 -9 .5 fre q ,  MH z d B (S (1 , 1 )) m1 R e v e r s e T r an sm i ssi o n ,  d B m1 f r eq= d B (S (1 , 1 ))= -1 2 . 9 1 9 Mi n 4 33. 9M H z 4 2 5 4 30 43 5 4 4 0 44 5 42 0 4 50 -1 4 . 0 -1 3 . 5 -1 3 . 0 -1 2 . 5 -1 2 . 0 -1 1 . 5 -1 1 . 0 -1 0 . 5 -1 0 . 0 -1 4 . 5 -9 . 5 f r eq,  M H z d B ( S (1 , 1 )) m1 R e v e r s e  Tr an s m i s s i on ,   dB m1 fr e q = d B ( S (1 ,1 )) = - 1 4 .0 3 1 Mi n 4 33. 9 M H z 42 5 4 3 0 43 5 4 4 0 44 5 4 2 0 450 11 . 5 12 . 0 12 . 5 13 . 0 13 . 5 11 . 0 14 . 0 -14 -13 -12 -11 -10 -15 -9 fre q , M H z LC   t an k   (R e d) SAW R   (B l ue ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.