Генератор, управляемый напряжением

 

Использование: в радиотехнике при создании интегральных микросхем для приемных станций спутникового телевидения. Сущность изобретения: генератор, управляемый напряжением, содержит транзисторы 1 - 9, резисторы 10 - 14, конденсатор 15, катушку индуктивности 16, источник смещения 17. В устройстве объединены функции высокочастотного и низкочастотного генераторов. Генератор обеспечивает повышение температурной стабильности частоты вследствие уменьшения влияния межэлектродных емкостей транзисторов и повышение устойчивости работы в диапазоне частот. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании интегральных микросхем для приемных станций спутникового телевидения.

Известен генератор, содержащий трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого имеют отводы от средних точек, первый и второй транзисторы, эмиттеры которых заземлены, первый и второй резисторы, конденсатор, выводы которого подключены к крайним выводам первичной обмотки трансформатора, и цепь смещения, выход которой подключен к средней точке вторичной обмотки трансформатора, коллекторы первого и второго транзисторов соединены с крайними выводами первичной обмотки трансформатора непосредственно, а их базы с крайними выводами вторичной обмотки соответственно через первый и второй резисторы, средняя точка первичной обмотки трансформатора подключена к источнику питания [1] При исключении конденсатора (его роль выполняют емкости база эмиттерных переходов транзисторов) известное устройство обеспечивает генерацию колебаний на частотах 200-700 МГц, причем изменением токов транзисторов можно эффективно перестраивать частоту колебаний. Однако устойчивая работа в таком режиме невозможна на частотах ниже 200 МГц.

Известно также устройство, содержащее первый десятый транзисторы, первый седьмой резисторы, конденсатор и диод, эмиттеры первого, второго и третьего транзисторов соединены с коллектором четвертого, базы пятого и седьмого транзисторов подключены к эмиттеру девятого, а базы шестого и восьмого к эмиттеру десятого, эмиттеры девятого и десятого транзисторов соединены с общей точкой через соответственно четвертый и пятый резисторы, а их коллекторы подключены к источнику питания, объединенные коллекторы пятого и седьмого транзисторов подключены к базе десятого транзистора непосредственно, а к источнику питания через первый резистор, объединенные коллекторы шестого и восьмого транзисторов подключены к базе девятого транзистора непосредственно, а к источнику питания через второй резистор, эмиттеры пятого и шестого транзисторов соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов и первым и вторым выводами конденсатора, эмиттеры седьмого и восьмого транзисторов через соответственно шестой и седьмой резисторы подключены к коллектору третьего транзистора, база четвертого транзистора соединена через диод с общей точкой, а через третий резистор с источником питания, его эмиттер с общей точкой, база третьего транзистора и объединенные базы первого и второго транзисторов являются дифференциальными управляющими входами генератора, управляемого напряжением, а эмиттеры девятого и десятого транзисторов его симметричными выходами [2] Известное устройство реализует схему симметричного мультивибратора и обеспечивает устойчивую генерацию колебаний на частотах, не превышающих 200-300 МГц, что не позволяет использовать ее в более высокочастотном диапазоне. При перестройке частоты изменяются как амплитуда переменных выходных сигналов, так и постоянные уровни на выходах, что затрудняет согласование устройства с нагрузкой, обычно фазовым детектором. Температурная стабильность схемы составляет примерно 0,1%/градус и определяется точностью подбора номиналов и температурных коэффициентов первого, второго шестого и седьмого резисторов, а также обратными коллекторными токами транзисторов.

Целью изобретения является повышение температурной стабильности частоты вследствие уменьшения влияния междуэлектродных емкостей транзисторов и повышение устойчивости работы в диапазоне частот.

Техническая сущность изобретения состоит в объединении функций высокочастотного и низкочастотного генераторов в одном устройстве. При этом в низкочастотном диапазоне реализуется схема симметричного мультивибратора с эмиттерной связью, а в высокочастотном диапазоне симметричная схема индуктивного генератора с коллекторно-базовыми связями. Перестройка частоты в обоих случаях осуществляется эмиттерными точками транзисторов, что позволяет сохранить крутизну управления постоянной.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предложенного генератора.

Он содержит первый девятый транзисторы 1-9, первый пятый резисторы 10-14, конденсатор 15, катушку индуктивности 16, источник смещения 17.

Работает генератор следующим образом.

При нулевом напряжении источника смещения 17 генератор термозависимого тока, образованный четвертым 4 и девятым 9 транзисторами и третьим 12, четвертым 13 и пятым 14 резисторами вырабатывает ток I₀= где U_be напряжение эмиттерно-базового перехода девятого транзистора 9; R_o величина сопротивления четвертого резистора 13.

Обычно площадь четвертого транзистора 4 при интегральном выполнении выбирается в четыре, а третьего в два раза больше площадей остальных транзисторов, так что при нулевом управляющем напряжении на базах первого, второго и третьего транзисторов 1, 2, 3 половина тока протекает через транзистор 3, а оставшаяся часть делится поровну между первым и вторым транзисторами 1, 2.

При работе в низкочастотном диапазоне величина индуктивности катушки индуктивности 16 выбирается достаточно большой WL >> R₁ R₂ где W рабочая частота; L величина индуктивности 16; R₁, R₂ величина первого и второго резисторов 10, 11.

За счет база-коллекторных связей между пятым и шестым транзисторами 5, 6 одна из пар транзисторов пятого и седьмого или шестого и восьмого закрыта, а другая открыта. При открытых пятом и седьмом транзисторах 5, 7 коллекторный ток первого транзистора 1 поступает в эмиттер пятого непосредственно, а ток второго через конденсатор 15. При заряде конденсатора 15 понижается потенциал шестого транзистора 6, и как только он достигает потенциала эмиттера пятого транзистора 5, равного примерно Е_пит 2 U_be, шестой транзистор 6 начинает открываться.

Появление коллекторного тока шестого транзистора 6 приведет к понижению потенциала пятого транзистора 5, в результате чего пятый и седьмой транзисторы 5, 7 закрываются. Теперь коллекторные токи первого 1 и второго транзисторов 1, 2 будут втекать в эмиттер шестого транзистора 6, перезаряжая конденсатор 15. Далее процесс повторяется.

Поскольку напряжение перезаряда равно примерно 2 U_bе, частота колебаний определяется выражением 2U_be= где Т и F соответственно длительность импульсов и частота колебаний.

Подстановка в последнее выражение значения тока дает F Как следует из последнего выражения, исключается основной источник температурной нестабильности частоты температурная зависимость напряжения база-эмиттерного перехода и рабочая частота определяются лишь величинами четвертого резистора 13 и конденсатора 15.

Остаточная нестабильность частоты не превышает по экспериментальным данным 0,05%/град. и связана с температурными зависимостями обратных токов коллекторов и коэффициента усиления транзисторов по току. Она может быть легко скомпенсирована введением постоянного смещения в эмиттер четвертого транзистора 4.

С учетом напряжения смещения для тока можно записать
I₀= + а его относительная температурная нестабильность становится равной
DI где D U_be и DI относительные нестабильности напряжения перехода и тока I_о;
Е_см и R величина напряжения источника смещения 17 и пятого резистора 14.

Изменением величины Е_см и R можно более чем на порядок снизить величину температурной нестабильности частоты колебаний.

При работе в высокочастотном диапазоне конденсатор 15 выбирается достаточно большим << R_вх, где R_вх входное сопротивление пятого 5 и шестого 6 транзисторов в схеме с общей базой.

Поскольку эмиттеры пятого и шестого транзисторов 5, 6 по переменному току объединены, совместно с катушкой индуктивности 16 они образуют схему симметричного LC-генератора. Частота колебаний такого генератора определяется величиной индуктивности катушки индуктивности 16 и емкости база-эмиттерных переходов транзисторов 5, 6. Величины емкостей зависят от токов, протекающих через транзисторы, так, что, как и в случае низкочастотного генератора, настройку средней частоты колебаний можно производить, изменяя четвертый резистор 13, а ее подстройку изменением управляющих напряжений на выходах ГУН.

Седьмой и восьмой транзисторы 7, 8, шунтируемые первым и вторым резисторами 10, 11, формируют внутреннюю нагрузку ГУН и обеспечивают стабилизацию амплитуды колебаний на уровне U_bе.

Допустимая величина резисторов определяется неравенствами
< R₁= R₂< где В коэффициент усиления транзисторов по току и составляет 200-1000.

Величина третьего резистора 1 выбирается из соотношения
R₃= где Е_пит напряжение питания.

При изготовлении ГУН в составе интегральной микросхемы конденсатор 15, катушка индуктивности 16, а также третий, четвертый, пятый резисторы 12, 13, 14 выполняются навесными, все остальные элементы выполняются по интегральной технологии.

Введение дополнительных элементов и связей в ГУН позволяет объединить положительные свойства аналога и прототипа и создать высокостабильный управляемый генератор, обеспечивающий устойчивую работу в диапазоне частот 30-700 МГц, что позволяет с помощью одной интегральной микросхемы обеспечить прием телевизионных сигналов, работающих в любом отечественном или зарубежном стандарте. Сокращение числа микросхем обеспечивает снижение их стоимости за счет увеличения массовости выпуска.

Использование термозависимого генератора тока позволяет получить весьма высокую температурную стабильность частоты, а при использовании подстройки смещения в эмиттере токозадающего транзистора нестабильность может быть снижена до 0,001%/град. и менее, что удовлетворяет требованиям наиболее жестких стандартов.

Формула изобретения

Генератор, управляемый напряжением (ГУН), содержащий первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых подключены к коллектору четвертого транзистора, база которого через первый резистор подключена к шине питания, пятый и шестой транзисторы, эмиттеры которых соединены с коллекторами соответственно первого и второго транзисторов, седьмой, восьмой и девятый транзисторы, при этом коллекторы пятого и шестого транзисторов через соответственно второй и третий резисторы подключены к шине питания, коллектор третьего транзистора подключен к шине питания, базы первого и второго транзисторов объединены и являются одним управляющим входом, а база третьего транзистора другим управляющим входом генератора, управляемого напряжением, отличающийся тем, что в него введен конденсатор, который включен между эмиттерами пятого и шестого транзисторов, катушка индуктивности, которая включена между коллекторами пятого и шестого транзисторов, источник смещения, который через введенный четвертый резистор соединен с эмиттером четвертого транзистора, пятый резистор, который включен между базой девятого транзистора и общей шиной, при этом эмиттер четвертого транзистора соединен с базой девятого транзистора, коллектор которого подключен к базе четвертого транзистора, эмиттер девятого транзистора подключен к общей шине, коллектор пятого транзистора соединен с базой шестого транзистора, коллектор которого соединен с базой пятого транзистора, эмиттеры седьмого и восьмого транзисторов соединены с коллекторами соответственно пятого и шестого транзисторов, а коллекторы и базы седьмого и восьмого транзисторов подключены к шине питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1