Управляемый напряжением автогенератор с малой неизохронностью

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано при разработке автогенераторов, управляемых по частоте напряжением с помощью варикапов. Достигаемый технический результат - повышение стабильности частоты колебаний. Управляемый напряжением генератор с малой неизохронностью содержит транзистор TV, конденсаторы обратной связи С1 и С2, разделительный конденсатор С_р, катушку индуктивности, встречно-последовательно соединенные варикапы, цепь с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот, цепь управления варикапами, цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано при разработке автогенераторов, управляемых по частоте напряжением с помощью варикапов (ГУН).

В автогенераторах с варикапами вследствие нелинейности последних частота колебаний зависит от амплитуды переменного напряжения на варикапах, т.е. имеет место неизохронность. Известно устройство «Генератор на транзисторе со стабилизацией амплитуды колебаний при помощи диода в цепи положительной обратной связи» (патент US 3855550 (A), кл. 331-109, H03b 3/02, H03b 5/12, заявл. 24.08.73, опубл. 17.12.74), содержащее дополнительные элементы для устранения зависимости емкости варактора и соответственно частоты колебаний от их амплитуды. В указанном генераторе неизохронность ослабляется благодаря стабилизации амплитуды колебаний путем изменения коэффициента передачи цепи положительной обратной связи.

Недостатком этого устройства является невозможность изменять в широких пределах режим работы транзистора автогенератора - ток транзистора, напряжения питания, а тем более осуществлять амплитудную модуляцию колебаний ГУН.

Наиболее близким по технической сущности заявленному устройству является автогенератор, описанный в публикации Савченко М.П., Кулешова В.Н. «Экспериментальное исследование флуктуаций в транзисторном автогенераторе с варикапами» (Электросвязь. - 1984. №2. - С. 55-58) [1], высокочастотная эквивалентная схема которого содержит транзистор VT, конденсаторы обратной связи С1 и С2, разделительный конденсатор C_P, через который транзистор соединен с параллельным колебательным контуром, включающим в себя катушку индуктивности L, встречно-последовательно соединенные (ВПС) варикапы VD1 и VD2, к общим электродам которых через цепь Z1(ω) с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот подается управляющее напряжение Е, а выходной сигнал снимается непосредственно из контура через конденсатор С.

Недостатком описанного ГУН является неизохронность - зависимость частоты генератора от амплитуды колебаний на варикапах при постоянном значении управляющего напряжения Е.

Задачей заявляемого изобретения является снижение неизохронности ГУН, т.е. повышение стабильности частоты колебаний, путем коррекции напряжения смещения Е на такую величину ΔЕ, чтобы емкость ВПС оставалась неизменной при изменении амплитуды колебаний на контуре.

Поставленная задача решается тем, что в управляемом напряжением автогенераторе с малой неизохронностью, содержащем транзистор VT, конденсаторы обратной связи С1 и С2, разделительный конденсатор C_P, через который транзистор соединен с параллельным колебательным контуром, включающим в себя катушку индуктивности L, встречно-последовательно соединенные варикапы VD1 и VD2, к общим электродам которых через цепь Z1(ω) с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот подается управляющее напряжение Е, а выходной сигнал снимается непосредственно из контура через конденсатор С, согласно изобретению в состав ГУН введены вторая цепь управления варикапами Z2(ω), амплитудный детектор АД и цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов (ЦАК).

Технический результат - снижение неизохронности, т.е. повышение стабильности частоты ГУН - достигается тем, что выходной сигнал с контура после детектирования АД поступает на первый вход ЦАК, где его уровень соотносится с величиной напряжения смещения Е на втором входе и, в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов, вырабатывается напряжение ΔЕ, которое будучи поданным на цепь управления Z2(ω) в полярности, противоположной полярности напряжения Е, уменьшает среднюю за период колебания емкость варикапов на столько, на сколько ее увеличила амплитуда переменного напряжения на варикапе. Вследствие этого влияние амплитуды колебания на емкость ВПС, а значит, и частоту ГУН уменьшается.

На фиг. 1 представлена эквивалентная высокочастотная схема управляемого напряжением автогенератора с малой неизохронностью, где

АД - амплитудный детектор;

ЦАК - цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов;

на фиг. 2 представлена блок-схема ЦАК для варикапов с резким p-n переходом, где

Σ - сумматор напряжений;

ИДН - интегральный делитель напряжения, реализующий функцию;

АП - аналоговый перемножитель, реализующий функцию - ΔE=Y(Е)×U_Д.

Управляемый напряжением автогенератор с малой неизохронностью (фиг. 1) содержит транзистор VT, конденсаторы обратной связи C1 и C2, разделительный конденсатор C_P, катушку индуктивности L, варикапы VD1 и VD2, две цепи управления варикапами Z1(ω) с большим и Z2(ω) с очень малым сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечными сопротивлениями для постоянного тока и модулирующих частот, входы цепей управления Е1 и Е2 соответственно, конденсатор С, цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов - ЦАК, цепи питания транзистора по постоянному току Z_Э и Z_К с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока, источники питания Е_Э эмиттерной и Е_К коллекторной цепей транзистора VT. ЦАК для случая варикапов с резким p-n переходом (фиг. 2) включает в себя сумматор напряжений Σ; интегральный делитель напряжения ИДН; аналоговый перемножитель АП; делители напряжения на резисторах R1 и R2, R3 и R5, R4 и R6.

Устройство работает следующим образом.

В стационарном режиме автогенератора напряжение u на контуре является гармоническим, частота колебаний ω близка к резонансной частоте контура ω_p, амплитуда колебаний - U. Варикап в контуре ГУН находится под воздействием постоянного напряжения смещения Е и гармонического с амплитудой U_m

Для идентичных варикапов U_m=0,5U. В общем случае эквивалентная емкость ВПС идентичных варикапов по первой гармонике может быть представлена [2] выражением

где С_0Э(Е) - эквивалентная емкость ВПС варикапов при U_m=0, x_m=U_m/(E+φ_к) - относительная амплитуда колебания на одном варикапе, φ_к - контактная разность потенциалов p-n перехода варикапа, δ_с(x_m) - функция, определяемая вольт-фарадной характеристикой варикапов. Для x_m=0 функция δ_с(x_m)=0.

Увеличение амплитуды U_m при E=const вызывает рост x_m и δ_с(x_m), растет эквивалентная емкость (2). Это приводит к уменьшению резонансной частоты контура

Чтобы ω_р была неизменной, напряжение смещения Е должно изменяться на такую величину ΔЕ, чтобы эквивалентная емкость ВПС оставалась постоянной. Связь между U_m и ΔЕ можно найти, решив уравнение

где E₀ - смещение на варикапах при U_m≈0, а E=E₀-ΔE.

Для варикапов с резким p-n переходом вольт-фарадная характеристика хорошо аппроксимируется [3] выражением

где С_ε - емкость p-n перехода, измеренная при значении напряжения (указывается в паспорте варикапа). Выражение (2) в этом случае принимает вид [2]

где С_0Э(Е)=0,5С₀(Е), С₀(Е) - емкость одного варикапа в отсутствие переменного напряжения.

Для U_m≈0 при Е=Е₀ из (5) следует

Решая уравнение (3) с учетом (5), (6), найдем

Принимая во внимание обозначение для x_m из (7), получим

В выражении (8) присутствует амплитуда колебаний на контуре U. В устройстве фиг. 1 сигнал поступает на выход с амплитудой U_вых=kU (где k<1 - коэффициент передачи напряжения U на выход), который затем детектируется с коэффициентом детектирования k_д: U_д=k_дU_вых (где k_д<1 - коэффициент детектирования амплитудного детектора АД). Полагая величины U_д, k_д, k известными, выразим через них амплитуду U и подставим в (8). Получим функцию, которую должна реализовать ЦАК

На фиг. 2 приведена схема ЦАК для ВПС варикапов с резким переходом, реализующая выражение (9). Напряжение U_д подается на первый вход аналогового перемножителя АП, выполненного по известной схеме [4], и через делитель напряжения 1:32 на резисторах R1, R2 - на первый вход интегрального делителя напряжения ИДН, выполненного по известной схеме [4]. На второй вход ИДН подается напряжение (kk_д)²×(Е+φ_к), полученное в сумматоре напряжений Σ, выполненном по известной схеме [4]. На входы сумматора Σ подаются ослабленные в (kk_д)² раз на резистивных делителях R3, R5 и R4, R6 соответственно напряжения Е и -φ_к. Величина напряжения φ_к для кремниевых варикапов составляет 0,6÷0,8 В [3]. С выхода ИДН напряжение величиной [U_д/32]/[(kk_д)²×(E+φ_к)] подается на второй вход АП, где перемножается с напряжением U_д. С выхода АП напряжение (9) в полярности, противоположной напряжению Е, подается на вход Е2 второй цепи управления варикапами фиг. 1.

Использование заявляемого изобретения позволяет:

- повысить стабильность частоты колебаний ГУН в условиях нестабильности режима работы транзистора;

- изменять в широких пределах режим работы транзистора автогенератора - ток транзистора, напряжения питания Е_Э и Е_К, параметры цепей питания Z_Э и Z_К - без существенного влияния на частоту колебаний ГУН;

- осуществлять амплитудную модуляцию колебаний автогенератора с варикапами без заметного влияния на частоту колебаний;

- ослабить амплитудно-частотное преобразование в ГУН;

- повысить точность настройки частоты широкополосных ГУН за счет снижения погрешности, вносимой изменением амплитуды колебаний при перестройке.

Источники информации

1. Савченко М.П., Кулешов В.Н. Экспериментальное исследование флуктуаций в транзисторном автогенераторе с варикапами // Электросвязь. - 1984. №2. - С. 55-58.

2. Кулешов В.Н., Савченко М.П. Эквивалентная емкость ВПС варикапов // Радиоэлектроника. - 1988. - №2. - С. 71-74 (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Савченко М.П., Карпинская Т.А. Эквивалентная схема и параметры УКВ варикапов // Радиотехника, 1985, №11.

4. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Кудряшов и др. Под ред. С.В. Якубовского. - М.: Сов. радио, 1979. - 336 с., ил. (Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на интегральных микросхемах).

1. Управляемый напряжением автогенератор с малой неизохронностью, содержащий транзистор VT, конденсаторы обратной связи С1 и С2, разделительный конденсатор C_P, через который транзистор соединен с параллельным колебательным контуром, включающим в себя катушку индуктивности L, встречно-последовательно соединенные (ВПС) варикапы VD1 и VD2, к общим электродам которых через цепь Z1(ω) с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре, предотвращающим утечку контурного тока во внешнюю цепь, и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот подается управляющее напряжение Е, а выходной сигнал снимается непосредственно из контура через конденсатор С, отличающийся тем, что автогенератор снабжен второй цепью управления варикапами Z2(ω), амплитудным детектором АД и цепью автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов (ЦАК), причем цепь Z2(ω), являющаяся коротким замыканием для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот, включена в разрыв между общей шиной («землей») и точкой соединения варикапа с катушкой L, являющейся входной точкой цепи Z2(ω), к которой подключен выход ЦАК, соотносящей поступающее на один вход ЦАК продетектированное с помощью АД выходное напряжение контура с поданным на второй вход ЦАК напряжением смещения и вырабатывающей в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов напряжение компенсации ΔЕ такой величины и полярности, чтобы средняя за период колебания емкость варикапов при изменении амплитуды колебаний для установленного значения напряжения Е не менялась.

2. Управляемый напряжением автогенератор с малой неизохронностью по п. 1, отличающийся тем, что цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов с резким p-n переходом (ЦАК), содержащая сумматор напряжений Σ; интегральный делитель напряжения ИДН; аналоговый перемножитель АП; делители напряжения на резисторах R1 и R2, R3 и R5, R4 и R6, вырабатывающее напряжение коррекции ΔЕ для ВПС варикапов с резким переходом, в котором отражающее уровень амплитуды колебаний U на варикапах напряжение U_д=kk_дU (k<1 - коэффициент передачи напряжения U на выход, k_д<1 - коэффициент детектирования амплитудного детектора АД) подается на первый вход АП и через резистивный R1, R2 делитель напряжения 1:32 на первый вход ИДН, на второй вход которого поступает напряжение (kk_д)²×(E+φ_к), полученное в сумматоре Σ в результате сложения ослабленных в (kk_д)² раз на резистивных R3 и R5, R4 и R6 делителях напряжений Е и -φ_к (φ_к - контактная разность потенциалов перехода варикапа), с выхода ИДН напряжение величиной [U_д/32]/[(kk_д)²×E+φ_к)] подается на второй вход АП, где перемножается с U_д, в результате чего на выходе ЦАК получается требуемое напряжение коррекции ΔЕ.