УПРАВЛЯЕМЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в синтезаторах частот.
Широко известны генераторы, управляемые напряжением (ГУН), построенные по наиболее распространенным схемам - емкостной и индуктивной трехточки с использованием в основном биполярных и полевых транзисторов одиночных или на дифференциальном каскаде (см., например, Шитиков Г.Т. Стабильные автогенераторы метровых и дециметровых волн. - М.: Радио и связь, 1983 г., а также Никитин Ю. Частотные методы анализа синтезаторной системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты. Часть 2. Элементы системы ФАП. Журнал «Современная электроника» №6, 2007 г., стр.64-68, рис.4-8).
Однако не все варианты ГУН пригодны для применения в синтезаторах частот (СЧ) на основе системы импульсно-фазовой подстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи. Наиболее существенными недостатками некоторых схем являются слабые буферные свойства и недопустимо большой уровень собственных шумов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является генератор, управляемый напряжением (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1192101, кл. Н03В 5/12 от 15.11.1985 года), который принят за прототип.
Принципиальная электрическая схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 и 2 - первый и второй транзисторы;
3 - токозадающий элемент;
4 и 5 - первая и вторая катушки индуктивности;
6 и 7 - первый и второй конденсаторы.
Устройство-прототип содержит первый 1 и второй 2 транзисторы, базы которых являются соответственно первым и вторым входами управляющего напряжения, а эмиттеры объединены и через токозадающий элемент 3 подключены к общей шине, первую катушку индуктивности 4, начало которой подключено к коллектору первого 1 транзистора, а конец подключен к шине питания, первый конденсатор 6, один вывод которого подключен к шине питания, второй конденсатор 7, один вывод которого подключен к коллектору первого транзистора 1; вторую катушку индуктивности 5, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности 4, при этом начало второй катушки индуктивности 5 подключено к коллектору второго транзистора 2 и к другому выводу первого конденсатора 6, а конец второй катушки индуктивности 5 подключен к коллектору первого транзистора 1, другой вывод второго конденсатора 7 подключен к эмиттерам первого 1 и второго 2 транзисторов.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Катушки индуктивности 4 и 5 совместно с первым конденсатором 6 образуют колебательный LC-контур, включенный между коллектором второго транзистора 2 и шиной питания. Второй конденсатор 7, включенный между точкой соединения первой и второй катушек индуктивности 4 и 5 и эмиттером второго транзистора 2, обеспечивает положительную обратную связь. База второго транзистора 2 (через источник управляющего напряжения) соединена с общей шиной. Таким образом, второй транзистор 2 совместно с колебательным LC-контуром на первой и второй катушках индуктивности 4 и 5 и первом конденсаторе 6 и со вторым конденсатором 7 образует известную схему автогенератора, называемую обычно схемой Хартли. При этом, частота генерируемых колебаний определяется колебательным контуром, состоящим из первой и второй катушек индуктивности 4 и 5 и первого конденсатора 6. Под действием управляющего напряжения происходит перераспределение тока токозадающего элемента 3, протекающего через первый и второй транзисторы 1 и 2. Изменение эмиттерных токов первого и второго транзисторов 1 и 2 приводит к изменению их коэффициентов передачи и, следовательно, высокочастотных составляющих их коллекторных токов, протекающих через первую и вторую катушки индуктивности 4 и 5. Любое изменение высокочастотной составляющей коллекторного тока первого транзистора 1, вызванное изменением управляющего напряжения, приводит к изменению высокочастотного тока, протекающего через первую катушку индуктивности 4. Поскольку первая и вторая катушки индуктивности 4 и 5 индуктивно связаны, любое изменение высокочастотного тока, протекающего через первую катушку индуктивности 4, приводит к появлению ЭДС взаимоиндукции на второй катушке индуктивности 5, что эквивалентно изменению ее индуктивности и, следовательно, частоты генерируемых колебаний. Полная индуктивность последовательно соединенных первой и второй катушек индуктивности 4 и 5 равна
Σ
1
2
L=L+L+2M,
1
2
где L, L - индуктивность первой и второй катушек 4, 5 соответственно;
М - взаимная индуктивность между первой и второй катушками 4, 5.
1
2
Σ
0
Если первая и вторая катушки индуктивности 4 и 5 одинаковы и коэффициент их связи близок к единице, то L=L=М и L=4L и, следовательно, зависимость общей индуктивности колебательного контура от высокочастотной составляющей коллекторного тока первого транзистора 1 будет квадратной. Поскольку резонансная частота колебательного LC-контура f обратно пропорциональна корню квадратному из индуктивности контура, то частота генерируемых колебаний будет линейно зависеть от высокочастотной составляющей коллекторного тока первого транзистора 1 и, следовательно, от управляющего напряжения. При уменьшении тока через второй транзистор 2 увеличиваются ток через первый транзистор 1 и положительная обратная связь и наоборот. Поэтому амплитуда генерируемых колебаний мало меняется при изменении управляющего напряжения.
Этот ГУН обеспечивает широкий диапазон перестройки частоты и высокую линейность характеристики перестройки.
Недостаток устройства-прототипа состоит в следующем.
Известно, что шумы автогенератора (ГУН - частный случай автогенератора) без кольца ИФАПЧ значительно ниже, чем в составе синтезаторов с кольцом ИФАПЧ на основе целочисленного ДПКД примерно на 20-30 дБ (см. Системы фазовой синхронизации. Под ред. В.В.Шахгильдяна, Л.Н.Белюстиной - М.: Радио и связь, 1982 г. стр.85. Бокк О.Ф. Теория воздействия на автогенератор шума и внешних колебаний. // Теория и техника радиосвязи. Научно-технический сборник, ОАО «Концерн «Созвездие», Воронеж, 2006 г, №1, стр.106-112. Бокк О.Ф., Слипко С.В. Шумы автогенератора на дифференциальном каскаде. // Теория и техника радиосвязи. Научно-технический сборник, 2003 г, №2, стр.101-108). Кроме того, в последнее время к СЧ предъявляются очень высокие требования по быстродействию при переключении с одной частоты на другую в системах связи с быстрым перескоком по частоте по заданной программе. Для выполнения этих жестких требований применяются СЧ с дробным ДПКД (ДДПКД) вместо целочисленного, что позволяет использовать высокие частоты сравнения в кольце ИФАПЧ при заданном шаге сетки частот. Но вместе с тем в выходном сигнале СЧ даже с использованием современных микросхем СЧ с ΔΣ компенсацией различных помех (например, микросхема синтезатора частот ADF4252 фирмы Analog Devices) все-таки возникают «помехи дробности», которые ухудшают спектральную чистоту управляемого автогенератора еще на 15-25 дБ по сравнению с СЧ на целочисленном ДПКД, что проверено экспериментально. При этом в СЧ всегда необходимо учитывать компромисс между быстродействием и подавлением помех петлевым фильтром нижних частот (ФНЧ).
Выход из этой проблемы видится в том, чтобы управляемый автогенератор не был охвачен кольцом ИФАПЧ, но в тоже время синхронизировался с опорным генератором (ОГ) и переключался с заданным шагом сетки частот. Для этого необходимо, чтобы управляемый автогенератор мог работать или в кольце ИФАПЧ, или имелась бы в нем возможность захвата по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения. В устройстве прототипа такой возможности нет.
Кроме того, фазовый шум управляемого автогенератора сильно зависит от нагруженной добротности резонансного контура и нестабильности нагрузки. Для уменьшения дестабилизирующего влияния непостоянной нагрузки управляемый автогенератор необходимо связывать с последующей схемой через буферные каскады с большой степенью развязки входа и выхода. Отдельно взятый управляемый автогенератор без буферного каскада существует только в редких случаях. В устройстве прототипа нет развязки для уменьшения влияния нагрузки.
Для устранения указанных недостатков в управляемый автогенератор, содержащий первый и второй транзисторы, базы которых являются соответственно первым и вторым входами управляющего напряжения, а эмиттеры объединены и через токозадающий элемент подключены к общей шине, первую катушку индуктивности, начало которой подключено к коллектору первого транзистора, а конец подключен к шине питания, первый конденсатор, один вывод которого подключен к шине питания, второй конденсатор, один вывод которого подключен к коллектору первого транзистора, вторую катушку индуктивности, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности, при этом начало второй катушки индуктивности подключено к коллектору второго транзистора и к другому выводу первого конденсатора, а конец второй катушки индуктивности подключен к коллектору первого транзистора, другой вывод второго конденсатора подключен к эмиттерам первого и второго транзисторов, введены третий транзистор, эмиттер которого подключен к эмиттерам первого и второго транзисторов, первый, второй и третий резисторы, третий и четвертый конденсаторы, причем первый резистор включен между коллектором третьего транзистора и шиной питания, второй резистор включен между шиной питания и базой третьего транзистора, третий резистор включен между базой третьего транзистора и общей шиной, третий конденсатор соединяет коллектор третьего транзистора и выход устройства, четвертый конденсатор соединяет базу третьего транзистора и высокочастотный вход устройства.
Принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1, 2, 8 - первый, второй и третий транзисторы;
3 - токозадающий элемент;
4 и 5 - первая и вторая катушки индуктивности;
6, 7, 12, 13 - первый, второй, третий и четвертый конденсаторы;
9, 10 и 11 - первый, второй и третий резисторы.
Предлагаемое устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 8 транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент 3 подключены к общей шине, причем базы первого 1 и второго 2 транзисторов являются соответственно первым и вторым входами управляющего напряжения; первую катушку 4 индуктивности, начало которой подключено к коллектору первого транзистора 1, а конец подключен к шине питания, первый конденсатор 6, один вывод которого подключен к шине питания, второй конденсатор 7, один вывод которого подключен к коллектору первого транзистора 1, вторую катушку индуктивности 5, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности 4, при этом начало второй катушки индуктивности 5 подключено к коллектору второго транзистора 2 и к другому выводу первого конденсатора 6, а конец второй катушки индуктивности подключен к коллектору первого транзистора 1, другой вывод второго конденсатора 7 подключен к эмиттерам первого 1, второго 2 и третьего 8 транзисторов; первый резистор 9, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и шиной питания, второй резистор 10, включенный между шиной питания и базой третьего транзистора 8, третий резистор 11 включенный между базой третьего транзистора 8 и общей шиной, третий конденсатор 12, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и выходом устройства, четвертый конденсатор 13, включенный между базой третьего транзистора 8 и высокочастотным (ВЧ) входом устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Предлагаемый управляемый автогенератор может работать в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением, в составе синтезатора частот и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения. Поэтому предлагаемое устройство будем называть не ГУН, а более широко - управляемый автогенератор.
В режиме ГУН катушки индуктивности 4 и 5 совместно с первым конденсатором 6 образуют колебательный LC-контур, включенный между коллектором второго транзистора 2 и шиной питания. Второй конденсатор 7, включенный между точкой соединения первой и второй катушек индуктивности 4 и 5 и эмиттером второго транзистора 2, обеспечивает положительную обратную связь. База второго транзистора 2 (через источник управляющего напряжения) соединена с общей шиной. Таким образом, второй транзистор 2 совместно с колебательным LC-контуром на первой и второй катушках индуктивности 4 и 5 и первом конденсаторе 6 и со вторым конденсатором 7 образует известную схему автогенератора, называемую обычно схемой Хартли. При этом, частота генерируемых колебаний определяется колебательным контуром, состоящим из первой и второй катушек индуктивности 4 и 5 и первого конденсатора 6.
В режиме ГУН источник ВЧ возбуждения отключен и на базу третьего транзистора 8 через разделительный конденсатор 13 не поступает внешний сигнал, но ВЧ составляющие эмиттерного тока, формируемые в общем токозадающем элементе 3, проходят и в коллекторном токе третьего транзистора 8, что приводит к тому, что третий транзистор 8 работает как буферный усилитель, с коллекторной нагрузки которого (резистор 9) через разделительный конденсатор 12 поступают на выход генерируемые колебания. Делитель напряжения на резисторах 10 и 11 создает определенное напряжение смещения в цепи базы третьего транзистора 8.
упр
упр
Σ
Под действием управляющего напряжения U происходит перераспределение тока токозадающего элемента 3, протекающего через первый и второй транзисторы 1 и 2. Изменение эмиттерных токов первого и второго транзисторов 1 и 2 приводит к изменению их коэффициентов передачи и, следовательно, высокочастотных составляющих их коллекторных токов, протекающих через первую и вторую катушки индуктивности 4 и 5. Любое изменение высокочастотной составляющей коллекторного тока первого транзистора 1, вызванное изменением управляющего напряжения U, приводит к изменению высокочастотного тока, протекающего через первую катушку индуктивности 4. Поскольку первая и вторая катушки индуктивности 4 и 5 индуктивно связаны, любое изменение высокочастотного тока, протекающего через первую катушку индуктивности 4, приводит к появлению ЭДС взаимоиндукции на второй катушке индуктивности 5, что эквивалентно изменению ее индуктивности и, следовательно, частоты генерируемых колебаний. Полная индуктивность последовательно соединенных первой и второй катушек индуктивности 4 и 5 с учетом их взаимной индуктивности, как и в устройстве прототипа, равна L=4L и, следовательно, зависимость общей индуктивности колебательного контура от высокочастотной составляющей коллекторного тока первого транзистора 1 будет квадратной.
0
упр
упр
Поскольку резонансная частота колебательного LC-контура f обратно пропорциональна корню квадратному из индуктивности контура, то частота генерируемых колебаний будет линейно зависеть от высокочастотной составляющей коллекторного тока первого транзистора 1 и, следовательно, от управляющего напряжения U. При уменьшении тока через второй транзистор 2 увеличиваются ток через первый транзистор 1 и положительная обратная связь и наоборот. Поэтому амплитуда генерируемых колебаний мало меняется при изменении управляющего напряжения U.
упр
В режиме работы управляемого автогенератора в качестве автогенератора с захватом по частоте от внешнего источника ВЧ возбуждения управляющее напряжение U остается неизменным (запоминается), а на вход ВЧ поступают внешние колебания, которые затем через разделительный конденсатор 13 приходят на базу третьего транзистора 8. В результате в управляемом автогенераторе происходит захват по частоте от внешнего источника и на выход его через разделительный конденсатор 12 поступает ВЧ сигнал, синхронный с внешними колебаниями.
Следовательно, каскад на третьем транзисторе 8 позволяет вводить ВЧ сигнал от внешнего источника для осуществления захвата управляемого автогенератора по частоте и одновременно выполняет функцию буферного каскада с хорошей развязкой управляемого автогенератора от воздействия нагрузки на его стабильность.
Доказательством возможности осуществления работы предлагаемого управляемого автогенератора является то, что вводимые элементы типовые и широко известны. Например, в качестве используемых транзисторов могут быть применены высокочастотные малошумящие транзисторы типа BFR93A фирмы Philips.
Таким образом, в предлагаемом управляемом автогенераторе за счет введения новых элементов и в связи с другими элементами устройства решена задача получения высокой чистоты спектра выходного сигнала при одновременной синхронизации его с ОГ и переключением с заданным шагом сетки частот. Такой управляемый автогенератор может найти применение в перспективных синтезаторах частот.