Малошумящий генератор, управляемый напряжением с двойным перекрытием по частоте

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике, и может быть использована в синтезаторе частот (СЧ) с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последующим двоичным делителем частоты для неограниченного расширения диапазона непрерывной сетки частот.
В настоящее время в аппаратуре радиосвязи (в частности для систем ФАПЧ) возрастает потребность в использовании малошумящих генераторов, управляемых напряжением (ГУН), с высоким (двойным) перекрытием по частоте.
Известен генератор Колпитца [1], а также высокостабильный генератор Клаппа на фиксированную частоту [2], отличием которого от предыдущего генератора является наличие дополнительного конденсатора, включенного последовательно с индуктивностью колебательного контура (КК).
Известны генераторы, управляемые напряжением [3], по патенту US 3899755 H03C 3/22. Для реализации в данных генераторах электронной перестройки частоты напряжением необходимо включение в КК ГУН варикапов VD1, VD2 с цепью управления R, как это имеет место в генераторе изображенном на фиг. 1 известном из [3], при этом цепь последовательно соединенных конденсаторов C1, С2, С3 (емкостной делитель для подключения транзистора VT к КК) подключена к вершине колебательного контура (т.е. параллельно индуктивности L и встречно-последовательно включенным варикапам VD1 и VD2). В связи с чем недостатком известных устройств является снижение возможности перестройки частоты и повышенное влияние шумов транзистора на уровень шумов генератора.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому выбрано устройство, электрическая схема которого изображена на фиг. 12 на стр. 14 в источнике [3], принятое за прототип.
Электрическая схема устройства-прототипа (без источников питания) изображена на фиг. 1, где обозначено:
R1 – развязывающий резистор;
L1 – катушка индуктивности;
VD1, VD2 – первый и второй варикапы;
С1, С2, С3 – первый, второй и третий конденсаторы;
VT1 – биполярный транзистор;
Еу – источник управляющего напряжения.
Устройство-прототип содержит колебательный контур, состоящий из параллельно включенных катушки индуктивности L1, встречно-последовательно соединенных варикапов VD1 и VD2 и емкостного делителя из последовательной цепи конденсаторов C1, C2, C3. При этом биполярный транзистор VT1 подключен к емкостному делителю по трехточечной схеме с емкостной обратной связью [4]. База биполярного транзистора VT1 подсоединена к точке соединения первого С1 и второго С2 конденсаторов. Эмиттер транзистора VT1 подключена к точке соединения второго С2 и третьего С3 конденсаторов, другой вывод которого соединен с общей шиной и коллектором транзистора VT1. Кроме того, вывод источника управляющего напряжения через развязывающий резистор R1 соединен с точкой соединения первого VD1 и второго VD2 варикапов.
Устройство-прототип работает следующим образом. Подаваемое напряжение управления Еу изменяет суммарную емкость варикапов VD1 и VD2, включенных встречно-последовательно друг другу и параллельно конденсаторам C1, C2 и С3, соединенных последовательно друг с другом, и образующих вместе с катушкой индуктивности L1 параллельный колебательный контур, резонансная частота колебаний которого пропорциональна значениям его емкости и индуктивности. Транзистор VT1 обеспечивает необходимую для генерации колебаний положительную обратную связь.
Недостатком устройства-прототипа является снижение возможности перестройки частоты и повышенное влияние шумов транзистора на уровень шумов генератора.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в увеличения коэффициента перекрытия по частоте, а также в снижении уровня фазовых шумов в спектре выходного сигнала генератора.
Для решения поставленной задачи в малошумящий генератор, управляемый напряжением с двойным перекрытием по частоте, содержащий колебательный контур, состоящий из параллельно соединенных катушки индуктивности и встречно-последовательно включенных первого и второго варикапов, точка соединения которых через развязывающий резистор соединена с источником управляющего напряжения, а также емкостной делитель из последовательно соединенных первого, второго и третьего конденсаторов, точка соединения первого и второго конденсаторов подключена к базе биполярного транзистора, эмиттер которого подключен к точке соединения второго и третьего конденсаторов, другой вывод третьего конденсатора соединен с общей шиной, к которой подключен коллектор биполярного транзистора, согласно полезной модели, емкостной делитель из первого, второго и третьего конденсатора подключен к колебательному контуру в точке соединения встречно-последовательно соединенных первого и второго варикапов, точка соединения катушки индуктивности и второго варикапа соединена с точкой соединения второго и третьего конденсаторов.
Электрическая схема предлагаемого устройства (без источников питания) изображена на фиг. 2, где обозначено:
R1 – развязывающий резистор;
L1 – катушка индуктивности;
VD1, VD2 – варикапы;
С1, С2, С3 – конденсаторы;
VT1 – биполярный транзистор;
Еу – источник управляющего напряжения.
Предлагаемый генератор содержит колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L1 и встречно-последовательно соединенных варикапов VD1 и VD2, к точке соединения которых подключен емкостной делитель из последовательно соединенных первого C1 и второго C2 конденсаторов, к точке соединения которых подключена база биполярного транзистора VT1, эмиттер которого подключен к точке соединения второго C2 и третьего С3 конденсаторов, другой вывод которого подключен к общей шине. Коллектор биполярного транзистора VT1 подключен к общей шине. Кроме того, вывод источника управляющего напряжения через развязывающий резистор R1 соединен с точкой соединения первого VD1 и второго VD2 варикапов.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Подаваемое напряжение управления Еу изменяет суммарную емкость варикапов VD1 и VD2, включенных встречно-последовательно друг другу и образующих вместе с катушкой индуктивности L1 параллельный колебательный контур. За счет подключения к точке соединения варикапов VD1 и VD2 емкостного делителя из последовательно соединенных конденсаторов C1, C2, C3 достигается снижение постоянной составляющей емкости колебательного контура, что приводит к увеличению перекрытия по частоте, а также снижается влияние шума транзистора VT1 на общий уровень шума генератора. Транзистор VT1, подключенный к емкостному делителю по трехточечной схеме, обеспечивает необходимую для генерации колебаний положительную обратную связь.
Устройство-прототип, описанное в [3], имеет относительное перекрытие по частоте около 2% при изменении управляющего напряжения в пределах от 0 до 2 В и уровень фазовых шумов минус 55.5 дБ/Гц при отстройке от несущей на 5 кГц, минус 66.8 дБ/Гц при отстройке в 10 кГц, минус 78.4 дБ/Гц при отстройке в 15 кГц, минус 89 дБ/Гц при отстройке в 20 кГц, минус 95 дБ/Гц при отстройке на 25 кГц.
Предлагаемый генератор имеет двойное (200%) перекрытие по частоте при изменении управляющего напряжения от 1 до 15 В и перекрытие по частоте в 26% в пределах от 0 до 2 В, а уровень фазовых шумов при отстройке от несущей частоты на 5 кГц составляет минус 90 дБ/Гц, при отстройке в 50 кГц составляет минус 120 дБ/Гц, при отстройке в 500 кГц составляет минус 135 дБ/Гц.
Сравнение параметров предлагаемого генератора по уровню шума и перекрытию по частоте с прототипом подтверждает решение поставленной задачи.
В предлагаемом генераторе может быть использованы, например транзисторы типа 2Т368А9 и варикапы типа 2В124А9.
Таким образом, за счет неполного подключения емкостного делителя к колебательному контуру достигается снижение влияния шумов транзистора на общий уровень шума генератора, управляемого напряжением, и увеличение в нем перекрытия по частоте до двукратного.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Randall  W.  Rhea. Oscillator  Design  and  Computer  Simulation. - 1995,    320  страниц,  ISBN   l-8849-32-30-4.
2. J.  K.  Clapp,  An  Inductance-Capacitance  Oscillator  of  Unusual Frequency  Stability,  Proceedings of the IRE, Vol. 36, 1948, pp. 356-358.
3. Justin Njimgou Zeyeum. VCO for PLL Frequency Synthesizer. – 10 May 2016. Helsinki Metropolia University of Applied Sciences.
4. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника.- Москва «МИР», 1982 г.