УПРАВЛЯЕМЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в синтезаторах частот.
Известен генератор, управляемый напряжением (ГУН), построенный по схеме индуктивной трехточки на дифференциальном каскаде (см., например, авторское свидетельство СССР на изобретение №1192101, кл. Н03В 5/12 от 15.11.1985 г.). Этот ГУН обеспечивает широкий диапазон перестройки частоты и линейность характеристики перестройки.
Недостатки его состоят в том, что при работе в составе синтезатора частот с кольцом импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) имеет большой уровень шумов и дискретных побочных составляющих, слабые буферные свойства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является управляемый автогенератор (см. патент №86816 от 12 мая 2009 г.), который принят за прототип.
Принципиальная электрическая схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, 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.
Устройство-прототип 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 индуктивности 4, 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.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Этот управляемый автогенератор может работать в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения. Поэтому такое устройство уже называется 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 ƒ 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 устройства 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.
Управляемый автогенератор не охвачен кольцом ИФАПЧ и от этого в нем нет помех, связанных с работой кольца ИФАПЧ. Иначе говоря, устройство-прототип имеет более высокую чистоту спектра выходного сигнала.
Кроме того, в этом устройстве 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.
Недостаток устройства-прототипа состоит в следующем.
Σ
Σ
Поскольку полная индуктивность последовательно соединенных первой и второй катушек индуктивности 4 и 5 с учетом их взаимной индуктивности равна L=4L, то каждая катушка индуктивности должна иметь индуктивность L=L/4, т.е. в 4 раза меньше той, которая необходима для заданной рабочей частоты. Это приводит к тому, что с ростом частоты число витков в каждой катушке индуктивности уменьшается значительно быстрее, чем в ГУН с одной катушкой индуктивности. Следовательно, если с ростом частоты в ГУН с одной катушкой индуктивности число витков уменьшается до одного и менее (т.е. катушка индуктивности «вырождается» в отрезок проводника), то в схеме устройства-прототипа это происходит уже на более низкой частоте.
Иначе говоря, эта схема при всех ее достоинствах сугубо низкочастотная (в смысле диапазона радиочастот!). В то же время сейчас есть большая необходимость в синтезаторах частот с управляемыми автогенераторами для работы на частотах от 100 МГц до 1 ГГц и выше в системах подвижной радиосвязи, в высококачесвенных широковещательных приемных устройствах с двойным преобразованием частоты и т.д.
«Вырождение» катушки индуктивности на высоких частотах в отрезок проводника ведет к резкому ухудшению добротности резонансного контура и повышению интенсивности шумов.
Здесь на более высокой частоте в какой-то мере теряется основной смысл управляемого автогенератора с захватом частоты от внешнего источника колебаний - получение выходного сигнала с высокой спектральной чистотой.
Таким образом, недостаток устройства-прототипа состоит в невозможности работать на сравнительно высоких частотах при малых уровнях собственных шумов.
Задачей, на которую направлено предлагаемое техническое решение, является значительное расширение диапазона генерируемых частот в высокочастотную область одновременно с получением высокой добротности резонансной системы и соответственно высокой чистоты спектра выходного сигнала.
При этом, поскольку изготовить высокодобротную катушку индуктивности на высоких частотах весьма проблематично, напрашивается такое решение этого вопроса - трансформировать реактивность в виде высокодобротного конденсатора С в реактивность в виде индуктивности L без потери добротности (см., например, Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. М. - Л. «Энергия», 1965 г., стр.332-335, 349-355). Тогда полученная таким образом эквивалентная индуктивность L совместно с другим высокодобротным конденсатором С образует необходимый резонансный LC-контур, способный работать в диапазоне высоких частот с малыми шумами.
Для устранения указанного недостатка в управляемый автогенератор, содержащий первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент подключены к общей шине; первый, второй и третий резисторы, третий и четвертый конденсаторы, причем первый резистор включен между коллектором третьего транзистора и шиной питания, второй резистор включен между базой третьего транзистора и шиной питания, 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, введены четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы; последовательно соединенные пятый конденсатор, четвертьволновый отрезок длинной линии, шестой конденсатор и катод варикапа, анод которого подключен к общей шине; последовательно соединенные седьмой и восьмой конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора подключен к базе первого транзистора, а точка соединения седьмого и восьмого конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора и четвертьволнового отрезка линии; четвертый резистор включен между шиной питания и базой первого транзистора, пятый резистор включен между базой первого транзистора и общей шиной, шестой резистор включен между коллектором первого транзистора и шиной питания, седьмой резистор включен между шиной питания и коллектором второго транзистора, восьмой резистор включен между шиной питания и базой второго транзистора, девятый резистор включен между базой второго транзистора и общей шиной, коллектор второго транзистора соединен также с другим выводом пятого конденсатора, а катод варикапа соединен также с входом управляющего напряжения.
Принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1, 2, 8 - первый, второй и третий транзисторы;
3 - токозадающий элемент;
12, 13, 20, 22, 24 и 25 - третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой конденсаторы;
9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19 - первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы;
21 - четвертьволновый отрезок длинной линии;
23 - варикап.
Предлагаемое устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 8 транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент 3 подключены к общей шине; 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; последовательно соединенные пятый конденсатор 20, четвертьволновый отрезок длинной линии 21, шестой конденсатор 22 и катод варикапа 23, анод которого подключен к общей шине; последовательно соединенные седьмой 24 и восьмой 25 конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора 25 соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора 24 подключен к базе первого транзистора 1, а точка соединения седьмого 24 и восьмого 25 конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора 20 и четвертьволнового отрезка длинной линии 21; четвертый резистор 14 включен между шиной питания и базой первого транзистора 1, пятый резистор 15 включен между базой первого транзистора 1 и общей шиной, шестой резистор 16 включен между коллектором первого транзистора 1 и шиной питания, седьмой резистор 17 включен между шиной питания и коллектором второго транзистора 2, восьмой резистор 18 включен между шиной питания и базой второго транзистора 2, девятый резистор 19 включен между базой второго транзистора 2 и общей шиной, коллектор второго транзистора 2 соединен также с другим выводом пятого конденсатора 20, а катод варикапа 23 соединен также с входом управляющего напряжения.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
упр
упр
Предлагаемый управляемый автогенератор может работать, как и прототип, в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот с введением управляющего напряжения U на катод варикапа 23 при отключенном входе от источника ВЧ и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения U.
упр
В режиме ГУН управляющее напряжение U поступает на катод варикапа 23 колебательного LC-контура на основе последовательно соединенных четвертьволнового отрезка длинной линии 21, шестого конденсатора 22 и варикапа 23, которые вместе образуют высокодобротную индуктивность L, а параллельно этой индуктивности L включен восьмой конденсатор 25. Четвертьволновый отрезок длинной линии 21 используется в качестве трансформатора комплексных сопротивлений, преобразующего нагружающую линию емкостную реактивность в виде последовательно соединенных шестого конденсатора 22 и варикапа 23 в индуктивную без значительных потерь. Это позволяет реализовать высокодобротную индуктивность L в виде четвертьволнового отрезка длинной линии, нагруженного на высокодобротный конденсатор. Вместе с конденсатором С 25 образованный таким образом резонансный LC-контур связан с базой первого транзистора 1 автогенератора через седьмой конденсатор 24. Пятый конденсатор 20, включенный между коллекторной нагрузкой (резистор 17) второго транзистора 2 и точкой соединения четверть-волнового отрезка длинной линии 21 с конденсаторами 24 и 25, обеспечивает положительную обратную связь автогенератора, построенного по дифференциальной схеме на транзисторах 1 и 2.
упр
При изменении U изменяется емкость С варикапа 23. Это изменение емкости С варикапа 23 трансформируется четвертьволновым отрезком длинной линии 21 в соответствующее изменение индуктивности L, т.е. в полученном таким образом LC-контуре изменение частоты осуществляется путем изменения индуктивности L.
Делитель напряжения на резисторах 14 и 15 создает необходимое напряжение смещения в цепи базы первого транзистора 1, коллекторной нагрузкой которого является резистор 16. Делитель напряжения на резисторах 18 и 19 создает определенное напряжение смещения в цепи базы второго транзистора 2.
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
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.
При этом 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. В качестве четвертьволнового отрезка длинной линии можно выбрать коаксиальный кабель с фторопластовой изоляцией и волновым сопротивлением 50 Ом. Полученная на его основе индуктивность легко рассчитывается, дешева в реализации и легко поддается миниатюризации. Работа таких управляемых автогенераторов проверялась экспериментально на частотах до 1000 МГЦ и выше. При этом получено хорошее перекрытие по частоте и малые шумы.
Таким образом, в предлагаемом управляемом автогенераторе за счет введения новых элементов и в связи с другими элементами устройства решена задача повышения рабочей частоты с высокой чистотой спектра выходного сигнала при одновременной синхронизации его с ОГ и переключением с заданным шагом сетки частот при работе его в режиме захвата частоты от внешнего источника. Такой управляемый автогенератор может найти применение в перспективных синтезаторах частот.