УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ГЕНЕРАТОР С МАЛЫМ УРОВНЕМ ФАЗОВЫХ ШУМОВ
VOLTAGE-CONTROLLED GENERATOR WITH LOW LEVEL OF PHASE NOISE

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, при амплитудах колебания на варикапах, сравнимых с напряжением управления частотой, существенный вклад в уровень фазовых шумов вносит преобразование амплитудных флуктуаций в фазовые [1]. Ослабление этого компонента позволяет значительно снизить фазовые шумы ГУН.
Известно устройство «Управляемый по частоте источник сигналов, имеющий цепь обратной связи, служащую для снижения фазовых шумов» («Controlled frequency signal source apparatus including a feedback path for the reduction of phase noise» патент 4336505, США. Заявл. 14.07.80, №168065, опубл. 22.06.82. МКИ H03L 7/00, H03L 7/18, НКИ 331/R), состоящее из управляемого по частоте с помощью напряжения генератора с цепью отрицательной обратной связи по шумам (ООСШ), представляющей собой дискриминатор шума, состоящий из фазового детектора ФД, элемента задержки ЭЗ и регулируемого фазовращателя. Цепь ООСШ выделяет из выходного сигнала генератора сигнал, пропорциональный фазовому шуму, и подает последний в соответствующей фазе, предварительно просуммировав его с управляющим напряжением, устанавливающим частоту генератора, на управляющий вход генератора.
Недостатком этого устройства является слабое снижение фазовых шумов, при возмущениях фазы, длящихся более времени задержки, осуществляемого ЭЗ, т.е. низкая эффективность при медленных флуктуациях.
Известен способ повышения стабильности фазы колебаний в резонансном контуре с варикапами («Способ и устройство повышения стабильности фазы колебаний в резонансном контуре с варикапами», заявка на изобретение РФ, №2014114299/08(022355) от 10.04.2014, положит. решение от 12.12.2014, авторы Савченко М.П., Старовойтова О.В., заявитель БФУ им. И. Канта). Согласно изобретению на варикапы подают дополнительное управляющее напряжение, компенсирующее влияние амплитуды сигнала на среднее за период колебания значение емкости варикапов. В указанном способе сначала измеряют амплитуду колебаний, приходящуюся на один варикап, и величину внешнего управляющего напряжения, затем делят первое напряжение на второе. В результате получают значение относительной амплитуды колебаний, для которого с помощью специальной схемы в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов вырабатывают упомянутое выше компенсирующее напряжение, которое через дополнительную цепь управления подают на варикапы так, чтобы при увеличении амплитуды сигнала сумма напряжений внешнего смещения и компенсации росла, а при уменьшении - падала.
Данный способ позволяет создать цепь обратной связи, служащую для снижения фазовых шумов ГУН, за счет ослабления преобразования амплитудных флуктуаций в фазовые.
Недостатком этого способа является низкая эффективность при быстрых флуктуациях амплитуды.
P
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» (Электро-связь. - 1984. №2. - с. 55-58.) [2], высокочастотная эквивалентная схема которого содержит транзистор VT, конденсаторы обратной связи C1 и С2, разделительный конденсатор С, 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 Ζ1 (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 то, что при амплитудах колебания на варикапах, сравнимых с напряжением управления частотой, существенно вырастает уровень фазовых шумов, вызванный преобразованием амплитудных флуктуаций в фазовые.
Задачей заявляемого изобретения является снижение уровня фазового шума ГУН путем введения цепи отрицательной обратной связи по шумам, компенсирующей влияние флуктуаций амплитуды на значение средней за период колебания емкости варикапов и, следовательно, фазу колебаний ГУН.
Р
Поставленная задача решается тем, что в управляемом напряжением генераторе с малым уровнем фазовых шумов, содержащем транзистор VT, конденсаторы обратной связи C1 и С2, разделительный конденсатор С, 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 Ζ1(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 Ζ2(ω), амплитудный детектор АД и цепь отрицательной обратной связи по шумам (ЦООСШ), выделяющая из выходного сигнала генератора сигнал, пропорциональный флуктуациям амплитуды колебаний, который затем подается в соответствующей фазе на Ζ2(ω).
Технический результат - снижение уровня фазовых шумов ГУН - достигается тем, что выходной сигнал с контура после детектирования АД поступает на первый вход ЦООСШ, где из него выделяются сигналы, пропорциональные абсолютному значению и флуктуациям амплитуды колебаний, соотносятся с величиной напряжения смещения Ε на втором входе и, в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов, вырабатывается компенсирующее напряжение dE, которое через дополнительную цепь управления Ζ2(ω) подается на варикапы так, чтобы при увеличении амплитуды сигнала (dU>0) модуль суммы напряжений внешнего смещения и компенсации (|Е+dE|) рос, а при уменьшении (dU<0) - падал. Вследствие этого влияние флуктуаций амплитуды колебания на значение средней за период колебания емкости ВПС, а значит, и фазу ГУН, уменьшается.
На фиг. 1 представлена эквивалентная высокочастотная схема управляемого напряжением автогенератора с малым уровнем шумов, где
АД - амплитудный детектор;
ЦООСШ - цепь отрицательной обратной связи по шумам;
на фиг. 2 представлена блок-схема ЦООСШ для варикапов с резким переходом, где
∑ - сумматор напряжений;
ИДН - интегральный делитель напряжения;
АП - аналоговый перемножитель.
P
Э
К
Э
К
дифф
и
дифф
Управляемый напряжением автогенератор с малым уровнем шумов (фиг. 1) содержит транзистор VT, конденсаторы обратной связи C1 и С2, разделительный конденсатор С, катушку индуктивности L, варикапы VD1 и VD2, две цепи управления варикапами Ζ1(ω) с большим и Ζ2(ω) с очень малым сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечными сопротивлениями для постоянного тока и модулирующих частот, входы цепей управления E1 и Е2 соответственно, конденсатор С, цепь отрицательной обратной связи по шумам ЦООСШ, цепи питания транзистора по постоянному току Z и Ζ с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока, источники питания Е эмиттерной и Е коллекторной цепей транзистора VT. ЦООСШ для случая варикапов с резким p-n переходом (фиг. 2) включает в себя сумматор напряжений ∑; интегральный делитель напряжения ИДН; аналоговый перемножитель АП; делители напряжения на резисторах R1 и R2, R3 и R5, R4 и R6, конденсаторы С, С, и резистор R.
Устройство работает следующим образом.
р
m
В стационарном режиме автогенератора напряжение u на контуре является гармоническим, частота колебаний ω близка к резонансной частоте контура ω, амплитуда колебаний - U. Варикап в контуре ГУН находится под воздействием постоянного напряжения смещения Е и гармонического с амплитудой U
m
Для ВПС идентичных варикапов U=0,5U. В случае варикапов с резким p-n переходом эквивалентная емкость ВПС по первой гармонике может быть представлена [3] выражением
0Э
m
m
m
к
к
где С(Е)- эквивалентная емкость ВПС при U=0, χ=U/(E+φ) - относительная амплитуда колебания на одном варикапе, φ - контактная разность потенциалов p-n перехода варикапа.
m
Флуктуации амплитуды при E=const приводят к изменению х, которое вызывает изменение эквивалентной емкости (2), что приводит к флуктуациям резонансной частоты контура  и, соответственно, фазы колебаний ГУН.
Продифференцировав выражение (2), получим
р
Э
m
Чтобы ω была неизменной, необходимо выполнение условия dC(E, U)=0, т.е.
Вольт-фарадная характеристика варикапов с резким p-n переходом в отсутствие переменного напряжения хорошо аппроксимируется [4] выражением
ε
0Э
0
где С - емкость p-n перехода, измеренная при значении напряжения Е=ε (указывается в паспорте варикапа). В выражении (2) С(Е)=0,5С(Е). При этих условиях выражение (4) принимает вид
m
Поскольку χ≤1 выражение (6) можно упростить
вых
д
д
д
вых
д
д
д
В выражении (7) присутствует амплитуда колебаний на контуре U. В устройстве фиг. 1 сигнал поступает на выход с амплитудой U=kU (где k<1), затем детектируется с коэффициентом детектирования k: U=kU (где k<1). Выразим амплитуду U через k, k, U и подставим в (7). Получим функцию, которую должна реализовать цепь ООСШ
где  - среднее, стационарное значение амплитуды
д
дифф
дифф
д
и
д
к
д
к
к
д
2
2
На фиг. 2 приведена блок-схема ЦООСШ для ВПС варикапов с резким переходом, реализующая выражение (8). Напряжение U поступает на делитель напряжения 1:16 на резисторах R1, R2 и дифференцирующую цепь СR, с выхода которой флуктуации напряжения dU подаются на первый вход аналогового перемножителя АП, выполненного по известной схеме [5]. На выходе делителя напряжения установлен конденсатор С, образующий с R2 интегрирующую цепочку, формирующую напряжение , которое подается на первый вход интегрального делителя напряжения ИДН, выполненного по известной схеме [5]. На второй вход ИДН подается напряжение (kk)×(Е+φ), полученное в сумматоре напряжений ∑, выполненном по известной схеме [5]. На входы сумматора ∑ подаются ослабленные в (kk) раз на резистивных делителях R3, R5 и R4, R6 соответственно напряжения Е и -φ. Величина напряжения φ для кремниевых варикапов составляет 0,6÷0,8В [4]. С выхода ИДН напряжение величиной  подается на второй вход АП, где перемножается с напряжением dU. С выхода АП напряжение (8) подается на вход Е2 второй цепи управления варикапами фиг. 1 в такой полярности, чтобы при увеличении амплитуды сигнала (dU>0) сумма напряжений внешнего смещения и компенсации |Е+dE| росла, а при уменьшении (dU<0) - падала.
Использование заявляемого изобретения позволяет:
- понизить уровень фазовых шумов ГУН;
- понизить кратковременную нестабильность частоты колебаний ГУН;
- повысить стабильность фазы и частоты колебаний ГУН.
Источники информации
1. Савченко М.П. Влияние нестабильности амплитуды колебаний и напряжения смещения на частоту автогенератора при встречно-последовательном соединении варикапов //Радиотехника. - 1987. №12. - с. 16-18.
2. Савченко M.П., Кулешов В.Н. Экспериментальное исследование флуктуаций в транзисторном автогенераторе с варикапами //Электросвязь. - 1984. №2. - с. 55-58.
3. Кулешов В.Н., Савченко М.П. Эквивалентная емкость ВПС варикапов // Радиоэлектроника. - 1988. - №2. - с. 71-74 (Изв. высш. учеб. заведений).
4. Савченко М.П., Карпинская Т.А. Эквивалентная схема и параметры УКВ варикапов // Радиотехника, 1985, №11.
5. 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).