УПРАВЛЯЕМЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в синтезаторах частот.
Известен управляемый автогенератор (см. патент на ПМ №86816, Н03В 5/12, опубл. 10.09. 2009 г.), построенный по схеме индуктивной трехточки на дифференциальном каскаде. Частота генерируемых колебаний определяется колебательным контуром, состоящим из последовательно включенных первой и второй индуктивно связанных катушек индуктивности и конденсатора.
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.
Недостаток известного управляемого автогенератора состоит в следующем.
Σ
Σ
Поскольку полная индуктивность последовательно соединенных первой и второй катушек индуктивности 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 гораздо раньше уже на более низкой частоте.
«Вырождение» катушки индуктивности на высоких частотах в отрезок проводника ведет к резкому ухудшению добротности резонансного контура и повышению интенсивности шумов.
Таким образом, недостаток этого устройства состоит в невозможности работать на сравнительно высоких частотах при малых уровнях собственных шумов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является управляемый автогенератор (см. патент на ПМ №92583, Н03В 5/12, опубл. 20.03. 2010 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;
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.
Устройство-прототип 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.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Этот управляемый автогенератор может также работать в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот при отключении от источника ВЧ и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения.
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 четвертьволнового 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.
Недостатки устройства-прототипа состоят в следующем.
1. В известном управляемом автогенераторе буферный каскад на третьем транзисторе 8 обеспечивает поступление ВЧ сигнала от внешнего источника (в базу транзистора 8) для осуществления захвата по частоте в управляемом автогенераторе и одновременно с его коллектора поступает сигнал на выход устройства, т.е. имеется недостаточная развязка от влияния нагрузки и между входом и выходом. При этом изменение нагрузки на выходе устройства может влиять на стабильность частоты, что приводит к увеличению уровня шума в спектре выходного сигнала.
КБ
2. Кроме того, резистивный усилитель на третьем транзисторе 8 может работать в сравнительно узком диапазоне частот и относительно невысоких частотах. Коэффициент усиления усилителя с общим эмиттером и резисторной коллекторной нагрузкой снижается с ростом частоты сигнала из-за действия паразитных емкостей нагрузки и соединительных проводов. Также емкость обратной связи (С), будучи включенной между выходом и входом, может доминировать в спаде усиления на высоких частотах, особенно если полное сопротивление источника сигнала высоко (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - Т.2. стр.270-271).
Недостаточно высокочастотные свойства буферного усилителя на третьем транзисторе 8 и простая его конфигурация не позволяют реализовать высокочастотные возможности управляемого автогенератора в целом и получить оптимальное согласование с нагрузкой. Также здесь явно недостаточная развязка между ВЧ входом и выходом устройства.
Для устранения указанных недостатков 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, второй вывод третьего конденсатора соединен с выходом устройства, четвертый конденсатор соединяет базу третьего транзистора и высокочастотный вход устройства; а также четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы; последовательно соединенные пятый конденсатор, четвертьволновый отрезок длинной линии, шестой конденсатор и катод варикапа; 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 длинной 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, введены четвертый транзистор, эмиттер которого объединен с эмиттерами первого, второго и третьего транзисторов; десятый, одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый резисторы; широкополосный трансформатор на тороидальном сердечнике и длинной линии, содержащий пару одинаковых бифилярно скрученных проводников, причем начало первого проводника соединено с коллектором четвертого транзистора и первым выводом двенадцатого резистора; конец первого проводника соединен с началом второго проводника и с первыми выводами третьего конденсатора, одиннадцатого и тринадцатого резисторов, а конец второго проводника соединен с шиной питания и вторым выводом двенадцатого резистора; при этом второй вывод одиннадцатого резистора соединен с базой четвертого транзистора и с первым выводом десятого резистора, а второй вывод десятого резистора и второй вывод тринадцатого резистора соединены с общей шиной.
Принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1, 2, 8, 30 - первый, второй, третий и четвертый транзисторы;
3 - токозадающий элемент;
12, 13, 20, 22, 24, 25,-третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой, конденсаторы;
9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 26, 27, 28 и 29 - первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый резисторы;
21 - четвертьволновый отрезок длинной линии;
23 - варикап;
31 - широкополосный трансформатор на длинной линии.
Предлагаемое устройство содержит первый 1, второй 2, третий 8 и четвертый 31 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. Устройство содержит широкополосный трансформатор 31 на длинной линии, имеющий пару одинаковых бифилярно скрученных проводников, причем начало первого проводника трансформатора 31 соединено с коллектором четвертого транзистора 30 и первым выводом двенадцатого резистора 28, конец первого проводника трансформатора 31 соединен с началом второго его проводника и с первыми выводами третьего конденсатора 12, одиннадцатого 27 и тринадцатого 29 резисторов, а конец второго проводника соединен с шиной питания и вторым выводом двенадцатого 28 резистора, при этом второй вывод одиннадцатого 27 резистора соединен с базой четвертого транзистора 30 и с первым выводом десятого 26 резистора, а второй вывод десятого 26 резистора и второй вывод тринадцатого 29 резистора соединены с общей шиной.
упр
Кроме того, в предлагаемом управляемом автогенераторе второй вывод третьего конденсатора 12 соединен с выходом устройства. Четвертый конденсатор 13, включен между базой третьего транзистора 8 и высокочастотным (ВЧ) входом устройства, которое также содержит последовательно соединенные пятый конденсатор 20, четвертьволновый отрезок длинной линии 21, шестой конденсатор 22 и катод варикапа 23; 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, катод варикапа 23 соединен с входом управляющего напряжения U и вторым выводом шестого конденсатора 22, а анод варикапа 23 соединен с общей шиной.
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 длинную 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 четвертьволнового отрезка длинной линии 21 с конденсаторами 24 и 25, обеспечивает положительную обратную связь автогенератора, построенного по дифференциальной схеме на транзисторах 1 и 2, что приводит к генерации ВЧ колебаний в режиме ГУН.
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 ВЧ сигнал. Делитель напряжения на резисторах 10 и 11 создает определенное напряжение смещения в цепи базы третьего транзистора 8. Высокочастотные составляющие эмиттерного тока всех четырех транзисторов 1, 2, 8 и 30, формируемые в общем токозадающем элементе 3, проходят и в коллекторном токе четвертого транзистора 30, что приводит к формированию на выходе широкополосного трансформатора 31 ВЧ колебаний, которые выделяются на нагрузочном резисторе 29 и через разделительный конденсатор 12 поступают на выход устройства.
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, эмиттер которого соединен с эмиттерами первого 1, второго 2 и четвертого 30 транзисторов и через токозадающий элемент 3 подключен к общей шине. В результате в управляемом автогенераторе происходит захват по частоте от внешнего ВЧ источника.
Высокочастотные составляющие эмиттерных токов всех четырех транзисторов, формируемые в общем токозадающем элементе 3, проходят и в коллекторном токе четвертого транзистора 30, что приводит к формированию на выходе широкополосного трансформатора ВЧ колебаний, которые выделяются на нагрузочном резисторе 29 и через разделительный конденсатор 12 поступают на выход предлагаемого устройства.
Особенностью схемы буферного усилителя на четвертом транзисторе 30 является использование широкополосного согласующего трансформатора 31 на его выходе, так называемого трансформатора на линиях, т.е. трансформатора с электромагнитной связью между обмотками, образованными отрезками длинных линий (см., например, Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - 256 с.). Согласующий трансформатор 31 выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике и из-за низкого сопротивления нагрузки используется как понижающий с коэффициентом трансформации 4:1. Полоса рабочих частот составляет около пяти октав при сопротивлении нагрузки ≤250 Ом. Обмотки трансформатора выполняются бифилярно скрученными между собой проводами с целью получения оптимального коэффициента связи. Основное назначение этого буферного усилителя - уменьшение реакции нагрузки на автогенератор, расширение диапазона рабочих частот. Рабочая точка транзистора 30 выбирается с помощью резистивного делителя на одиннадцатом резисторе 27 и десятом резисторе 26 в цепи базы. Кроме того, двенадцатый резистор 28 используется в качестве элемента отрицательной обратной связи для получения высокой линейности амплитудной характеристики и большого динамического диапазона.
На фиг.3а наглядно представлена элементарная конфигурация функциональной схемы усилительного каскада с широкополосным согласующим трансформатором на длинной линии, а на фиг.3б - та же схема, но в другом начертании, аналогичном в схеме на фиг.2.
Неоднократно проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность разработанного ВЧ усилителя на широкополосном трансформаторе на длинной линии в широком диапазоне частот примерно до 1000 МГц. В результате предлагаемый управляемый автогенератор может работать до частоты порядка 900-1000 МГц с хорошим перекрытием по частоте и развязкой от влияния нагрузки.
В предлагаемом устройстве захват частоты от внешнего ВЧ источника и формирование выходного ВЧ сигнала с большим динамическим диапазоном и оптимальным согласованием с нагрузкой происходит независимо по двум разным усилительным каскадам, что позволяет получить на выходе предлагаемого управляемого автогенератора спектрально чистый сигнал в широком диапазоне радио частот.
Таким образом, в предлагаемом устройстве используются уникальные возможности широкополосного тороидального трансформатора с электромагнитной связью между обмотками, образованными отрезками длинных линий. К тому же широкополосный трансформатор включен на выходе усилительного каскада на ВЧ транзисторе, эмиттер которого объединен с эмиттерами транзисторов генераторной части, выполненной по дифференциальной схеме. Кроме того, использование двенадцатого резистора 28 в качестве элемента отрицательной обратной связи позволяет получить высокою линейность амплитудной характеристики и большой динамический диапазон выходного сигнала.
Это, можно сказать, наиболее удачное направление по улучшению высокочастотных свойств предлагаемого управляемого автогенератора, расширению диапазона его выходных частот и оптимального согласования с нагрузкой.
В результате в предлагаемом управляемом автогенераторе за счет введения новых элементов и в связи с другими элементами устройства решена задача высокоэффективной развязки от влияния нагрузки, повышения рабочей частоты с высокой чистотой спектра выходного сигнала при одновременной синхронизации его с источником опорной частоты и переключением с заданным шагом сетки частот, когда он работает в режиме захвата частоты от внешнего источника. Такой управляемый автогенератор может найти применение в перспективных синтезаторах частот.