УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ АВТОГЕНЕРАТОР С МАЛОЙ НЕИЗОХРОННОСТЬЮ
VOLTAGE-CONTROLLED SELF-SUSTAINED OSCILLATOR WITH LOW NON-ISOCHRONISM

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 вследствие нелинейности последних частота колебаний зависит от амплитуды переменного напряжения на варикапах, т.е. имеет место неизохронность. Известно устройство «Генератор на транзисторе со стабилизацией амплитуды колебаний при помощи диода в цепи положительной обратной связи» (патент US 3855550 (A), кл. 331-109, H03b 3/02, H03b 5/12, заявл. 24.08.73, опубл. 17.12.74), содержащее дополнительные элементы для устранения зависимости емкости варактора и соответственно частоты колебаний от их амплитуды. В указанном генераторе неизохронность ослабляется благодаря стабилизации амплитуды колебаний путем изменения коэффициента передачи цепи положительной обратной связи.
Недостатком этого устройства является невозможность изменять в широких пределах режим работы транзистора автогенератора - ток транзистора, напряжения питания, а тем более осуществлять амплитудную модуляцию колебаний ГУН.
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» (Электросвязь. - 1984. №2. - С. 55-58) [1], высокочастотная эквивалентная схема которого содержит транзистор VT, конденсаторы обратной связи С1 и С2, разделительный конденсатор C, 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 Z1(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 неизохронность - зависимость частоты генератора от амплитуды колебаний на варикапах при постоянном значении управляющего напряжения Е.
Задачей заявляемого изобретения является снижение неизохронности ГУН, т.е. повышение стабильности частоты колебаний, путем коррекции напряжения смещения Е на такую величину ΔЕ, чтобы емкость ВПС оставалась неизменной при изменении амплитуды колебаний на контуре.
P
Поставленная задача решается тем, что в управляемом напряжением автогенераторе с малой неизохронностью, содержащем транзистор VT, конденсаторы обратной связи С1 и С2, разделительный конденсатор C, через который транзистор соединен с параллельным колебательным контуром, включающим в себя катушку индуктивности L, встречно-последовательно соединенные варикапы VD1 и VD2, к общим электродам которых через цепь Z1(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 Z2(ω), амплитудный детектор АД и цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов (ЦАК).
Технический результат - снижение неизохронности, т.е. повышение стабильности частоты ГУН - достигается тем, что выходной сигнал с контура после детектирования АД поступает на первый вход ЦАК, где его уровень соотносится с величиной напряжения смещения Е на втором входе и, в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов, вырабатывается напряжение ΔЕ, которое будучи поданным на цепь управления Z2(ω) в полярности, противоположной полярности напряжения Е, уменьшает среднюю за период колебания емкость варикапов на столько, на сколько ее увеличила амплитуда переменного напряжения на варикапе. Вследствие этого влияние амплитуды колебания на емкость ВПС, а значит, и частоту ГУН уменьшается.
На фиг. 1 представлена эквивалентная высокочастотная схема управляемого напряжением автогенератора с малой неизохронностью, где
АД - амплитудный детектор;
ЦАК - цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов;
на фиг. 2 представлена блок-схема ЦАК для варикапов с резким p-n переходом, где
Σ - сумматор напряжений;
ИДН - интегральный делитель напряжения, реализующий функцию;
Д
АП - аналоговый перемножитель, реализующий функцию - ΔE=Y(Е)×U.
P
Э
К
Э
К
Управляемый напряжением автогенератор с малой неизохронностью (фиг. 1) содержит транзистор VT, конденсаторы обратной связи C1 и C2, разделительный конденсатор C, катушку индуктивности L, варикапы VD1 и VD2, две цепи управления варикапами Z1(ω) с большим и Z2(ω) с очень малым сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечными сопротивлениями для постоянного тока и модулирующих частот, входы цепей управления Е1 и Е2 соответственно, конденсатор С, цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов - ЦАК, цепи питания транзистора по постоянному току Z и Z 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. ЦАК для случая варикапов с резким p-n переходом (фиг. 2) включает в себя сумматор напряжений Σ; интегральный делитель напряжения ИДН; аналоговый перемножитель АП; делители напряжения на резисторах R1 и R2, R3 и R5, R4 и R6.
Устройство работает следующим образом.
p
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 идентичных варикапов U=0,5U. В общем случае эквивалентная емкость ВПС идентичных варикапов по первой гармонике может быть представлена [2] выражением
0Э
m
m
m
к
к
с
m
m
с
m
где С(Е) - эквивалентная емкость ВПС варикапов при U=0, x=U/(E+φ) - относительная амплитуда колебания на одном варикапе, φ - контактная разность потенциалов p-n перехода варикапа, δ(x) - функция, определяемая вольт-фарадной характеристикой варикапов. Для x=0 функция δ(x)=0.
m
m
с
m
Увеличение амплитуды U при E=const вызывает рост x и δ(x), растет эквивалентная емкость (2). Это приводит к уменьшению резонансной частоты контура
р
m
Чтобы ω была неизменной, напряжение смещения Е должно изменяться на такую величину ΔЕ, чтобы эквивалентная емкость ВПС оставалась постоянной. Связь между U и ΔЕ можно найти, решив уравнение
0
m
0
где E - смещение на варикапах при U≈0, а E=E-ΔE.
Для варикапов с резким p-n переходом вольт-фарадная характеристика хорошо аппроксимируется [3] выражением
ε
где С - емкость p-n перехода, измеренная при значении напряжения  (указывается в паспорте варикапа). Выражение (2) в этом случае принимает вид [2]
0Э
0
0
где С(Е)=0,5С(Е), С(Е) - емкость одного варикапа в отсутствие переменного напряжения.
m
0
Для U≈0 при Е=Е из (5) следует
Решая уравнение (3) с учетом (5), (6), найдем
m
Принимая во внимание обозначение для x из (7), получим
вых
д
д
д
вых
д
д
д
В выражении (8) присутствует амплитуда колебаний на контуре U. В устройстве фиг. 1 сигнал поступает на выход с амплитудой U=kU (где k<1 - коэффициент передачи напряжения U на выход), который затем детектируется с коэффициентом детектирования k: U=kU (где k<1 - коэффициент детектирования амплитудного детектора АД). Полагая величины U, k, k известными, выразим через них амплитуду U и подставим в (8). Получим функцию, которую должна реализовать ЦАК
д
д
к
д
к
к
д
д
к
д
2
2
2
На фиг. 2 приведена схема ЦАК для ВПС варикапов с резким переходом, реализующая выражение (9). Напряжение U подается на первый вход аналогового перемножителя АП, выполненного по известной схеме [4], и через делитель напряжения 1:32 на резисторах R1, R2 - на первый вход интегрального делителя напряжения ИДН, выполненного по известной схеме [4]. На второй вход ИДН подается напряжение (kk)×(Е+φ), полученное в сумматоре напряжений Σ, выполненном по известной схеме [4]. На входы сумматора Σ 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÷0,8 В [3]. С выхода ИДН напряжение величиной [U/32]/[(kk)×(E+φ)] подается на второй вход АП, где перемножается с напряжением U. С выхода АП напряжение (9) в полярности, противоположной напряжению Е, подается на вход Е2 второй цепи управления варикапами фиг. 1.
Использование заявляемого изобретения позволяет:
- повысить стабильность частоты колебаний ГУН в условиях нестабильности режима работы транзистора;
Э
К
Э
К
- изменять в широких пределах режим работы транзистора автогенератора - ток транзистора, напряжения питания Е и Е, параметры цепей питания Z и Z - без существенного влияния на частоту колебаний ГУН;
- осуществлять амплитудную модуляцию колебаний автогенератора с варикапами без заметного влияния на частоту колебаний;
- ослабить амплитудно-частотное преобразование в ГУН;
- повысить точность настройки частоты широкополосных ГУН за счет снижения погрешности, вносимой изменением амплитуды колебаний при перестройке.
Источники информации
1. Савченко М.П., Кулешов В.Н. Экспериментальное исследование флуктуаций в транзисторном автогенераторе с варикапами // Электросвязь. - 1984. №2. - С. 55-58.
2. Кулешов В.Н., Савченко М.П. Эквивалентная емкость ВПС варикапов // Радиоэлектроника. - 1988. - №2. - С. 71-74 (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Савченко М.П., Карпинская Т.А. Эквивалентная схема и параметры УКВ варикапов // Радиотехника, 1985, №11.
4. 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).