ГЕНЕРАТОР УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ
VOLTAGE-CONTROLLED GENERATOR

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве источника высокочастотных колебаний в радиопередающих, радиоприемных устройствах и измерительной технике.
Наиболее близким по технической сущности заявляемого устройства является генератор, управляемый напряжением [1], содержащий автогенератор, включающий первую катушку индуктивности, первый вывод которой подключен к источнику напряжения питания, первый конденсатор, первый полевой транзистор (ПТ), сток которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора и второму выводу первой катушки индуктивности, а второй вывод первого конденсатора соединен с общей точкой, второй конденсатор, третий конденсатор, четвертый конденсатор и вторую катушку индуктивности, при этом первый вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод третьего конденсатора подсоединен к первому выводу четверного конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности и затвором первого ПТ, второй вывод четвертого конденсатора подсоединен ко второму выводу второй катушки индуктивности, второй вывод третьего конденсатора и первый вывод четвертого конденсатора подключены к общей точке, пятый конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом четвертого конденсатора, цепь отпирающего смещения, состоящую из первого резистора, второго резистора и третьей катушки индуктивности, при этом первый вывод первого резистора соединен со вторым выводом первой катушки индуктивности, точка соединения первого резистора и второго резистора подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, цепь запирающего автоматического смещения, включающую четвертую катушку индуктивности и третий резистор, соединенные последовательно, шестой конденсатор и внешнюю нагрузку, при этом первый вывод четвертой катушки индуктивности подсоединен к истоку первого ПТ и первому выводу шестого конденсатора, второй вывод шестого конденсатора соединен с первым выводом внешней нагрузки, а второй вывод внешней нагрузки и второй вывод третьего резистора подключены к общей точке, цепь управления, содержащую пятую катушку индуктивности, магнитно-связанную со второй катушкой индуктивности, и седьмой конденсатор, первый вывод которого соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, а второй вывод седьмого конденсатора подсоединен к общей точке, введены второй ПТ с выводом подложки МДП типа, причем сток и исток второго ПТ с выводом подложки МДП типа подключены соответственно ко второму выводу пятого конденсатора и общей точке, а затвор второго ПТ с выводом подложки МДП типа подсоединен ко второму выводу пятой катушки индуктивности, источник напряжения смещения, первый электрод которого соединен с подложкой второго ПТ МДП типа, а второй электрод источника напряжения смещения подключен к общей точке, при этом выходом устройства является первый вывод внешней нагрузки.
Недостатком известного устройства являются низкие диапазон рабочих частот и стабильность частоты генерируемых колебаний.
Это обусловлено тем, что в биполярном транзисторе (БТ) диодно-транзисторного ключа при его открытом состоянии (переход база-эмиттер открыт) происходит накопление заряда, что обуславливает появление большой диффузионной емкости. Поэтому уже на относительно низких частотах, составляющих единицы мегагерц, в СВЧ и высокочастотных БТ появляется значительная инерционность, приводящая к увеличению времени его включения и фазовым сдвигам. С ростом частоты инерционность быстро возрастает, что приводит к появлению значительных потерь в БТ и, соответственно, к уменьшению диапазона рабочих частот и стабильности частоты генерируемых колебаний.
Изобретение направлено на повышение диапазона рабочих частот и стабильности частоты генерируемых колебаний.
Это достигается тем, что в генератор, управляемый напряжением, содержащий автогенератор, включающий первую катушку индуктивности, первый вывод которой подключен к источнику напряжения питания, первый конденсатор, первый полевой транзистор (ПТ), сток которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора и второму выводу первой катушки индуктивности, а второй вывод первого конденсатора соединен с общей точкой, второй конденсатор, третий конденсатор, четвертый конденсатор и вторую катушку индуктивности, при этом первый вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод третьего конденсатора подсоединен к первому выводу четверного конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности и затвором первого ПТ, второй вывод четвертого конденсатора подсоединен ко второму выводу второй катушки индуктивности, второй вывод третьего конденсатора и первый вывод четвертого конденсатора подключены к общей точке, пятый конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом четвертого конденсатора, цепь отпирающего смещения, состоящую из первого резистора, второго резистора и третьей катушки индуктивности, при этом первый вывод первого резистора соединен со вторым выводом первой катушки индуктивности, точка соединения первого резистора и второго резистора подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, цепь запирающего автоматического смещения, включающую четвертую катушку индуктивности и третий резистор, соединенные последовательно, шестой конденсатор и внешнюю нагрузку, при этом первый вывод четвертой катушки индуктивности подсоединен к истоку первого ПТ и первому выводу шестого конденсатора, второй вывод шестого конденсатора соединен с первым выводом внешней нагрузки, а второй вывод внешней нагрузки и второй вывод третьего резистора подключены к общей точке, цепь управления, содержащую пятую катушку индуктивности, магнитно-связанную со второй катушкой индуктивности, и седьмой конденсатор, первый вывод которого соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, а второй вывод седьмого конденсатора подсоединен к общей точке, введены второй ПТ с выводом подложки МДП типа, причем сток и исток второго ПТ с выводом подложки МДП типа подключены соответственно ко второму выводу пятого конденсатора и общей точке, а затвор второго ПТ с выводом подложки МДП типа подсоединен ко второму выводу пятой катушки индуктивности, источник напряжения смещения, первый электрод которого соединен с подложкой второго ПТ МДП типа, а второй электрод источника напряжения смещения подключен к общей точке, при этом выходом устройства является первый вывод внешней нагрузки.
п
b
b
На чертеже (рис.1) приведена схема генератора управляемого напряжением. Генератор, управляемый напряжением, содержит автогенератор, включающий первую катушку индуктивности 1, первый вывод которой подключен к источнику напряжения питания Е, первый конденсатор 2, первый ПТ 3, сток 4 которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора 2 и второму выводу первой катушки индуктивности 1, а второй вывод первого конденсатора 2 соединен с общей точкой, второй конденсатор 5, третий конденсатор 6, четвертый конденсатор 7, и вторую катушку индуктивности 8, при этом первый вывод второго конденсатора 5 соединен с затвором 9 первого ПТ 3, а второй вывод второго конденсатора 5 подключен к первому выводу третьего конденсатора 6, второй вывод третьего конденсатора 6 подключен к первому выводу четверного конденсатора 7, второй вывод второго конденсатора 5 соединен с первым выводом второй катушки индуктивности 8, второй вывод четвертого конденсатора 7 подсоединен ко второму выводу второй катушки индуктивности 8, второй вывод третьего конденсатора 6 и первый вывод четвертого конденсатора 7 подключены к общей точке, пятый конденсатор 10, первый вывод которого соединен со вторым выводом четвертого конденсатора 7, цепь отпирающего смещения, состоящую из первого резистора 11, второго резистора 12 и третьей катушки индуктивности 13, при этом первый вывод первого резистора 11 соединен со вторым выводом первой катушки индуктивности 1, а точка соединения первого резистора 11 и второго резистора 12 подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности 13, а второй вывод третьей катушки индуктивности 13 подсоединен к затвору 9 первого ПТ 3, цепь запирающего автоматического смещения, включающую четвертую катушку индуктивности 14 и третий резистор 15, соединенные последовательно, шестой конденсатор 17 и внешнюю нагрузку 18, при этом первый вывод четвертой катушки индуктивности 14 подсоединен к истоку 16 первого ПТ 3 и первому выводу шестого конденсатора 17, второй вывод шестого конденсатора 17 подсоединен к первому выводу внешней нагрузки 18, а второй вывод третьего резистора 15 соединен с общей точкой, цепь управления, содержащую пятую катушку индуктивности 19, магнитно-связанную со второй катушкой индуктивности 8, и седьмой конденсатор 20, первый вывод которого соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности 19, а второй вывод седьмого конденсатора 20 подсоединен к общей точке, введены второй ПТ 21 с выводом подложки 22 МДП типа, причем сток 23 и исток 24 второго ПТ 21 с выводом подложки 22 МДП типа подключены соответственно ко второму выводу пятого конденсатора 10 и общей точке, а затвор 25 второго ПТ 21 с выводом подложки 22 МДП типа подсоединен ко второму выводу пятой катушки индуктивности 19, источник напряжения смещения E, первый электрод 26 которого подсоединен к выводу подложки 22 второго ПТ 21 МДП типа, а второй электрод источника напряжения смещения E подключен к общей точке, при этом выходом устройства является первый вывод внешней нагрузки 18.
п
п
п
в
Устройство работает следующим образом. При включении источника напряжения питания Е через первую катушку индуктивности 1 на сток 4 первого ПТ 3, на котором выполнен автогенератор, подается напряжение питания Е, а на затвор 9 первого ПТ 3 через третью катушку индуктивности 13 подается отпирающее напряжение смещения, создаваемое первым резистором 11 и вторым резистором 12 с источника Е. Одновременно с этим на вывод подложки 22 второго ПТ 21 с потенциального электрода 26 подается напряжение смещения -Е.
Путем выбора величины коэффициента обратной связи, определяемого номиналами емкостей второго и третьего конденсаторов 5 и 6, и напряжения отпирающего смещения на затворе 9 первого ПТ 3, достигается возбуждение колебаний в контуре автогенератора, образованного емкостями второго конденсатора 5, третьего конденсатора 6, четвертого конденсатора 7, образующих первую ветвь колебательного контура, и индуктивностью второй катушки индуктивности 8, составляющую вторую ветвь этого контура.
г
г
При увеличении уровня сигнала в контуре увеличивается и автоматическое напряжение смещения на третьем резисторе 15, что приводит к установлению стационарного режима, с постоянной частотой ω и амплитудой. Одновременно с этим напряжение частоты ω, создаваемое на четвертом конденсаторе 7, через пятый конденсатор 10 прикладывается между стоком 23 и истоком 24 второго ПТ 21 с выводом подложки 22 МДП типа и вследствие магнитной связи второй катушки индуктивности 8 с третьей катушкой индуктивности 19 создается между затвором 25 второго ПТ 21 и общей точкой. Одновременно ВЧ сигнал, снимаемый с третьего конденсатора 6 колебательного контура автогенератора, через шестой конденсатор 17 передается и на выход устройства.
Отличительной особенностью полевых транзисторов МДП типа от БТ является, как известно, то, что хорошо пропускают ток и в обратном направлении, т.е. обладают двусторонней проводимостью. Однако технология изготовления МДП полевых транзисторов такова, что параллельно каналу (выводы сток-исток) образуется p- n переход, который при отрицательных значениях тока стока, когда напряжение на канале превышает напряжение отсечки (Е'=0.5…0.7 В), открывается и поэтому начинает пропускать ток. Ток стока прекращается при запирании ПТ, когда напряжение затвор-исток становится меньше Е'.
b
b
Для нормальной работы ключа необходимо обеспечить режим, при котором происходит устойчивое и быстрое переключение ПТ. Для этой цели на вывод подложки 22 второго ПТ 21 подается отрицательное запирающее напряжение смещения -E для МДП транзистора с n-каналом (рис.1). В случае использования ПТ с p-каналом на его подложку подается запирающее напряжение +E. В обоих случаях напряжение смещения по модулю должно превышать Е' приблизительно на порядок Этим достигается устойчивое переключение транзистора в обоих направлениях и с малой инерционностью. Поэтому ПТ типа МДП является высокочастотным ключом двухстороннего действия, поскольку его инерционность начинает проявляться на частотах выше 40…50% его граничной частоты.
Таким образом в заявляемом устройстве управляемый ключ двухстороннего действия можно реализовать со значительно большей верхней граничной частотой по сравнению с диодно-транзисторным ключом, представленным в [1].
Совместно с емкостью пятого конденсатора 10 постоянной емкости этот ключ с двухсторонней проводимостью и цепь его управления, образованная пятой катушкой индуктивности 19, магнитно-связанной со второй катушкой индуктивности 8, и седьмым конденсатором 20, образуют управляемую емкость.
г
у
Управление частотой генерируемых колебаний ω осуществляется при подаче управляющего напряжения Е на вход устройства и основано на изменении управляемой емкости [1]
<mrow><msub><mi>С</mi><mi>у</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>С</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msup><mi>π</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mo>−</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>С</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                                    </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
где С - емкость пятого (линейного) конденсатора С10;
<mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Е</mi><mi>у</mi></msub><mo>−</mo><mi>Е</mi><mo>'</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>c</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                     </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
oc
где U - амплитуда напряжения между затвором 25 второго ПТ 21 и общей точкой.
г
у
При одновременном воздействии управляющего и высокочастотного напряжения чистоты ω, между затвором 25 ПТ21 типа МДП и общей точкой происходит периодическое подключение пятого конденсатора 10 к четвертому конденсатору 7. Изменение Е приходит к изменению эквивалентной емкости и частоты ВЧ колебаний в широких пределах.
Частота генерируемых колебаний определяется выражением [1]
<mrow><msub><mi>ω</mi><mi>г</mi></msub><mo>=</mo><mi>P</mi><msup><mrow><mo>{</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>С</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>L</mi><mi>K</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>С</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo><mo>}</mo></mrow><mrow><mn>0.5</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
где C - емкость третьего конденсатора 7;
<mrow><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>С</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>З</mi><mi>И</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>С</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>С</mi><mi>И</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>С</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>З</mi><mi>И</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>С</mi><mi>И</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
3
ЗИ
СИ
K
где С - емкость второго конденсатора 5; С - емкость третьего конденсатора 6; С, С - емкости первого ПТ 3; L - индуктивность второй катушки индуктивности 8.
0
b
Наряду с этим при подаче на вход устройства модулирующего напряжения звуковых частот реализуется и линейная частотная модуляция, что обусловлено линейностью модуляционной характеристики (3). При этом путем выбора как емкости С пятого конденсатора 10, так и напряжения смещения E на подложке второго ПТ21 можно регулировать крутизну модуляционных характеристик.
г
Для повышения устойчивой работы генератора управляемого напряжением первая катушка индуктивности 1 выполняется блокировочной (с большим сопротивлением для колебаний частоты ω). Первый конденсатор 2, шестой и седьмой конденсаторы 17, 20 являются блокировочными, но их сопротивление выбирается значительно меньшим, как минимум на порядок, по сравнению с волновым сопротивлением колебательного контура автогенератора и сопротивлением внешней нагрузки 18 соответственно. В результате емкостью первого конденсатора 2 достигается заземление стока 4 первого ПТ 3 по высокой частоте и обеспечивается устойчивость возбуждения и работы. Шестой конденсатор 17 устраняет прохождение постоянного напряжения во внешнюю нагрузку 18.
Для уменьшения шунтирующего действия третьего резистора 15 колебательного контура, которое может проявляться за счет параллельного соединения третьего резистора 15 и третьего конденсатора 6, являющегося элементом контура автогенератора, включена четвертая катушка индуктивности 14, которая увеличивает сопротивление по высокой частоте ветви исток 16 первого ПТ 3 - общая точка.
Во многих случаях в качестве активного элемента, обеспечивающего самовозбуждение автоколебании, целесообразно использовать не полевой транзистор, как это приведено на чертеже, а ВТ, который за счет значительно большей крутизны проходной характеристики при равенстве генерируемых мощностей обеспечивает устойчивость возбуждения и работы устройства при изменении внешней нагрузки, напряжения питания и в процессе эксплуатации. Кроме того, ПТ, в отличие от БТ, подвержены воздействию статического электричества, что ухудшает надежность работы устройства.
Однако применение ПТ оправдано, например, в тех случаях, когда требуется уменьшить уровень нежелательных колебаний на выходе устройства, а в некоторых случаях и улучшить условия согласования эквивалентного сопротивления контура с внутренним сопротивлением транзистора особенно с ростом генерируемой мощности и частоты.
Генератор, управляемый напряжением, реализуем на практике, поскольку известны отечественные ПТ, например, типа КП 907, КП908, КП909 и другие [3], имеющие отдельный вывод подложки, являющийся в данном случае четвертым электродом, малое (несколько Ом) сопротивление насыщения и поэтому могут использоваться в качестве управляемого ключа двухстороннего действия. Граничная частота этих транзисторов составляет около одного ГГц. Возможна реализация заявляемого устройства в диапазоне ОВЧ в виде гибридной интегральной схемы и на более современных ПТ.
Кроме того, ПТ по сравнению с БТ имеют большие входные и выходные сопротивления. Поэтому применение ПТ как в качестве активного элемента при возбуждении колебаний, так и в качестве управляемого ключа двухстороннего действия в схеме генератора управляемого напряжением, приводит к меньшему изменению добротности колебательного контура и, при равенстве конструктивной добротности контуров и сопротивлений внешней нагрузки, обеспечивает большую стабильность частоты генерируемых колебаний.
По сравнению с тем, когда в качестве управителя частоты используются варакторы (варикапы) в заявляемом устройстве достигается постоянство крутизны модуляционной характеристики в широком диапазоне рабочих частот и создается значительно больший уровень мощностей ВЧ колебаний во внешней нагрузке.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Бочаров M.И. Применение синтезированных нелинейных реактивных элементов для управления частотой автогенераторов / М.И.Бочаров, М.В.Клыков, О.П.Новожилов // Радиотехника, 1987. №4. С.21-23.
2. Разевиг В.Д. Системы сквозного проектирования электронных устройств Design - Lab 8.0/В.Д.Разевиг, 1999. - 699 с.
3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы большой и средней мощности: Справочник / А.А.Зайцев, А.И.Миркин, В.В.Мокряков и др.; под ред. А.В.Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989. - 640 с.