LC-АВТОГЕНЕРАТОР НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель «LC-автогенератор на МОП-транзисторах высокочастотных частотно-манипулированных гармонических колебаний» (далее для краткости изложения заявленный генератор) относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих устройствах, в измерительной технике в качестве источника высокочастотных манипулированных по частоте гармонических колебаний.
к
d
к
d
пр1
к
d
пр2
к
d
Известна структура распространенного интерполяционного (гетеродинного) устройства реализации частотной манипуляции. Структура известного интерполяционного (гетеродинного) устройства реализации частотной манипуляции приведена на фиг. 1 [1, стр. 438]. Устройство содержит кварцевый задающий генератор (21) с частотой f, диапазонный задающий генератор (22) с частотой генерации f, преобразователь частоты (23), высокочастотный избирательный фильтр (24), частотный манипулятор (25), источник телеграфного сигнала (26). Колебания с частотами f и f подаются на преобразователь частоты (23), работающий в нелинейном режиме. В результате в спектре тока смесителя образуются, в частности, комбинационные компоненты вида f=f-f и f=f+f. Одна из частот преобразования выделяется фильтром (24) и поступает на выход устройства. Частотная манипуляция осуществляется с помощью реактивной лампы (или реактивного транзистора, или диода), которая (который) включается параллельно контуру диапазонного задающего генератора [1, стр. 439]. Необходимо отметить, что в структуре известного интерполяционного (гетеродинного) устройства реализации частотной манипуляции (фиг. 1) целый ряд таких узлов, как генераторы (21) и (22), избирательный фильтр (24), содержат индуктивности, что отрицательно сказывается на перспективе интегральной реализации устройства. Кроме того, «управляется реактивная лампа специальным электронным манипулятором». Структура специального электронного манипулятора представлена на фиг. 2 [1, стр. 439]. Он характеризуется крупным габаритом, является энергоемким.
Наиболее близким к заявленному генератору является известный LC-генератор высокочастотных гармонических колебаний (фиг. 3) [2, стр. 113].
Недостатком этого известного LC-автогенератора высокочастотных гармонических колебаний является то, что он не может генерировать манипулированные по частоте электрические колебания.
Целью заявленного технического решения является расширение функциональных возможностей LC-автогенератора высокочастотных гармонических колебаний путем совершенствования его конструкции.
Достигаемым техническим результатом заявленного генератора является расширение функциональных возможностей LC-автогенератора высокочастотных гармонических колебаний, заключающееся в генерации высокочастотных гармонических колебаний, манипулированных по частоте.
Структурная схема заявленного генератора, приведенная на фиг. 4, содержит: источник питания, первый R1 (1), второй R2 (2), третий R3 (3) резисторы постоянных величин сопротивлений, первый С1 (11), второй С2 (12), четвертый С4 (14), пятый С5 (15) конденсаторы постоянных величин емкостей, при этом первые выводы резисторов R1 (1) и R2 (2), конденсаторов С2 (12) и С4 (14) соединены с общей шиной источника питания, второй вывод резистора R1 (1) соединен с первым выводом конденсатора С1 (11), второй вывод конденсатора С1 (11) соединен с первыми выводами конденсатора С5 (15) и первой индуктивности L1 (31), вторые выводы конденсатора С5 (15), индуктивности L1 (31), резистора R3 (3) соединены с потенциальным выходом источника питания, отличается тем, что введены первый МОП-транзистор с индуцированным каналом n-типа Q1 (35), второй МОП-транзистор с индуцированным каналом n-типа Q2 (32), генератор прямоугольных импульсов V1 (33), четвертый и пятый резисторы R4 (4), R5 (5) постоянных величин сопротивлений, третий и шестой конденсаторы С3 (13), С6 (16) постоянных величин емкостей, при этом сток nМОП-транзистора Q1 (35) соединен с первыми выводами индуктивности L1 (31) и конденсатора С6 (16), второй вывод конденсатора С6 (16) является выходом заявленного генератора, подложки nМОП-транзистора Q1 (35) и nМОП-транзистора Q2 (32), а также исток nМОП-транзистора Q2 (32) соединены с общей шиной источника питания, исток nМОП-транзистора Q1 (35) соединен с первым выводом резистора R4 (4), второй вывод резистора R4 (4) соединен с первым выводом конденсатора С3 (13) и вторым выводом резистора R1 (1), второй вывод конденсатора С3 (13) соединен с вторым выводом конденсатора С2 (12), а также стоком nМОП-транзистора Q2 (32) и первым выводом резистора R5 (5), второй вывод резистора R5 (5) соединен с потенциальным выходом источника питания, вторые выводы резистора R2 (2) и конденсатора С4 (14) соединены с затвором nМОП-транзистора Q1 (35) и первым выводом резистора R3 (3), потенциальный выход генератора прямоугольных импульсов V1 (33) подключен к затвору nМОП-транзистора Q2 (32).
Заявленный генератор работает следующим образом. Колебательный контур, который включен в цепь стока транзистора Q1 (35), образован индуктивностью L1 (31) и конденсатором С5 (15). На частоте генерации он эквивалентен индуктивности. Обратная связь осуществлена с помощью конденсаторов С2 (12) и С4 (14). Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки, задается резисторами R2 (2) и R3 (3). Конденсатор С3 (13) обеспечивает подведение без потерь к затвору транзистора напряжения обратной связи. Элементы R1 (1), С2 (12) образуют цепь истоковой стабилизации рабочей точки транзистора [2, стр. 112-113]. Резистор R4 (4) введен в схему заявленного генератора для обеспечения отрицательной обратной связи по переменному току с целью уменьшения нелинейных искажении выходного колебания. Резистор R5 (5) исключает возможность короткого замыкания источника питания VCC (34) через nМОП-транзистор Q2 (32) при работе генератора прямоугольных импульсов V1 (33). Конденсатор С6 (16) является разделительным.
vT
нас
vT
зап
Механизм манипуляции частоты (изменения значения частоты) генерации следующий. При скачкообразных изменениях, перепадах 1→0, 0→1 напряжения управляющего генератора V1 (33), приложенного к затвору nМОП-транзистора Q2 (32) с индуцированным каналом, сопротивление канала указанного транзистора резко изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения управляющего генератора (33). Сопротивление nМОП-транзистора с индуцированным каналом Q2 (32) «в зависимости от управляющего напряжения может принимать два значения: R=R→0, если VT включен, и R=R→∞, если VT выключен» [3, стр. 410].
vT
зап
ген
При напряжении на выходе управляющего генератора V1 (33), равном напряжению логического нуля, сопротивление nМОП-транзистора с индуцированным каналом Q2 (32) стремится к бесконечности R=R→∞. Поэтому частота генерации f, зависящая от параметров колебательной системы генератора, в данном случае, в частности, содержит и конденсатор С2 (12) в цепи положительной обратной связи генератора. Обозначим частоту генерации
Автогенератор (фиг. 4) собран по схеме с емкостной положительной обратной связью или, что то же, по емкостной трехточечной схеме, где X1 - реактивное сопротивление в цепи сток - затвор nМОП-транзистора Q1 (35), образованное индуктивностью L1 (31), конденсаторами С5 (15), С4 (14), Х2 - реактивное сопротивление в цепи затвор - исток nМОП-транзистора Q1 (35), образованное конденсаторами С4 (14), С2 (12), С3 (13), Х3 - реактивное сопротивление в цепи сток - исток nМООП-транзистора Q1 (35), образованное конденсатором С1 (11).
vT
нас
экв
При напряжении на выходе управляющего генератора V1 (33), равном напряжению логической единицы, сопротивление nМОП-транзистора с индуцированным каналом Q2 (32) стремится к нулю R=R→0. Поэтому конденсатор С2 (12) закорочен. Это приводит к росту эквивалентной емкости (С) в цепи положительной обратной связи автогенератора, следовательно, к уменьшению в этой цепи реактивного сопротивления
В автогенераторе важным условием обеспечения генерации является условие баланса фаз. «Для реализации баланса фаз необходимо выполнение условия
ген
0
ген
0
ген
1
0
[2, стр. 74]. Так как реактивное сопротивление Х2 уменьшилось, то условие баланса фаз (3) на частоте генерации f=f(1) больше не выполняется. Поэтому колебания с частотой f=f(1) прекращаются в момент поступления на затвор nМОП-транзистора Q2 (32) напряжения управляющего генератора V1 (33), равного напряжению логической единицы. Теперь условие (3) реализуется на частоте генерации f=f≠f.
Учитывая, что реактивные сопротивления элементов сток - затвор и сток - исток в цепях nМОП-транзистора Q1 (31) не изменились, выполнение баланса фаз (3) с учетом выражения (2) имеет место на частоте генерации
Смена величин частот генерации происходит без разрыва фазы колебания.
1
0
1
0
1
0
1
0
При скачкообразных изменениях, перепадах 0→1 и 1→0 управляющего напряжения заявленный генератор генерирует без разрыва фазы манипулированные по частоте высокочастотные гармонические колебания с частотами f и f соответственно, при этом f<f, частотная манипуляция генерируемых высокочастотных гармонических сигналов с частотами f и f обусловлена резкими изменениями сопротивления канала nМОП-транзистора Q2 (32), приводящими к значительному изменению реактивного сопротивления цепи положительной обратной связи автогенератора на nМОП-транзисторе Q1 (35) для обеспечения генерации манипулированных по частоте гармонических компонент с частотами f и f соответственно при указанных скачкообразных изменениях, перепадах 0→1 и 1→0 управляющего напряжения.
1ген
Проведено моделирование заявленного генератора. Использованы: nМОП-транзисторы Q1 (35), Q2 (32) с индуцированными каналами с параметрами канала: 1 (длина канала) 0,35 u, w (ширина канала) 0,7 u; генератор прямоугольных управляющих импульсов V1 (33) с параметрами: амплитуда импульсов 2 V, частота следования импульсов 2 kHz; источник питания операционного усилителя: VCC (34) 1,8 V; резисторы и конденсаторы по количеству и номиналам согласно фиг. 4. На фиг. 5 приведен прямоугольный управляющий сигнал генератора V1 (33). На фиг. 6 представлен пример реализации генерации заявленного генератора. На фиг. 7 приведен выходной сигнал заявленного генератора при напряжении на выходе управляющего генератора V1 (33), равном напряжению логической единицы. Частота выходного колебания составила f=13,8448 MHz. На фиг. 8 приведен выходной сигнал заявленного генератора при напряжении на выходе управляющего генератора V1 (33), равном напряжению логического нуля. Частота выходного колебания составила 13,9391 MHz. При скачкообразном изменении, перепаде 0→1 управляющего напряжения изменение частоты генерируемых колебаний составило Δ=(13,9391-13,8448) MHz = 94,3 kHz. Фиг. 9 и фиг. 10 показывают, что при скачкообразных изменениях, перепадах 0→1 и 1→0 управляющего напряжения, частотная манипуляция генерируемых высокочастотных гармонических компонент выходного сигнала осуществляется без разрыва фазы.
Итак, заявленный LC-автогенератор на МОП-транзисторах высокочастотных частотно-манипулированных гармонических колебаний расширяет функциональные возможности LC-автогенератора высокочастотных гармонических колебаний. Расширение функциональных возможностей заявленного генератора заключается в частотной манипуляции генерируемых высокочастотных гармонических колебаний.
Литература
1. Пахлавян А.Н. Радиопередающие устройства. - М.: Связь, 1967. - 567 с.
2. Мушта А.И. Информационные технологии анализа аналоговых электронных устройств в САПР OrCAD. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. - 215 с.
3. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника. / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Радио и связь, 1996. - 768 с.