Малошумящий, управляемый напряжением генератор с электронным переключением поддиапазонов

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано при построении генераторов как для расширения перекрытия по частоте, так и в целях снижения крутизны настроечной характеристики (крутизны перестройки) для снижения уровня шума генератора, например при использовании его в составе малошумящих широкодиапазонных синтезаторов частот.
Известны зарубежные микросхемы синтезаторов частот со встроенными генераторами, например типа ADF4350 производства фирмы Analog Devices, MAX2870 производства фирмы Maxim Integrated, недостатками которых является снижение добротности и стабильности частоты колебательного контура (КК) генератора за счет наличия в его составе коммутирующих ключей и возможность возникновения неравномерности шага изменения емкости, вследствие пространственной протяженности матрицы конденсаторов, понижение частоты LC-генератора из-за увеличения суммарной индуктивности вследствие увеличения длины соединительных проводников, соединяющих индуктивность контура с другими элементами, что и ведет к снижению стабильности частоты генератора.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является широкополосный генератор, управляемый напряжением (ГУН), описанный в статье «Особенности проектирования широкополосных синтезаторов частот на основе ФАПЧ с интегрированным ГУН» в журнале №11/2015 «Компоненты и технологии» стр. 84-87, вариант построения схемотехники ГУН изображен на рис. 2, на стр. 85, принятый за прототип.
В генераторе-прототипе используется электронная перестройка частоты и формирование поддиапазонов за счет переключения конденсаторов в колебательной системе генератора и автоматическая система поиска оптимального поддиапазона генератора, необходимая из-за весьма низкой стабильности частоты генератора ввиду несовершенства цепей коммутации и требующей для своей работы до 40 мкс., как это следует из описания устройства.
Существенная часть устройства-прототипа, связанная со способом формирования поддиапазонов генератора, приведена на примере двух поддиапазонов и представлена на фиг. 1, где обозначено:
ЭК1 – электронный коммутатор (ЭК);
R1 – разделительный резистор;
R2, R3, R4, R5 – резисторы, задающие режим работы транзистора VT1;
R6 – резистор, ограничивающий ток управления;
D1 – коммутирующий диод;
VD1, VD2 – варикапы;
L1 – катушка индуктивности колебательного контура;
С1, С2, С3 – емкостной делитель колебательного контура;
С4 – разделительный конденсатор;
C5 – коммутируемый конденсатор колебательного контура;
VT1 – транзистор;
Еу – источник управляющего напряжения;
Еп – источник питающего напряжения;
Ек – источник коммутирующего напряжения.
Устройство-прототип содержит колебательный контур генератора, образованный катушкой индуктивности L1, коммутируемым конденсатором C5, встречно-последовательно включенными варикапами VD1 и VD2 и емкостным делителем С1, С2, С3. Источник коммутирующего напряжения Ек через электронный коммутатор 1 и резистор R6 подключен к точке соединения анода диода D1 и вывода коммутируемого конденсатора C5. Источник управляющего напряжения Еу через резистор R1 подключен к точке соединения первого VD1 и второго VD2 варикапов. Анод варикапа VD1 через конденсатор C1 соединен с базой транзистора VT1, между базой и эмиттером которого включен конденсатор С2, а эмиттер транзистора через параллельно включенные конденсатор С3 и резистор R5 соединен с общей шиной, к которой подключены также анод второго варикапа VD2, катод диода D1 и другой вывод катушки индуктивности L1. Источник напряжения питания Еп подсоединен к коллектору транзистора VT1 и через делитель напряжения из R4 и R2 и резистор R3 – к базе транзистора VT1, резистор R2 другим выводом соединен с общей шиной.
Эмиттер транзистора VT1 соединен с конденсатором С4, другой вывод которого является выходом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Первый поддиапазон (п/д) генератора включается подачей через электронный коммутатор ЭК1 отпирающего напряжения Ек на диод D1, за счет чего конденсатор С5 подключается к колебательному контуру генератора и при нижнем пределе управляющего напряжения Еу имеет место нижний предел частоты генератора для первого п/д. При этом верхний предел частоты первого п/д определяется верхним значением управляющего напряжения Еу. Аналогичным образом при подаче на диод D1 запирающего напряжения Ек происходит отключение конденсатора С5 от колебательного контура и определяется нижний предел второго поддиапазона при нижнем пределе управляющего напряжения Еу. Значение номинала конденсатора С5 выбирается с учетом степени перестройки варикапов VD1 и VD, и стыковки границ поддиапазонов и реализации непрерывного перекрытия по частоте генератора.
Недостатком устройства-прототипа является снижение добротности и стабильности частоты колебательного контура генератора за счет наличия в его составе коммутирующего диода D1 с неидеальными параметрами в открытом и закрытом состоянии, что снижает стабильность частоты генератора и повышает уровень шума генератора. Дальнейшее наращивание поддиапазонов этим способом приводит к усугублению указанного недостатка.
Минимальная ширина выбираемых поддиапазонов ГУН ограничивается тем, какую часть их ширины составляют возможные уходы их границ за счет дестабилизирующих факторов (температура, технологический разброс, старение и др.) и чем больше их ширина, тем менее актуальны возможные уходы границ поддиапазонов.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в снижении уровня шумов на выходе генератора, в снижении нестабильности генерируемой частоты и в снижении влияния дестабилизирующих факторов на уход границ поддиапазонов генератора, что позволяет исключить систему поиска частотного диапазона и повысить быстродействие переключения частоты.
Для решения поставленной задачи в малошумящем, управляемом напряжением генераторе с электронным переключением поддиапазонов, содержащем электронный коммутатор, генератор, управляемый напряжением одного поддиапазона с колебательным контуром, состоящим из двух встречно-последовательно включенных варикапов, которые соединены параллельно с катушкой индуктивности и емкостным делителем из трех конденсаторов, при этом анод первого варикапа через первый конденсатор делителя соединен с базой транзистора, между базой и эмиттером которого включен второй конденсатор делителя, к эмиттеру транзистора подсоединены параллельно включенные третий конденсатор делителя и резистор, задающий режим работы транзистора другими выводами соединенные с общей шиной; между общей шиной и коллектором транзистора включен резистивный делитель, точка соединения двух резисторов делителя через третий подсоединена к базе транзистора; точка соединения варикапов через разделительный резистор подключена к входу управляющего напряжения; один вывод разделительного конденсатора является выходом устройства, а также коммутирующий диод и резистор, согласно полезной модели, выход электронного коммутатора соединен с коллектором транзистора, эмиттер которого соединен с анодом коммутирующего диода, катод которого соединен с другим выводом разделительного конденсатора и через резистор, задающий ток отпирания и напряжение запирания коммутирующего диода, – с общей шиной, кроме того, вход электронного коммутатора подключен к источнику напряжения питания.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 2, где обозначено:
1, 2, N – генераторы, управляемые напряжением (ГУН) соответствующих поддиапазонов;
ЭК1 – электронный коммутатор;
С4 – разделительный конденсатор;
R6 – резистор, задающий ток отпирания и напряжение запирания коммутирующих диодов;
Еу – источник управляющего напряжения;
Еп – источник питающего напряжения.
В предлагаемом устройстве используются N самостоятельных, идентичных генераторов на N поддиапазонов с переключением по напряжению питания и коммутации их выходов диодами, тем самым, исключая коммутацию элементов непосредственно в колебательных контурах генераторов.
Предлагаемое устройство содержит источник управляющего напряжения Еу, соединенный с входами управляющего напряжения N параллельно включенных генераторов. Выходы 1 – N ГУН подсоединены через разделительный конденсатор C4 к выходу устройства и к резистору, задающему ток отпирания и напряжение запирания коммутирующих диодов R6 – к общей шине. Источник питающего напряжения Еп соединен с входом электронного коммутатора, N выходов которого подключены к входам питающего напряжения каждого из N генераторов соответственно.
Схема генератора, управляемого напряжением одного из поддиапазонов представлена на фиг. 3, где обозначено:
R1 – разделительный резистор;
R2, R3, R4, R5 – резисторы, задающие режим работы транзистора VT1;
VD1, VD2 – первый и второй варикапы;
D1 –коммутирующий диод;
L1 – катушка индуктивности колебательного контура;
С1, C2, С3 – конденсаторы емкостного делителя колебательного контура;
С4 – разделительный конденсатор;
VT1 – транзистор.
Генератор, управляемый напряжением одного поддиапазона состоит из встречно-последовательно соединенных варикапов VD1 и VD2, которые соединены параллельно с катушкой индуктивности L1, емкостным делителем из конденсаторов С1, С2, С3 и образуют колебательный контур генератора. Анод варикапа VD1 через конденсатор С1 соединен с базой транзистора VT1, между базой и эмиттером которого включен конденсатор С2, к эмиттеру транзистора VT1 подсоединены параллельно включенные конденсатор С3 и резистор R5, другими выводами соединенные с общей шиной. К эмиттеру транзистора VT1 подключен анод диода D1, катод которого соединен с разделительным конденсатором С4 (фиг. 2). Выход электронного коммутатора соединен с коллектором транзистора VT1 и через резистивный делитель, состоящий из R4, R2, и резистор R3 – с базой транзистора VT1, при этом другой вывод резистора R2 соединен с общей шиной.
Кроме того, точка соединения варикапов VD1 и VD2 через разделительный резистор R1 подсоединена к входу управляющего напряжения генератора, а другие выводы индуктивности L1 и варикапа VD2 соединены с общей шиной.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
С помощью ЭК1 напряжением питания Еп включается первый генератор, рассчитанный на перекрытие первого п/д, одновременно напряжением с эмиттера транзистора VT1 открывается коммутирующий диод D1 и за счет напряжения на резисторе R6 закрывается второй коммутирующий диод генератора второго п/д (на фиг. 3 не показан). Аналогичным образом, с помощью электронного коммутатора ЭК1 напряжение питания Еп подается на коллектор транзистора N-го ГУНа, открывается соответствующий диод и включается генератор N-го п/д
Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет при использовании его, например, в составе малошумящего широкодиапазонного быстродействующего синтезатора частот значительно повысить быстродействие синтезатора за счет исключения необходимости иметь систему поиска поддиапазона и получить в нем значительное снижение уровня шума и улучшение его основных параметров за счет возможности оптимизации параметров каждого из отдельных генераторов.
В предлагаемом устройстве могут быть использованы в качестве активных элементов VT1.1, VT1.2, например, транзисторы типа 2Т368А9, в качестве варикапов VD1.1, VD1.2, VD2.1, VD2.2 – варикапы типа 2В124А9, в качестве коммутирующих диодов D1.1, D1.2 – диоды типа 2Д409А9.
При выполнении генератора по схеме предлагаемого устройства, т.е. в виде набора отдельных самостоятельных, переключаемых по напряжению питания генераторов на свои участки диапазона частот, без переключения элементов в их колебательных системах, снижение уровня шума генераторов по сравнению с прототипом может составлять до 20 дБ, а высокая стабильность частоты позволяет исключить сложную автоматическую систему поиска нужного поддиапазона, заменив её быстродействующей системой включения нужного поддиапазона по таблице частот генератора подачей на него напряжения питания, что сокращает время включения нужного поддиапазона генератора по сравнению с прототипом в десятки раз.