СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ФАЗЫ КОЛЕБАНИЙ В РЕЗОНАНСНОМ КОНТУРЕ С ВАРИКАПАМИ
METHOD AND DEVICE FOR INCREASING OSCILLATION PHASE STABILITY IN RESONANCE CIRCUIT WITH VARICAPS

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано в частотно-избирательных цепях с настройкой варикапами при большом уровне переменного сигнала, резонансных усилителях.
Известным способом [1] ослабления нелинейности частотно-избирательных цепей с варикапами, приводящей к искажению сигнала вследствие амплитудно-фазового преобразования, является встречно-последовательное соединение (ВПС) пар варикапов. Способ позволяет в случае использования пар идентичных варикапов ликвидировать четные гармоники тока в контуре и тем самым ослабить нелинейные эффекты, однако, даже в этом идеальном случае сохраняется зависимость постоянной составляющей емкости ВПС от амплитуды колебаний напряжения на варикапах. В результате резонансная частота контура меняется с изменением уровня сигнала. Как следствие, изменение уровня входного переменного сигнала приводит к нежелательному изменению фазы выходного сигнала.
Прототипом, наиболее близким по технической сущности устройством, реализующим предлагаемый способ повышения стабильности фазы колебаний в контуре с варикапами, является резонансный контур [2], содержащий катушку индуктивности с отводом, разделительные емкости для подключения входной и выходной цепей, встречно-последовательно соединенные варикапы и цепь управления варикапами с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот.
Основными недостатками перечисленных способов и устройств является то, что при изменении амплитуды входного сигнала меняется средняя за период колебания емкость варикапов, появляется нестабильность резонансной частоты контура и фазы выходного сигнала.
Задачей (техническим результатом) заявляемого изобретения является повышение стабильности фазы колебаний в контуре с варикапами за счет снижения зависимости емкости контура и соответственно резонансной частоты контура от амплитуды колебаний на варикапах.
m
Варикап в контуре находится под воздействием постоянного напряжения смещения E и переменного, гармонического, с амплитудой U
Эквивалентная емкость ВПС идентичных варикапов по первой гармонике может быть представлена [3] в общем случае выражением
0Э
m
m
m
к
к
m
m
m
m
m
m
где C(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, f(x) - функция, определяемая вольт-фарадной характеристикой варикапов. Для x=0 функция f(x)=1. Увеличение амплитуды U при E=const вызывает рост x и f(x). Соответственно растет эквивалентная емкость (2), что, в свою очередь, приводит к уменьшению резонансной частоты контура
p
m
Для снижения зависимости ω от амплитуды колебаний предлагается ввести коррекцию напряжения смещения E на такую величину ΔE, чтобы емкость ВПС оставалась неизменной при изменении амплитуды колебаний на контуре. Связь между U и ΔE можно найти из уравнения
0
m
0
где E - смещение на варикапах при U≈0, aE=E-ΔE.
1. Поставленная задача решается тем, что в известном способе повышения стабильности фазы колебаний в резонансном контуре с варикапами, при котором пары идентичных варикапов включают встречно-последовательно, к общим электродам варикапов подсоединяют цепь управления варикапами с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот, согласно изобретению на варикапы подают дополнительное управляющее напряжение, компенсирующее влияние амплитуды сигнала на среднее за период колебания значение емкости варикапов, для чего сначала измеряют амплитуду колебаний, приходящуюся на один варикап и величину напряжения внешнего смещения, затем делят первое напряжение на второе, дополненное значением напряжения контактной разности потенциалов перехода варикапов, в результате получают значение относительной амплитуды колебаний, для которого с помощью специальной схемы в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов вырабатывают упомянутое вышекомпенсирующее напряжение, которое через дополнительную цепь управления подают на варикапы так, чтобы при увеличении амплитуды сигнала сумма напряжений внешнего смещения и компенсации росла, а при уменьшении - падала.
2. Поставленная задача решается тем, что в устройстве повышения стабильности фазы колебаний в резонансном контуре с варикапами, содержащем катушку индуктивности, встречно-последовательно соединенные варикапы, общие электроды которых подсоединены к цепи подачи внешнего напряжения смещения, согласно изобретению к контуру подсоединено устройство повышения стабильности фазы колебаний, содержащее амплитудный детектор АД, с выхода которого сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, приходящейся на один варикап, поступает на первые входы формирующего устройства ФУ и делителя напряжений ДН, на второй вход которого подается напряжение, пропорциональное сумме напряжений внешнего смещения и напряжения, равного контактной разности потенциалов варикапов, полученное сложением их в сумматоре 2, а с выхода ДН-сигнал, равный отношению напряжения на первом его входе к напряжению на втором, поступает на второй вход ФУ, в котором вырабатывается в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов напряжение, компенсирующее вызванное воздействием амплитуды сигнала изменение средней за период колебания емкости варикапов, в полярности, противоположной полярности внешнего напряжения смещения, которое подается на вход второй цепи управления варикапами с малым сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением по постоянному току, включенной между «землей» и точкой соединения одного из выводов катушки индуктивности с варикапом.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем:
m
- измеряют амплитуду колебаний, приходящуюся на один варикап U,
- измеряют величину внешнего управляющего напряжение смещения E;
к
m
m
к
- находят отношение амплитуды колебаний на варикапах к величине управляющего напряжения, дополненного значением напряжения контактной разности потенциалов p-n перехода φ используемого типа варикапов - относительную амплитуду колебаний x=U/(E+φ);
- для найденного значения относительной амплитуды колебаний на варикапах с помощью специальной схемы вырабатывают дополнительное управляющее напряжение для компенсации влияния амплитуды колебаний в контуре на значение средней за период колебания емкости варикапов - компенсирующее напряжение ΔE;
- через дополнительную цепь управления варикапами компенсирующее напряжение подают на варикапы в такой полярности, чтобы при увеличении амплитуды входного сигнала сумма напряжений E и ΔE росла, а при уменьшении - падала.
В результате совокупности предпринятых действий в сочетании с использованием устройства формирования компенсирующего напряжения и дополнительной цепи управления варикапами достигается требуемый технический результат - получение колебаний с повышенной стабильностью фазы в резонансном контуре с варикапами.
На фиг.1 представлена одна из возможных схем реализации предлагаемого способа, структурная схема устройства, реализующего способ повышения стабильности фазы колебаний в контуре с варикапами, содержащая
АД - амплитудный детектор;
ДН - делитель напряжения;
Σ - сумматор напряжений;
ФУ - формирующее устройство.
Резонансный контур включает в себя катушку индуктивности L и соединенные встречно-последовательно варикапы VD1, VD2. Для управления варикапами по постоянному напряжению предусмотрены две раздельные цепи с входами в точках Е1 и Е2 с сопротивлениями подачи напряжения смещения на варикапы Z1(ω) и Z2(ω) соответственно.
Для тока с частотой колебаний в контуре ω сопротивление Z1(ω)=∞, Z2(ω)=0, а для постоянного тока и модулирующих частот Z1 и Z2 имеют конечную величину.
вх
вых
вых
вых
Входной сигнал u с частотой ω поступает в контур через разделительную емкость C1 и создает в нем гармонические колебания u с амплитудой напряжения на контуре U(ω), выходной сигнал u с амплитудой U(ω) отводится через емкость C2. Отношение амплитуд U/U=k.
д
д
вых
к
к
Выходной сигнал детектируется амплитудным детектором АД с коэффициентом детектирования k=U/U и поступает на первый вход делителя напряжения ДН, на второй вход которого подается напряжение (Е+φ) с выхода сумматора Σ, полученное путем сложения в сумматоре напряжения E со входа цепи управления E1 и постоянного напряжения, равного по величине φ варикапов. В делителе напряжения ДН получается значение
д
0Э
m
которое передается в формирующее устройство ФУ, на второй вход которого поступает напряжение U. ФУ формирует по заданному закону напряжение ΔE, которое подается на вход E2 второй цепи управления варикапами в полярности, противоположной знаку внешнего напряжения смещения E. В этом случае значение C (2) будет меняться так, что произведение его с f(x) останется неизменным.
вх
вых
Таким образом, при различных амплитудах входного сигнала u емкость ВПС варикапов (2) для установленного значения внешнего напряжения смещения E остается постоянной, резонансная частота (3) сохраняет свое значение и фаза колебаний выходного сигнала u остается неизменной.
m
Каждому типу варикапов соответствует своя функция, связывающая U и ΔE, которую должно реализовать формирующее устройство ФУ.
Устройство, реализующее способ повышения стабильности фазы колебаний в контуре, перестраиваемом варикапами с резким p-n переходом.
Для варикапов с резким p-n переходом в работе [3] получено следующее выражение, описывающее эквивалентную емкость ВПС идентичных варикапов по первой гармонике
0Э
0
0
где C(E)=0,5C(E), C(E) - емкость одного варикапа в отсутствие переменного напряжения. Согласно [4] варикапы с резким p-n переходом хорошо аппроксимируется соотношением
ε
где C - емкость p-n перехода, измеренная при значении напряжения E=ε (указывается в паспорте варикапа).
m
0
Для U≈0 при E=E из (6) следует
Уравнение (4) с учетом (6), (8) примет вид
0
Учитывая, что E=E+ΔE, из выражения (7) получим
Подставив (10) в (9), получим
m
Принимая во внимание обозначение для x из (11) получим
Принимая во внимание (5), из (12) получим выражение, которое должно реализовать ФУ для варикапов с резким p-n переходом
или
На фиг.2 приведена блок-схема устройства повышения стабильности фазы колебаний в контуре для варикапов с резким p-n переходом, содержащая ФУ, реализующее выражение (14).
Устройство состоит из
- амплитудного детектора АД,
- интегрального делителя напряжения ИДН,
- аналогового перемножителя АП,
- сумматора напряжений Σ и резисторов R1÷R6.
Устройство, реализующее способ повышения стабильности фазы колебаний в контуре, перестраиваемом варикапами с резким p-n переходом, работает следующим образом.
вых
д
д
вых
д
д
к
д
к
к
д
д
к
д
вх
2
2
2
С выхода колебательного контура фиг.1 сигнал с амплитудой U=kU (где k<1) поступает на АД фиг.2. С выхода АД напряжение U=kU (где k<1) подается на первый вход АП, выполненного по известной схеме [5], и через делитель напряжения 1:32 на резисторах R1, R2 на первый вход ИДН, выполненного по известной схеме [5]. На второй вход ИДН подается напряжение (kk)×(E+φ), полученное в сумматоре напряжений Σ, выполненном по известной схеме [5]. На входы сумматора Σ подаются ослабленные в (kk) раз на резистивных делителях R3, R5 и R4, R6 соответственно напряжения E и -φ. Величина напряжения φ для кремниевых варикапов составляет 0,6÷0,8 В [4]. С выхода ИДН напряжение величиной [U/32]/[(kk)×(E+φ)] подается на второй вход АП, где перемножается с напряжением U. С выхода АП напряжение (14) в полярности, противоположной напряжению E, подается на второй вход E2 цепи управления варикапами фиг.1. В качестве цепи Z2(ε) можно использовать интегрирующую цепочку, в которой номинал резистора выбирается из условия нормальной работы АП, а емкость конденсатора из условия оказания малого сопротивления токам с частотой колебаний в контуре ω и достаточного сопротивления токам с частотой модуляции амплитуды входного сигнала u.
Стабильность фазы колебаний в предложенном резонансном контуре с варикапами повышена по сравнению с прототипом за счет введения второй цепи управления варикапами с малым сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот на вход, которой подано дополнительное управляющее напряжение, компенсирующее влияние амплитуды колебаний в контуре на значение средней за период колебания емкости варикапов, вырабатываемое специальной схемой в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов.
Источники информации
1. Лабутин В.К. Частотно-избирательные цепи с электронной настройкой. -М.-Л., Издательство «Энергия», 1966. - 208 с., ил.
2. Бобрешов A.M., Аверина Л.И., Исаев А.В. Интермодуляционные искажения в перестраиваемых полосовых фильтрах // Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. - 2010. - №2. - с.181-188.
3. Кулешов В.Н., Савченко М.П. Эквивалентная емкость ВПС варикапов // Радиоэлектроника. - 1988. - №2. - с.71-74 (Изв. высш. учеб. заведений).
4. Савченко М.П., Карпинская Т.А. Эквивалентная схема и параметры УКВ варикапов // Радиотехника, 1985, №11.
5. 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).