Генераторы, управляемые напряжением

Генератор, управляемый напряжением, представляет собой автогенератор (АГ), частота выходного сигнала которого может изменяться под действием внешнего управляющего сигнала напряжения или тока.

Специфическими требованиями, предъявляемыми к ГУН являются:

· вид статической модуляционной характеристики (СМХ), т. е. зависимость от ;

· диапазон изменения частоты ;

· уровень фазовых шумов вблизи в выходном сигнале ГУН;

· инерционность управления частотой;

· чувствительность к внешним дестабилизирующим факторам.

Прежде всего отметим, что основными параметрами СМХ являются ее линейность и крутизна . Требования к линейности СМХ с точки зрения перестройки частоты ССЧ ниже, чем при формировании сигналов с частотной модуляцией. Однако необходимо учитывать, что нелинейность СМХ приводит к изменению в диапазоне рабочих частот ССЧ и, следовательно, к изменению рассмотренных в 2.3 параметров синтезатора. Линейность СМХ падает с ростом диапазона перестройки .

Шумовые параметры ГУН обычно хуже, чем у неуправляемых АГ, что связано с наличием собственных шумов элементов цепей управления частотой и воздействием внешних дестабилизирующих факторов через эти цепи на стабильность .

Основными элементами ГУН являются генераторный прибор, колебательная система (КС) и управитель частотой, т. е. реактивный нелинейный элемент, включенный в состав КС. Под действием управляющего сигнала изменяется реактивное сопротивление (проводимость) управителя, резонансная частота КС и, как следствие, частота генерируемых колебаний.

Назначение генераторного прибора – компенсировать потери в колебательной системе. В качестве генераторного прибора вплоть до сантиметрового диапазона волн используются биполярные и полевые транзисторы. В миллиметровом диапазоне применяются двухполюсные генераторные полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением: лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.

КС высокочастотных ГУН выполняется на сосредоточенных LC- эле-ментах. В состав КС в ряде случаев может быть включен кварцевый резонатор. В диапазоне СВЧ в зависимости от конкретных значений частоты КС и блокировочные элементы могут быть выполнены, как на базе элементов с сосредоточенными параметрами, так и на основе соответствующих микрополосковых линий или других устройств с распределенными параметрами. В состав КС также может быть введен коаксиальный керамический резонатор.

Электронная перестройка резонансной частоты КС чаще всего осуществляется с помощью варикапов. Варикап представляет собой полупроводниковый диод, работающий в режиме закрытого p – n -перехода. Зависимость емкости варикапа в этом режиме в функции от действующего на переходе напряжения описывается соотношением

,

где – напряжение на переходе, при котором = ; – контактная разность потенциалов; = 0.3…2 – коэффициент «резкости» перехода; ; – мгновенное значение высокочастотного напряжения на переходе.

При = речь идет о варикапе с «плавным» переходом, при = 0.5 – с «резким» переходом, а при 1 ≤ ≤ 2 – о «сверхрезком». Значение определяется законом изменения концентрации примесей в p – n -переходе. Наибольшее применение в ГУН имеют варикапы с = 0.5. При выборе варикапа с определенным значением следует учитывать определяющее влияние этого параметра на линейность СМХ.

Диапазон перестройки ГУН в первую очередь определяется пределами изменения емкости варикапа. Максимально возможная величина емкости ограничивается необходимостью работы в режиме закрытого p – n -перехода ( < 0), а минимально возможная – обратным пробивным напряжением ( < ). С ростом возрастает и отношение и у диодов со «сверхрезким» переходом оно доходит до 6…8 [3]. С увеличением амплитуды высокочастотного напряжения на варикапе это отношение уменьшается. Кроме того, диапазон перестройки зависит от коэффициента включения варикапа в КС АГ и убывает с его уменьшением. Однако уменьшение коэффициента включения сопровождается уменьшением , что допускает возможность оптимизации ГУН путем выбора соответствующих схемотехнического решения и режима работы транзистора.

Необходимо отметить, что при изменении частоты, обусловленном изменением , происходят и изменение волнового сопротивления КС и добротности варикапа , где – сопротивление материала полупроводника и выводов диода. При этом изменяется эквивалентное сопротивление КС, вызывающее изменение амплитуды колебаний, т. е. паразитную амплитудную модуляцию (ПАМ). Отмеченное явление может привести к уменьшению за счет срыва генерации при недостаточном запасе по самовозбуждению. ПАМ выходного сигнала ГУН может быть устранена включением на его выходе ограничителя амплитуды.

Основными преимуществами управителей частоты на варикапах являются простота схемной реализации, практически отсутствие инерционности в управлении частотой, ничтожная мощность, потребляемая от источника управляющего напряжения, и малые габариты. К недостаткам таких управителей следует отнести значительную нелинейность СМХ при больших и возникающее при этом изменение уровня выходного сигнала.

В сантиметровом диапазоне волн существенно большее перекрытие по частоте и более линейную СМХ можно получить, используя в качестве управителя сферический резонатор из железоиттриевого граната (ЖИГ-резонатора). Собственная резонансная частота ЖИГ-резонатора прямо пропорциональна напряженности пронизывающего его управляющего магнитного поля. КС ГУН в этом случае представляет собой систему двух связанных контуров, одним из которых является ЖИГ-резонатор. Сферические ЖИГ-резонаторы имеют диаметр 5…20 мм, обладают малыми диэлектрическими потерями и эквивалентной добротностью в пределах 500…1000. К недостаткам управителей на ЖИГ-резонаторах относятся сложность конструктивной реализации и большая потребляемая мощность источником управляющего магнитного поля, гистерезисные явления при смене направления изменения частоты и инерционность цепей управления частотой [7].

ГУН с управителями на варикапах обычно выполняются на основе «трехточечных» схем автогенераторов. Сразу же отметим, что вне зависимости от конкретной схемы АГ для увеличения необходимо уменьшать амплитуду напряжения высокой частоты на варикапе , что увеличивает отношение .

Использование схемы «индуктивной трехточки» позволяет получить максимальное значение , поскольку варикап может быть единственным емкостным элементом колебательной системы ГУН. Однако при этом амплитуда будет равна = , где – амплитуда высокочастотного напряжения между коллектором и эмиттером транзистора, а – коэффициент обратной связи. Если используется схема «емкостной трехточки», то = при включении варикапа между коллектором и эмиттером и = – при включении между базой и эмиттером. Присутствие в КС этих схем помимо варикапа линейных емкостей приводит, с одной стороны, к уменьшению , а с другой – к росту линейности СМХ.

Наличие в КС ГУН нелинейной емкости варикапа увеличивает уровень высших гармоник частоты . Для их уменьшения целесообразно использовать два варикапа, встречно включенных по отношению к напряжению высокой частоты. В таком случае падение этого напряжения на варикапах сопровождается противофазным изменением их емкостей и практически постоянной величиной емкости их последовательного соединения. Результирующая емкость управителя уменьшается в 2 раза при сохранении неизменным отношения .

На рис. 3.10 представлен один из возможных вариантов ГУН с управителем в виде встречно-включенных варикапов, выполненный по схеме «емкостной трехточки» с заземленным коллектором. В состав КС помимо варикапов входят конденсатор и катушка индуктивности . В схеме использовано комбинированное базовое смещение (автоматическое – за счет цепочки и принудительное – с помощью делителя ). Остальные элементы схемы являются блокировочными или разделительными.

В ряде областей применения кварцевых АГ возникает необходимость реализации возможности их электронной перестройки, т. е. использования в качестве ГУН. Так, в квантовых стандартах частоты с помощью систем фазовой или частотной автоподстройки осуществляется стабилизация частоты управляемого кварцевого АГ по частоте спектральной линии квантового генератора или дискриминатора (см. 4).

При построении такого ГУН с целью повышения за основу берется фильтровая схема, частота колебаний в которой лежит в окрестности частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора (КвР) [7]. Эффективное управление частотой генерации требует подключения управителя к элементу КС АГ, определяющему частоту генерации, т. е. к КвР. При этом наибольшее значение может быть получено, если последовательно с КвР включается управляющая индуктивность , понижающая частоту последовательного резонанса КвР. Поскольку в качестве управителя используется варикап, для создания управляющей индуктивности необходимо последовательно с варикапом включить дополнительную индуктивность . Тогда .

Сказанное реализовано в схеме, представленной на рис. 3.11. ГУН построен на базе «емкостной трехточки» с КвР в контуре при включении транзистора по схеме с общим коллектором и комбинированным смещением в цепи базы. В состав колебательной системы входят конденсаторы и , катушка индуктивности , КвР и варикап. Вместо дросселей использованы резисторы и , что более технологично и позволяет исключить возможность появления паразитных резонансов. Резистор устраняет вредное влияние емкости кварцедержателя. Аналогичным образом может быть построен ГУН на базе АГ с КвР в цепи обратной связи. Относительное изменение частоты ГУН с КвР составляет (2…4) × .

При осуществлении частотной модуляции в ССЧ с ФАП (см. 2.4) модулирующее напряжение может быть подано либо на варикап совместно с управляющим напряжением , либо на отдельный варикап, введенный в КС ГУН для осуществления модуляции. Требования к линейности СМХ в этом случае должны быть более жесткими в связи с необходимостью обеспечить постоянство девиации частоты в диапазоне рабочих частот синтезатора.