Осцилляторные схемы гетеродинов (генераторы управляемые напряжением)

Генератор может быть построен на любом усилительном элементе, охваченном положительной обратной связью. Обобщенная структурная схема генератора незатухающих колебаний приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Обобщенная схема генератора

Для самовозбуждения колебаний в такой схеме необходимо выполнить два условия:

• Баланс амплитуд.
• Баланс фаз.

Баланс амплитуд выполняется, если произведение коэффициента усиления усилителя K и коэффициента передачи цепи обратной связи будет больше единицы:

Баланс фаз выполняется, если сумма фазового сдвига усилителя и фазового сдвига цепи обратной связи будет равна нулю или кратна 360°:

где n — целое число

В качестве усилительного элемента можно использовать любой активный элемент, обладающий усилением. В случае проектирования гетеродина удобнее всего применять транзистор. Известно, что для построения генератора на транзисторах применяются схемы индуктивных и емкостных трехточек, получившие общее название осцилляторные схемы. В настоящее время схема индуктивной трехточки практически не применяется. Это обусловлено высокой стоимостью индуктивностей.

Емкостные трехточки тоже имеют три варианта включения колебательного контура. Эти варианты в англоязычной литературе имеют свои названия. Их схемы приведены на рисунках 2 … 4.

Рисунок 2. Схема Пирса

Рисунок 3. Схема Колпитца

Рисунок 4. Схема Клаппа

Любую из приведенных схем генераторов можно использовать для реализации гетеродина. На рисунке 5 для примера приведена схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе.

Рисунок 5. Схема Клаппа, выполненная на биполярном транзисторе

В этой схеме усилительный элемент (транзистор VT1) включен в схему контура L1 C1 C2, резонансная частота которого и задаёт частоту генерации схемы. Глубина обратной связи задаётся соотношением ёмкостей C2 и C3 контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте самовозбуждения.

Развязывающий конденсатор C3 не дает индуктивности L1 закоротить базу транзистора VT1 на корпус схемы по постоянному току, поэтому цепи стабилизации тока транзистора по постоянному току можно рассматривать независимо.

В данной схеме применена схема коллекторной стабилизации. В схеме генератора в большинстве случаев для стабилизации режима достаточно этого вида стабилизации тока транзистора При увеличении коллекторного, а, значит, и эмиттерного, тока транзистора VT1 (например, из-за увеличения температуры) увеличивается падение напряжения на резисторе R2. Это приводит к уменьшению напряжения U_бэ, т.к. по закону Киргофа напряжение на базе может быть описано следующим образом:

откуда можно выразить напряжение U_бэ:

Уменьшение напряжения U_бэ приводит к уменьшению тока базы транзистора и в конечном итоге к стабилизации тока покоя транзистора VT1.

В качестве еще одного примера принципиальной схемы гетеродина, на рисунке 6 приведена схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе.

Рисунок 6. Схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе

В схеме гетеродина, приведенной на рисунке 6 применена схема эмиттерной стабилизации по постоянному току. В ней базовый делитель напряжения собран на резисторах R2 и R3, а эмиттерный резистор — это R1. В остальном схема включения транзистора по постоянному току не отличается от схемы включения транзистора, приведенной на рисунке 5.

В схеме гетеродина, приведенной на рисунке 6, транзистор включен по схеме с общей базой. Это позволяет применять данную схему гетеродина на очень высоких частотах. Как и в схеме включения транзистора с общим коллектором, она не инвертирует входной сигнал, поэтому для самовозбуждения колебаний достаточно подать на вход часть энергии колебаний из выходного контура. Частотно-задающий параллельный контур в данной схеме гетеродина составляют элементы L1, C1, C2. Глубина обратной связи определяется соотношением емкостей конденсаторов C1 и C2. Развязывающий конденсатор большой емкости C4 обеспечивает заземление верхнего по схеме конца индуктивности L1. Конденсатор C3 обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току.

Для гетеродинов очень важно обеспечить стабильность генерируемой частоты. В этом случае воздействие мощной помехи, действующей на выход гетеродина, может привести к захвату его частоты или к паразитнойчастотной модуляции помехой. Именно поэтому очень важно обеспечить минимальное влияние нагрузки на частотуколебания, генерируемого гетеродином приемника. Особенно это требование касается первого гетеродина.

Развязку выходной и входной цепи обычно выполняют при помощи усилителя на транзисторе или интегральной микросхеме. Заодно и энергии от гетеродина можно забирать поменьше, что уменьшит вносимые потери вчастотозадающий контур и, в конечном итоге, повысит стабильность частоты гетеродина.

В качестве развязывающего устройства может подойти любой усилитель, однако чаще всего применяется транзисторный усилитель с общим коллектором (эмитерный повторитель). Подобная схема гетеродина с развязкойот смесителя при помощи эмитерного повторителя с гальванической связью междуусилительными каскадами приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Гетеродин с развязкой от нагрузки при помощи эмиттерного повторителя

В настоящее время в качестве буферного усилителя применяются интегральные микросхемы, позволяющие получить нормированное усиление и развязку входа микросхемы от ее выхода во всем диапазоне рабочих частот. В качестве примера можно назвать буферизирующую микросхему MAX2470 фирмы MAXIM. Благодаря своим малым размерам эта микросхема занимает площадь, меньшую, чем схема, собранная на отдельных элементах.

Существуют микросхемы, в которых для реализации гетеродина достаточно подключить только внешнюю индуктивность. В качестве подобной микросхемы можно назвать микросхему MAX2605. Тем не менее, для получения качественных характеристик очень важна конструкция гетеродина и ряд фирм, таких как Mini-Circuits или Sirenza microdevices, выпускают готовые модули гетеродинов, предназначенные для работы в определенном диапазоне частот.

Рисунок 8. Схема гетеродина, реализованная на специализированной микросхеме MAX2620

На стабильность частоты гетеродина оказывает большое влияние стабильность и шумовые параметры источника питания, поэтому при реализации гетеродинов большое внимание уделяется схемам питания гетеродинов.

Первоначально для снижения уровня пульсаций напряжения, присутствующих на источнике питания радиоприемного устройства, по цепям питания гетеродина ставились фильтрующие RC цепочки. Эти же цепочки снижают влияние остальных блоков приемника на частоту сигнала, вырабатываемого гетеродином.

По мере совершенствования интегральных микросхем в качестве активных фильтров стали применять малошумящие стабилизаторы напряжения. В качестве примера подобного стабилизатора можно назвать микросхему ADP3330 фирмы ANALOG DEVISES. Схема гетеродина с применением в качестве фильтра питания малошумящего стабилизатора ADP3330 приведена на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема гетеродина с малошумящим стабилизатором напряжения

На этой схеме в качестве каскада, уменьшающего влияние смесителя на выходную частоту гетеродина, применена буферизирующая микросхема MAX2470. Цепочка R20, C57 предназначена для уменьшения шумов на выходе микросхемы малошумящего стабилизатора напряжения ADP3330, примененной в качестве фильтра питания гетеродина.

Кроме нестабильности питающих напряжений и нагрузки на значение генерируемой частоты влияет старение и зависимость от температуры частотозадающих элементов (индуктивности и емкостей, входящих в состав контура). Для того, чтобы обеспечить стабильность генерируемой частоты применяют индуктивности и емкости с малой зависимостью от температуры. В ряде случаев применяется несколько конденсаторов с противоположной зависимостью от температуры.

Дата последнего обновления файла 04.03.2018

1. " Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса - М.: "Высшая школа" 1976 стр. 339 - 353
2. Микросхемы генераторов фирмы MAXIM (описание микросхемы MAX2620)
3. http://www.synergymwave.com (Специализируется на производстве высококачественных ГУН и кварцевых генераторов)

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.