книги из ГПНТБ / Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет

на р-п переходе варикапа. Рассмотрим сначала случай, когда действует только напряжение Uв, определяемое на основании (3.2)—(3.8) как

UB = Ui6(l+о)С0/рСво

(3.135)

Количественная оценка этого влияния согласно (3.68) ха рактеризуется выражением

		С в = - г ^		(3.136)
			£ 1 / 2 ( 1 — m c c o s K f ) i / 2
где	Е = Е0	+ ф0 ; Е0 — постоянное напряжение смещения
на	варикапе;	поскольку это смещение имеет знак, проти­
воположный		знаку ЕЭ бв(3.68), оно суммируется с контакт­
ной разностью потенциалов ср0; тс — UJE				— коэффициент
модуляции емкости			варикапа.
	Разлагая	в ряд	1/(1 — mc cos сог)1 / г	и ограничиваясь

только первыми тремя членами разложения, что можно счи­

тать справедливым при тс <			0,2, получаем
В	/	тг	3	\
С в = —	П -f--±.Cos«rf-f- -jj-m£ cos2			со/j . (3.137)

Учитывая, что зависимость между током и напряжением

при емкостной	нагрузке	имеет вид
	/ c	= ©Ce £/B sinfirf.	(3.138)
и подставляя в (3.133) значение для Св , получаем
ic = imc sin со/^1 -f-^y cosco/ - f -— тс cos2 со/ j ,			(3.139)
где		B<oU
			(ЗЛ40)
	imC — —rrf —( 0 ^1в Uв*
С 1 в — емкость	варикапа при отсутствии переменного на­

пряжения.

Разлагая (3.139) в ряд Фурье в предположении, что управ­ ляющее напряжение близко к синусоидальному, получаем значение первой гармоники тока

2л

^Jsin		(Otjfot:
t c i =l	2 W((l + ^ C O S C 0 / + - y / П І COS*

е=ітС[і+±тЬу

(3.141)

Отсюда емкостная проводимость для первой гармоники с учетом (3.140) будет равна

« С в = - | і = с о С 1 в ( і + А т г ) ^
«<вС 1 в (1 + 0,1тЬ),	(3.142)
т. е. приращение емкости С 1 в из-за переменного	напряже­
ния составит
ДСв = 0,1С 1 в т £ ,	(3.143)

а относительное приращение емкости колебательной систе­ мы можно записать в виде

Д С 0 _	С 1 0 А С В	^0,\mhc10	( 3
Св	С 1 в (С1 0 4>Сів )	С1 0 -ф-Сів

И, наконец, частотная поправка за счет переменного напря­ жения будет

бв = А/// = 0,05тс.	(3.145)
Для того чтобы уменьшить дестабилизирующее влияние
этой частотной поправки, применяют два варикапа, после­
довательно включенных навстречу друг другу	[12]. В этом
случае частотная поправка (3.145) уменьшится	до 0,5у	от
своего первоначального значения, где у — отношение		раз­

ности емкостей варикапов к их среднему значению. Для уменьшения поправки б в необходимо также стремиться к уменьшению напряжения UB, создавая облегченный режим для автогенератора уменьшением U9Q.

Температурная зависимость частоты автогенератора, обусловленная соответствующей зависимостью емкости варикапа, определяется в основном температурной зависи­ мостью контактной разности потенциалов ф0 , которая будет сказываться тем больше, чем меньше величина смещающего напряжения Е0.

Таким образом, наряду с положительными свойствами схемы с управлением частоты варикапом (возможность бы­ строй перестройки частоты, малые габариты), ей присущи и серьезные недостатки, связанные с уменьшением стабиль­ ности частоты как за счет частотной поправки 6В , обуслов­ ленной нелинейной зависимостью емкости варикапа от на-

пряжения, так и за счет увеличения уровня других частот­ ных поправок из-за уменьшения эквивалентной доброт­ ности колебательной системы, а также за счет увеличения ТКЧ контура. Эти недостатки будут проявляться тем зна­ чительней, чем больше осуществляемый варикапом коэф­ фициент перекрытия по частоте.

Итак, рассмотрены вопросы, связанные с управлением частотой автогенератора, в котором активным элементом схемы является биполярный транзистор. Изложенный спо­ соб регулирования частоты пригоден и для автогенераторов, работающих на полевых транзисторах. Однако напряжение UB в этом случае будет больше, чем при автогенераторе на биполярном транзисторе, поэтому трудности в получении достаточно малых значений коэффициента тс возрастают.

	Рассмотрим теперь случай, когда схема, приведенная
на	рис. 3.40, представляет автогенератор,	модулированный
по	частоте низкочастотными колебаниями	с частотой F =

= Q/2n. Применительно к данному случаю выражение (3.48) можно представить в виде

CoF =	і	,	(3.146)
	£ 1 / 2 ( l + m F s i n Q z ) i / 2
где	ntp = Uf/E		(3.147)

— коэффициент модуляции емкости варикапа; UF — на­ пряжение низкой частоты, действующее на р-п переходе варикапа.

На метровых и дециметровых волнах, на которых обычно осуществляется частотная модуляция, легко выполнимо условие

	mF<0,l.	(3.148)
Тогда выражение (3.146) можно представить в виде
CoF —	^ 1 — ^ є і п ш ] .	(3.149)
	El/2

При этом изменяющаяся из-за модуляции величина емко­ сти варикапа будет

ДСвг< = ^BmFsmQt/2E1'2,

(3.150)

191

или согласно (3.144) величина девиации частоты составит

A / m

=

/п trip С,п

=

/., ffib-G'•

(3.151)

/ m

4 ( С І 0 ф С 1 в )

4С 1 В

Для модуляции по частоте автогенераторов, работающих на

полевых транзисторах, хорошие результаты дает

схема

реактив­

ного

транзистора

(рис. 3.41)

Согласно

работе

|2]

входная

емкость

транзистора

определится

как

С в х = С с 5 р / ? р / ( 1 ^ ( / 4 ) ,

(3.152)

где

S p ,

/ ? р

= Р р / с о С р -

крутизна

характеристики

и резонансное

сопротивле

ние

контура

в

цепи

сто

ка

реактивного

транзи

стора;

Сс — емкость

меж

ду

затвором

и

истоком, в

которую

входит

емкость

затвор — исток

транзисто­

ра

(при этом

должно

вы­

полняться

условие

С с <

« C P ) ; < / ~ ( l - c o 2 Z . p C p K > p -

коэффициент,

характери­

J .

X

зующий

расстройку

кон­

тура

реактивного

транзи­

Рис.

3.41.

Принципиальная

схема

стора

от

частоты

автогене­

реактивного полевого

транзистора

ратора; со — частота

моду­

лируемого

автогенератора;

<Ур — добротность

контура, для получения

большей

равномерности

девиации частоты

по

диапазону не

должна

быть

значительной

« ? р < Ю).

Собственную

частоту контура

реактивного

транзистора не­

обходимо выбирать вне диапазона частот, перекрываемого автоге­ нератором. При этом для схем автогенераторов с емкостной связью эта частота должна быть выше, а для трехточечной схемы с частич­

ной

индуктивной

связью — ниже диапазона частот, перекрывае­

мого автогенератором.

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.

К а м е н е ц к и й

Ю

А.

Эквивалентные

схемы

кристал­

лических триодов. В сб. «Полупроводниковые приборы и их

применение»,

под ред

Я. А. Федотова,

вып. 2.

Изд-во «Совет­

ское

радио»,

1957.

2.

Ш и т и к о в

Г.

Т. Стабильные

диапазонные

автогенераторы.

Изд-во «Советское

радио»,

1965.

3. Ф е д о т о в

Я.

А. Основы

физики полупроводниковых при­

боров.

Изд-во

«Советское

радио»,

1964.

4.

С п и р и д о н о в

Н.

С ,

В е р т о г р а д о в

В.

И. Дрей­

фовые

транзисторы Изд-во

«Советское

радио»,

1964.

5.	P a g	e	D.	F .	A design		basis for junction transistor circuits.
	Proc.	I R E , 1958, v.				46, № 6.
6.	Ч e л H о к о в				С.	А. Стабильность		частоты автогенераторов
	на полупроводниковых триодах. В сб. «Полупроводниковые
	приборы		и их применение», под ред. Я. А. Федотова, вып. 6.
	Изд-во	«Советское радио»,					1960.
7.	Г р о ш к о в с к и й					Я.	Генерирование		высокочастотных		ко­
	лебаний и стабилизация частоты. Пер. с								польского, под ред.
	Б. К. Шембеля. Изд-во иностранной							литературы,		1953.
8.	Д а н л э п			У.	Введение		в физику	полупроводников.			Пер.
	с англ., под ред. В. Л.						Вонч-Бруевича.		Изд-во	иностранной
	литературы,			1959.

9.С е в и н Л. Полевые транзисторы. Изд-во «Советское радио», 1968.

10.И г у м н о в Д . В. Работа полевого транзистора при малых уровнях тока. В сб. «Полупроводниковые приборы и их приме­ нение» под ред. Я. А. Федотова, вып 22. Из"д-во «Советское радио», 1969.

П . Л ь в о в и ч А. А.,	Г е й с м а н Ю. В. Высокостабильные
кварцевые генераторы	на туннельных диодах Изд-во «Связь»,
1970.

12.Л а г у т и н В. К. Колебательный контур, перестраиваемый нелинейной емкостью. Изд-во «Энергия», 1964.

4.КВАРЦЕВЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ

4.1.ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ

Стабильность частоты относится к одному из основных параметров, характеризующих работу автогенератора при воздействии на него дестабилизирующих факторов. Все более жесткие требования к стабильности частоты (порядка Ы 0 ~ 6 - ^ Ы 0 ~ 1 0 ) , предъявляемые при проектировании со­ временных радиотехнических устройств различного назна­ чения, во многих случаях удается удовлетворить при помощи кварцевых автогенераторов, в которых основным стабили­ зирующим элементом является кварцевый резонатор.

Трудности получения заданной стабильности генери­ руемой частоты при большом сроке службы радиотехни­ ческих устройств объясняются не только старением элемен­ тов генератора и жесткостью требований к стабильности и воспроизводимости частоты. Значительно препятствуют по лучению высокостабильных колебаний ударные и вибра ционные нагрузки, влажность и температура, изменяющиеся в и ироких пределах, изменения напряжений источников пи тания и непостоянство нагрузки автогенераторов. Поэтом)

современный высокостабильный	кварцевый	автогенератор
на полупроводниковых приборах	помимо	активного	эле
мента (транзистор или туннельный диод), кварцевого			резо­

натора и деталей схемы автогенератора должен содержать:

—буферный каскад — усилитель, который благодаря слабой связи с автогенератором и рациональному режиму, уменьшает влияние изменений нагрузки на работу генера­ тора и, следовательно, на генерируемую частоту;

—систему амортизации, обеспечивающую ослабление вибрационных и ударных нагрузок;

—влагозащитное устройство, либо исключающее про­ никновение влаги в объем, где помещен кварцевый гене-

194

ратор (герметизация), либо уменьшающее влияние измене­ ний влажности на параметры элементов схемы (влагостой­ кие покрытия);

—стабилизированный источник питания или оптималь­ ную схему автогенератора, обеспечивающие ослабление влияния нестабильности питающих напряжений;

— системы термостатировапия и термокомпенсации, минимизирующие влияние частотно-температурных харак­ теристик кварцевых резонаторов и дестабилизирующих эле­ ментов схемы автогенератора на частоту и амплитуду авто­ генератора при изменении рабочей температуры.

К системам стабилизации питающих напряжений, термостатирования, термокомпенсации, амортизации в схемах высокостабильных кварцевых автогенераторов предъяв­ ляются сравнительно высокие требования. Например, от­ носительная нестабильность источника питания во многих случаях должна быть не хуже &Е/Е ± I - Ю - 3 , а изменение температуры резонатора не должно превышать сотых и да­ же тысячных долей градуса при изменении температуры ок­ ружающей среды на ±50° С для обеспечения суточной не­ стабильности термостатированного кварцевого автогене­ ратора не хуже А/// < 5 • 10 ~8 .

В зависимости от назначения кварцевого автогенератора требования к узлам, входящим в автогенератор, изменяются, но всегда остаются достаточно жесткими.

Кроме того, в состав автогенератора могут войти и дру­ гие узлы. Например, в управляемых (перестраиваемых по частоте) автогенераторах появится элемент перестройки, в автогенераторах с ударным возбуждением — формирова­ тель импульсов и разделительный мост, а в автогенерато­ рах сетки стабильных частот, так называемых датчиках множества частот, может оказаться необходимым применять серию кварцевых автогенераторов, преобразователей часто­ ты, фильтров и систем фазовой и частотно-фазовой авто­ подстройки частоты (ФАП, ЧФАП), работающих в непре­ рывном или импульсном режиме.

Таким образом, можно заключить, что круг вопросов, которые необходимо решить при создании кварцевого авто­ генератора, весьма обширен. Некоторые вопросы, решае­ мые при разработке кварцевого автогенератора, выходят за рамки настоящей книги и здесь не рассматриваются. К ним относятся: амортизация кварцевых генераторов, защита их от влияния влажности и стабилизация питающих напряже-

ний. Вопросы же проектирования датчнкор множества ча­ стот достаточно подробно изложены в 11].

В данной главе будут рассмотрены характеристики и па­ раметры кварцевых резонаторов, по существу определяющие стабильность частоты кварцевых автогенераторов; проведен качественный анализ различных схем кварцевых автоге­ нераторов, в том числе на туннельных диодах, при воздей­ ствии различных дестабилизирующих факторов и даны ре­ комендации по вопросам применения их в широком диапа­ зоне частот; рассмотрены различные способы термостатироваиия й термокомпенсации, позволяющие обеспечить вы­ сокую долговременную стабильность кварцевого автоге­ нератора.

Кварцевый автогенератор как узел радиотехнического устройства характеризуется основным параметром — не­ стабильностью частоты во времени, т. е. уходами частоты во времени. Причем различают два вида нестабильности ча­ стоты автогенератора во времени: кратковременную и дол­ говременную [2]. Кратковременная нестабильность частоты

кварцевого	автогенератора определена как уходы	частоты
за короткие	интервалы времени, а долговременная	неста­

бильность — как уходы частоты за длительные интервалы. Строго граница разделения по времени между двумя этими понятиями не установлена и условно определена в интер­ вале 100—1000 с. Такое определение нестабильности частоты кварцевого автогенератора во времени не связано с физи­ ческими явлениями, происходящими в кварцевом автогене раторе.

Всякое отклонение частоты или фазы во времени принято называть нестабильностью частоты. Отметим, что для не строго гармонического процесса, определяемого выраже­ нием

a(t) = A(t) sin [ю/ -+ ф(/)1,

где амплитуда и фаза зависят от времени, понятие частоты всегда жестко связано с временем усреднения.

Исключение этой связи введением понятия «мгновенная частота» 131 абстрактно и не позволяет ввести границы для кратковременной и долговременной нестабильности частоты. Любой реальный автогенератор имеет цепи с конечными зна­ чениями постоянных времени, определяющими усреднение частоты в самом автогенераторе.

В практике измерений наиболее часто под нестабиль­ ностью частоты понимают среднеквадратичное отклонение

196

частоты, измеренное за интервал времени т, от среднего ее значения, усредненного за интервал времени (, значительно больший чем с {41. Такое определение *не полностью харак­ теризует процесс изменения частоты кварцевого автогенера тора, так как создает неоднозначность из-за произвольного выбора времени т и t. Поэтому при публикации результатов исследований кварцевых автогенераторов приходится ука­ зывать время измерения. При этом, как правило, приводят ся данные только для одного произвольно выбранного вре­ мени измерения т. Это затрудняет сравнение опубликован­ ных данных.

Пригодность исследованных автогенераторов для ис­ пользования в различных радиотехнических системах удоб­ но оценивать, сравнивая данные для разных времен изме­ рения. Покажем, что это возможно.

Уходы частоты кварцевых автогенераторов являются случайным процессом, подчиняющимся нормальному за­ кону распределения 15, 6], поэтому наиболее полной обоб щенной характеристикой может служить либо ненормиро ванная корреляционная функция, либо зависимость средне квадратичного значения уходов частоты от времени изме рения. Действительно, нестабильность частоты кварцевых автогенераторов обусловлена как внутренними флюкгуационными явлениями в активном элементе схемы, де­ талях схемы, так и влиянием других дестабилизирующих факторов (старение, нестабильность источников питания, изменение температуры и др.).

Нестабильность, вызванную первой причиной, называют естественной, а вызванную второй причиной — техниче­ ской.

Упрощенное выражение относительного среднеквадра­ тичного отклонения частоты от среднего значения для есте­ ственной нестабильности имеет вид [7]:

где D — коэффициент диффузии, зависящий от природы флюктуации, ее величин и величин параметров схемы.

Для технической нестабильности можно записать (81

о й ) техн

ы

где АС9 — изменение эквивалентной емкости схемы АС-автогенератор а (резонатор включен между анодом и сет­ кой); Q — добротность колебательной системы автогенера­ тора; 5 — средняя крутизна усилительного элемента схемы автогенератора; величины ДСЭ , Q и 5 изменяются во вре­ мени.

В накоплении естественной и технической нестабиль­ ности есть существенная разница. Естественная нестабиль­ ность возрастает с уменьшением времени измерения, тех-

ЇИЗМ гр

t)j3tf

Рис. 4.1. Зависимость относительных среднеквадра­ тичных уходов частоты от времени наблюдения.

ническая уменьшается (рис. 4.1). Как видно из рис. 4.1, минимальной суммарной относительной среднеквадратич­ ной нестабильности соответствует граничное время / и з м г р . Замечено [5], что это время измерения примерно равно

^изм гр ~		2Qkb//P>
где QKB — добротность	кварцевого		резонатора; / р — ге­
нерируемая частота автогенератора.
Время измерения	^ и з м г р	можно	считать граничным,

разделяющим нестабильность частоты на кратковременную и долговременную. Кратковременная и долговременная не­ стабильность—понятия более общие, чем естественная и техническая нестабильность, так как обусловлены уходами частоты как за счет естественной, так и за счет технической нестабильности.

Таким образом, исходя из соотношения спектра сигнала кварцевого автогенератора и полосы пропускания квар­ цевого резонатора, долговременную и кратковременную

і 98