Как работает генератор управляемый напряжением

8

Как работает генератор управляемый напряжением

Сейчас разрисую, погоди пол часика, думаю описание подтянутся написать. Ожидайте.

Вооот.
Значит работает так:
Это симметричный триггерный генератор в котором индуктивность логических элементов управляется внешним электронным полем. Чем больше мы подаем на вход напряжения, тем меньше индуктивность кристалла, она образует с конденсаторами С1 и С2 колебательный контур, с повышением частоты от приложенного напряжения. Два других логических элемента 1,3 1,4 нужны для умножения противофазы напряжений конденсаторов и буфера тока для стабилизации индуктивности 1,1 и 1,2 через резисторы R5 и R6. 4 других резистора нужны для ограничения тока элементов, чтобы индуктивность не сожгла кристалл.

Красная линия на рис1 это фаза тока на конденсаторах (противофазна), синий на обоих рисунках входной сигнал.
Красный на вотром рисунке это уже готовый выходной сигнал с элемента 1.4. То есть видно что с ростом напряжения растет частота импульсов.

_________________
Любители музыки слушают музыку, аудиофилы — шумы в паузах

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

_________________
Если хотите, чтобы жизнь улыбалась вам, подарите ей своё хорошее настроение

Импульсные источники питания LM450/600-20Bxx производства компании MORNSUN представляют собой надежные ИП, подходящие для применения в суровых условиях эксплуатации. Особенностью источников питания этой серии является мощность, увеличенная до 450/600 Вт, что существенно расширяет спектр возможных применений. В ИП реализованы необходимые защитные функции, такие как защита от короткого замыкания выхода, перегрузки и превышения выходного напряжения. Изоляция «вход-выход» выдерживает напряжение до 4000 В и резкие перепады температур.

_________________
Любители музыки слушают музыку, аудиофилы — шумы в паузах

Обзор представленных в Компэл новых серий семейств DDRH и RSDH на DIN-рейку и на шасси для высоковольтных сетей постоянного тока с диапазоном входных напряжений от 150 до 1500 В. Могут применяться для станций зарядки электромобилей и электробусов, ж/д транспорта, систем хранения энергии, альтернативной энергетики, телекоммуникационных центров и центров обработки данных.

_________________
Если хотите, чтобы жизнь улыбалась вам, подарите ей своё хорошее настроение

_________________
Любители музыки слушают музыку, аудиофилы — шумы в паузах

_________________
Если хотите, чтобы жизнь улыбалась вам, подарите ей своё хорошее настроение

_________________
Любители музыки слушают музыку, аудиофилы — шумы в паузах

_________________
Как же сложно быть скромной, когда ты лучшая!

Эт что у вас за радиоэлектронника такая? Альтернативная какая-нибудь? (по аналогии с аудиофилами, что динамики из тараканов лепят и кондёры из туалетной бумаги?)

_________________
Если хотите, чтобы жизнь улыбалась вам, подарите ей своё хорошее настроение

_________________
Управление по управлению всеми управлениями.
Что такое шаговое напряжение?
-это напряжение между ногами когда берешь за голый конец.

. КирХгофа . учись Света, учись

———-
Пользователь Ёрш забанен на 2 дня за попытку научить учёного. С уважением, Света.

_________________
Если прибор, будет способен видеть сигналы с частотами в пару сотен мегагерц, не превратив их в синус, — я готов настраивать его через ключи в командной строке, или правя текстовый файл. (с) Microtech

_________________
Если хотите, чтобы жизнь улыбалась вам, подарите ей своё хорошее настроение

Компоненты синтезаторов стабильной частоты.Генераторы, управляемые напряжением

В любом радиотехническом и электронном устройстве необходим источник опорных колебаний со стабильной частотой. Поскольку невозможно построить такой генератор на любую заданную частоту, используют синтезаторы стабильных частот (СЧ) -устройства преобразования частоты колебаний из одного значения в другое с малым шагом перестройки и низкими погрешностями. Схемы построения СЧ, в зависимости от конкретных технических требований, различны, однако в каждой из них используют набор типовых электронных компонентов: управляемые по частоте генераторы, умножители и делители частоты, смесители, частотные фильтры, элементы цифровой техники. Номенклатура этих электронных компонентов чрезвычайно разнообразна, так что их правильный выбор — задача достаточно сложная.

Помочь разработчикам в столь непростом выборе призвана эта статья. Особое внимание в ней будет уделено выявлению основных технически значимых параметров электронных компонентов радиочастотных схем, сформулированы рекомендации по их выбору для генераторов стабильной частоты.

В предлагаемой статье рассмотрены важнейшие характеристики генераторов, управляемых по частоте напряжением (ГУН).

Принципы построения ГУН

Генератор, управляемый по частоте напряжением (Voltage Controlled Oscillator — VCO), представляет собой автоколебательную аналоговую схему (рис.1), которая питается от источника напряжения Eо, снабжена цепью управления частотой напряжением Еу и формирует на внешней нагрузке Rн напряжение u(t). Форма выходного напряжения ГУН близка к гармонической и описывается выражением u(t) = Uo[1 + µ(t)]sin[2πfгt + e(t)], где Uo — амплитуда; fг — частота; µ(t) — относительные изменения амплитуды (|µ(t)|<<1); e(t) — отклонения фазы от равномерного во времени закона, |e(t)|<<2π. Как правило, активный элемент автогенератора ГУН — транзистор с колебательной системой на LC-элементах, которая создает положительную обратную связь, компенсирующую потери и обеспечивающую генерацию на частоте fг.

Рис. 1. Схема соединения ГУН с внешними электрическими цепями

В твердотельных ГУН миллиметрового диапазона (рис.2) в качестве активного элемента используется полупроводниковая структура на GaAs с отрицательным сопротивлением. Элементы L, С1, С2 и варикап VD1 образуют колебательную систему; Др1, Др2 и ДрЗ — блокировочные дроссели; Сбл1 C6л2, Сбл3, Сбл4 — блокировочные конденсаторы; R1 и R2 — цепь формирования отпирающего напряжения транзистора; R3 — резистор ограничения рабочего тока транзистора VT1. В СВЧ-диапазоне колебательная система и блокировочные элементы выполняются в виде микрополосковых линий или иных цепей с распределенными параметрами. Эквивалентная емкость С3экв варикапа VD1 зависит от управляющего напряжения Еу на входе управления. Для улучшения характеристик ГУН вместо одиночного варикапа применяют варикапные матрицы (встречно включенные варикапные пары).

Рис. 2. Пример принципиальной схемы ГУН

В диапазоне ниже 20 МГц в качестве ГУН приемлемы функциональные генераторы — ИС на основе операционных усилителей с электронным управлением перестройкой частоты в 10-100 раз за счет изменения тока заряда RC-цепи. Однако по стабильности частоты такие ГУН существенно уступают LC-генераторам, а их более высокочастотная реализация проблематична.

Без учета влияния инерционности транзистора и фазового сдвига в цепи обратной связи автогенератора частота генерации fг определяется реактивными элементами колебательной системы:

где 1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3эквЕ(у).

Амплитуда Uo установившихся выходных колебаний зависит от режима транзистора, параметров колебательной системы и сопротивления нагрузки. При повышении управляющего напряжения Еу эквивалентная емкость варикапа С3экв(Еу) уменьшается, емкость С падает, а частота генерации fг растет. При этом из-за изменения потерь в колебательной системе может происходить паразитное изменение амплитуды (мощности) генерации. Паразитное влияние на частоту и амплитуду генерации оказывают также вариации питающего напряжения Еу, температуры окружающей среды, модуля и фазы сопротивления нагрузки.

Диапазон перестройки частоты и линейность зависимости частоты от напряжения смещения на варикапе в значительной степени определяются его вольт-фарадной характеристикой с учетом паразитных емкостей схемы. Для ГУН, перестраиваемых в широкой полосе частот, разрабатывают специальные варакторные диоды со сверхрезким рn-переходом, которые позволяют изменять емкость С более чем в четыре раза, а частоту, следовательно, — более чем в два раза. В таких ГУН оптимизируют номиналы колебательной системы и блокировочных элементов, дроссели заменяют резисторами, исключающими паразитные резонансы, используются балансные схемы активных элементов, снижающие влияние вариаций нагрузки и температуры окружающей среды на частоту и уровень фазового шума. Чтобы упростить схему управления частотой и уменьшить эффект изменения нагрузки, иногда собственно ГУН дополняют буферным усилителем и широкополосным удвоителем частоты.

Основные параметры ГУН

Основные технические характеристики и параметры ГУН, которые надо учитывать при создании электронной аппаратуры на их основе, можно разделить на три группы: характеристики качества сигнала, характеристики управления частотой и параметры чувствительности к внешним воздействиям.

Качество выходного сигнала ГУН характеризуют:

• выходная мощность (power output) Рвых. Определяется как мощность на номинальной согласованной нагрузке (Rн=50 Ом) в середине рабочего интервала управляющего напряжения при номинальной температуре окружающей среды (+25°С). Величина Рвых измеряется, применительно к СЧ, в децибелах относительно мощности 1 мВт: Рвых[дБмВт] = 10lg (Рвых[мВт]/1 мВт). В англоязычной литературе используют обозначение 1 dBm = 1 дБмВт;
• диапазон частот (frequency range) fвых измеряется в мегагерцах и определяется как максимальная частота, на которую может быть настроен ГУН путем изменения управляющего напряжения;
• спектральная плотность мощности (СПМ) фазового шума (phase noise) Sφ(F), где F = |f — fг| — отстройка от несущей частоты (carier offset). Величину Sφ(F) измеряют анализатором фазы (например, типа Agilent 4352S), включающим опорный генератор с прецизионной фазовой стабильностью. В таком анализаторе выделяется фазовое расхождение e(t) сигнала ГУН от опорного колебания анализатора на заданной частоте fг и вычисляется спектр мощности, то есть Фурье-образ e(t) в зависимости от частоты отстройки F. Зависимость Sφ(F) приводится как односторонняя (Single Side Band — SSB) спектральная плотность мощности, т.е. величина, на 3 дБ меньшая, чем суммарная мощность фазового шума при положительных и отрицательных отстройках, которая появляется на выходе фазового дискриминатора в анализаторе фазовых нестабильностей. Величина Sφ(F) измеряется в децибелах среднего квадрата фазовых отклонений от опорного колебания по отношению к 1 рад 2 в полосе 1 Гц для каждого значения частоты отстройки [дБ/Гц]. В англоязычной литературе используется размерность [dBc/Hz]. Графики Sφ(F) строятся в логарифмическом масштабе по двум осям (Bode diagram). Величина Sφ(F) падает по мере увеличения F, достигая минимального уровня "белого фазового шума" Sφбел при отстройках порядка полосы пропускания колебательной системы автогенератора. Для простоты вместо графика Sφ(F) уровень фазового шума характеризуют значениями СПМ для нескольких значений отстройки, например 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц и т.д. По характеристике Sφ(F) можно определить СПМ частотных отклонений от номинальной частоты Sf(F) = F 2 Sφ(F), которая измеряется в единицах квадрата отклонения частоты (Гц 2 ) на единицу полосы отстроек [Гц 2 /Гц]. Величина Sf(F) также уменьшается с увеличением отстройки, достигая уровня "белого частотного шума" Sfбел, характерного для каждой модели ГУН. Оценочная кратковременная нестабильность частоты (residual FM) определяется интегральным среднеквадратичным паразитным отклонением , где Fн Fв- граничные частоты. По умолчанию принимают Fн = 50 Гц, Fв = 3 кГц. Относительная нестабильность частоты Δfско/fг для LC-генераторов радиочастотного диапазона составляет величину 10 -5 -10 -7 . При измерении шумовых характеристик в качестве источников напряжений Ео и Еу используют аккумуляторные батареи, чтобы снизить влияние СПМ шума источника питания на уровень фазового шума ГУН;
• подавление высших гармоник (harmonic suppression). Уровень синусоидальности выходного сигнала ГУН характеризуется мощностью второй А2, третьей А3, иногда четвертой А4 гармоник в спектре выходного сигнала по отношению к мощности несущего колебания и измеряется в децибелах [дБ] или [dBc];
• значения питающего напряжения Eо [В] и потребляемого тока Iо[мА];
• продолжительность процесса включения и выключения τ_вкл. Для ГУН, работающих в импульсном режиме, эта величина измеряется как отрезок времени, в течение которого после подключения питающего напряжения выходная мощность ГУН достигает 0,9 от номинального значения.

К характеристикам управления частотой относятся:

• модуляционная характеристика (frequency tuning characteristic) -зависимость частоты генерации от квазистатического изменения управляющего напряжения f_г(Еу). Для простоты вместо кривой f_г(Еу) указывают наименьшее fн и наибольшее fв значения частоты при электронной перестройке, пределы допустимых значений управляющего напряжения Еумин и Еумакс, а также характеризуют линейность модуляционной характеристики (tuning linearity), например, указывая пределы изменения крутизны управления частотой (tuning sensitivity) Sy =(Δfг/ΔEу) [МГц/В] по диапазону перестройки управляющего напряжения. Относительную полосу перестройки BW = [fв — fн/fcp где fcp = (fв + fн)/2 — середина полосы, измеряют в процентах. Для ГУН с широкой полосой перестройки удобнее использовать коэффициент перекрытия по частоте kf= fв/fн. Например, для октавного ГУН kf= 2;
• изменение выходной мощности (output power variation) в диапазоне управляющих напряжений Рвых(Еу). В качестве численных параметров вместо кривой Рвых(Еу) для простоты указывают в [дБмВт] наибольшую и наименьшую мощности выходного сигнала в допустимом интервале изменения управляющего напряжения при номинальных нагрузке и температуре;
• полоса пропускания по цепи управления Fмод (tuning bandwidth). Эта величина является мерой инерционности вариаций частоты по отношению к быстрым изменениям управляющего напряжения. Она определяется как частота (в кГц) гармонического напряжения на входе управления ГУН, при которой девиация частоты выходного сигнала уменьшается в √2 раз по сравнению с девиацией при медленном (квазистатическом) изменении Еу в тех же пределах;
• ток в цепи управления частотой Iу. Варикап в качестве управляющего частотой элемента обычно заперт, поэтому постоянная составляющая тока управления Iу в середине интервала изменения Еу ничтожна — менее 10 мкА. Но ток через варикап может существенно возрасти при близких к нулю управляющих напряжениях из-за открывания рn-перехода высокочастотным напряжением, что приводит к падению выходной мощности ГУН. Наибольшее значение Еу ограничено открыванием рn-перехода варикапа высокочастотным напряжением в области пробоя. Отметим, что амплитуда высокочастотного напряжения на варикапе может заметно превышать напряжение источника питания.

Чувствительность к влиянию внешних факторов характеризуют:

• вариации частоты при изменении питающего напряжения Eo (frquency pushing) So = Δf/ΔEo [МГц/В] при номинальных температуре и нагрузке;
• температурный коэффициент изменения частоты ТКЧ = Δf/ΔT, измеряемый в [МГц/ ° С] при номинальной температуре +25°С. Кроме того, указываются уходы частоты от номинального значения для предельно допустимых значений температуры окружающей среды, например -55°С и +85°С;
• изменения частоты Δf_φp-p при вариациях фазы коэффициента отражения от нагрузки (frequency pulling). Величина Δf_φp-p определяется как разность между максимальным и минимальным значениями (peak-peak) частоты [МГц р-р] для всех значений фазы коэффициента отражения от 0 до 180° при подключенном непосредственно к выходу ГУН согласованному аттенюатору на 6 дБ или при фиксированном коэффициенте стоячей волны = 2.

Номенклатура ГУН

В мире свыше 35 фирм выпускают более 3500 моделей ГУН (табл. 1, 2). Выходная мощность ГУН обычно варьируется в пределах от -5 дБмВт до +16 дБмВт. Как правило, пониженный уровень Рвыхотносится к моделям, в которых встроен выходной буферный каскад, ослабляющий влияние нестабильной фазы нагрузки. С другой стороны, ГУН шведской фирмы Sivers IMA (см. табл.1) имеют выходную мощность до +28 дБмВт в диапазоне миллиметровых волн.

ГУН на основе LC-генераторов предназначены для диапазона частот от 5 МГц до 26 ГГц. В интегральных схемах (ИС) ГУН миллиметрового диапазона длин волн иногда включают широкополосный буферный умножитель частоты на 2 или на 4, который играет роль развязывающего каскада для ослабления влияния нагрузки, а пониженная частота автогенератора облегчает построение колебательной системы с управлением частотой на варикапе. Именно так построена ИС HMC398QS16G (рис.3). Кроме того, она содержит направленный ответвитель (НО) и широкополосный предварительный делитель частоты (prescaier) на 4 с дополнительными выходами когерентных противофазных колебаний дециметрового диапазона, что облегчает организацию системы фазовой автоподстроики частоты (ФАПЧ) для стабилизации дискретной сетки частот.

Рис. 3. Структурная схема ГУН миллиметрового диапазона HMC398QS16G

Относительная ширина полосы перестройки частоты современных ГУН лежит в пределах от 1-10 % до октавы и более. Ее ограничивают такие факторы, как предел изменения емкости варикапа, недопустимые изменения выходной мощности, нелинейность модуляционной характеристики. Среди ГУН с октавным интервалом перестройки (k_f= 2) можно выделить ИС POS-500W для диапазона 0,5 ГГц и М3500-0613 для диапазона 1,3 ГГц. Фирма Micronetics также разработала ИС MW500-1414 специально для сверхширокополосных систем диапазона 4 ГГц с kf = 2,3 при выходной мощности (+11+0,75) дБмВт. Электронную перестройку частоты с k_f = 1,7 в 4-см диапазоне допускают и микросхемы VO3262C/00 с повышенной мощностью в нагрузке.

Шумовые свойства ГУН различного диапазона можно сопоставить следующим образом. Допустим, надо определить, что с точки зрения шумов более предпочтительно в радиосистеме с несущей частотой f_г = 1100 МГц и зоной отстроек на F = 1 МГц: ГУН JCOS-1100LN или ИС POSA-138 с выходной частотой 137,5 МГц и последовательным малошумящим умножителем частоты на 8. Шумовые характеристики некоторых ГУН представлены на рис. 4. Из графика видно, что при одинаковых отстройках (125 кГц) Sepf/7) для POSA-138 на 13 дБ лучше, чем для JCOS-1100LN. Однако при требуемой отстройке 1 МГц применение JCOS-1100LN обеспечивает Scp(1 МГц) = -150 дБ/Гц (точка А на рис.4). В то же время, при умножении несущей частоты после POSA-138 на N= 8 отношение уровня фазовых нестабильностей к несущей не изменится и останется таким же, как и при отстройках на 125 кГц. На выходе умножителя шум Scp(1 МГц) будет равен шуму ГУН POSA-138 &р(125 кГц) = -146 дБ/Гц (точки В и Б на рис.4, соответственно) без учета дополнительного шума при умножении. Таким образом, JCOS-1100LN по уровню шума предпочтительнее POSA-138 на 4-6 дБ.

Рис. 4. Шумовые характеристики ГУН

Типовые значения S_φбел составляют -120. -130 дБ/Гц для рабочих частот менее 500 МГц и -95. -102 дБ/Гц для ГУН с выходной частотой 2-3 ГГц. Среди малошумящих ГУН можно выделить MW500-1343 (Micronetics) с уровнем шума -147 дБ/Гц на частоте fr= 150 МГц при отстройке F= 100 кГц и -100 дБ/Гц при отстройке F= 1 кГц и JTOS-25 (Mini-circuits), величина СПМ фазового шума которого составляет -115 дБ/Гц при отстройке F= 10 кГц. Для указанных ИС зона белого частотного шума соответствует отстройкам F= 10-20 кГц, а уровень S_{f бел} существенно зависит от шумовых свойств источников напряжений E0 и Еу

Содержание высших гармоник в выходном сигнале ГУН зависит от вида колебательной системы, режима активного элемента автогенератора и от рабочей точки варикапа. Уровень второй гармоники А2 изменяется в пределах от -7 дБ (HMC385LP4) до -35 дБ (JTOS-100) или -40 дБ (POSA-138). Для снижения уровня высших гармоник в выходную цепь некоторых ГУН встраивают фильтры нижних частот, подавляющие вторую и высшие гармоники. В результате этого в MW500-1343 уровень второй гармоники не более -20 дБ, а третьей менее -40 дБ; в VO3262K/00 благодаря такому фильтру А2 = -30 дБ. Нужно отметить, что при использовании встроенных умножителей и делителей частоты в спектре выходного колебания появляются дополнительные дискретные комбинационные компоненты на половинной и на полуторной частотах (у HMC398QS16G их уровень — -20 дБ и -30 дБ, соответственно).

Питающие напряжения ГУН для большинства изделий составляют 3 В (POS-1605PV; VCO191-2750U), 5 или 12 В. Ток потребления обычно не превышает 20-30 мА. В ряде ГУН встроен буферный усилитель для увеличения развязки от вариаций нагрузки (например, ZOS-1025). В таких изделиях потребляемый ток достигает 140 мА. ГУН повышенной выходной мощности (VO3262K/00) потребляют до 300 мА. Для некоторых моделей ГУН нормируется время установления и спада мощности после коммутации питания: для МАХ2753 τ_вкл = 10 мкс,τ_выкл = 8 мкс.

Модуляционные характеристики ГУН монотонны и, как правило, достаточно линейны (рис.5). Для выбора рабочей точки по управляющему напряжению с точки зрения линейности модуляции удобно использовать зависимость SJEJ. На рис.6 видно, что у генератора JCOS-820WLN, оптимизированного разработчиком как малошумящий, крутизна модуляционной характеристики изменяется в заметных пределах 3,8-10 МГц/В. В ГУН ROS-150 приняты меры по линеаризации модуляционной характеристики, поэтому ее крутизна изменяется от 4,9 до 6,2 МГц/В.

Рис. 5 Модуляционные характеристики октавного ГУН ROS-150. Сплошной линией показана зависимость fr(Ey), пунктиром — соответствующая Рвых(Еу)

У ГУН интервалы значений управляющего напряжения Еу могут быть различны. В качестве нижней границы Еу большинство производителей указывают 0,5 или 1 В. Дело в том, что при Еу, близком к нулю, рл-переход варикапа открывается положительной полуволной высокочастотного напряжения и через него начинает течь прямой ток. Поэтому значение Еу=0 обычно безопасно, но не соотвествует номинальному режиму. Однако есть модели, в которых Еу = 0 входит в рекомендуемые пределы (М3500-0613, ROS-900PV). Некоторые ИС ГУН разработаны для схем с напряжением управления не более 3 В (VCO191-2750U), не более 5 В (JTOS-300P) и свыше 20 В (MW500-1262). Можно выделить микросхему МАХ2753, у которой при низковольтной цепи управления высокая крутизна модуляционной характеристики Sy>150 МГц/В.

Рис. 6. Зависимость модуляционной чувствительности ГУН от управляющего напряжения

Полоса модулирующих частот в большинстве изделий не опускается ниже F_MOД = 100 кГц. Но для низкочастотных ГУН, например POS-50P, она снижается до 50 кГц. Поскольку данный параметр ограничен только номиналами блокировочных цепей, то можно выбрать ГУН с заметно более широкой полосой по цепи управления. Так, в М3500-0613 полоса модулирующих частот достигает 17,6 МГц.

Коэффициент чувствительности частоты к вариациям температуры окружающей среды изменяется в пределах от 20 МГцГС для М3500-0613 диапазона 6 ГГц до 0,02 МГцГС для MW500-1343 диапазона 160 МГц. Для ROS-900PV повышение температуры от 25° до 85°С приводит к снижению частоты на 5 МГц (0,6%) и мощности на 0,6 дБ, понижение же температуры до -55°С увеличивает частоту на 5 МГц, а мощность на 0,4 дБ. Типичная чувствительность ГУН к изменению температуры в широких пределах показана на рис. 7.

Рис. 7. Изменения частоты в широком температурном интервале для МАХ2753

Если в ГУН встроены буферные широкополосные усилители или удвоители частоты, чувствительность к фазе коэффициента отражения уменьшается. Например, при ослаблении на 6 дБ в ИС MW500-1343 Δfφ_p-p снижается до 0,13 МГц на частоте 160 МГц, в ГУН HMC398QS16G — до 4 МГц на частоте 15 ГГц. Встроенный буферный усилитель позволяет в некоторых моделях (VO3262C/00) иметь два взаимно развязанных выхода для подключения нагрузки.

В заключение отметим, что данные об основных мировых производителях ГУН, а также массу иной полезной информации, например таблицу соответствия единиц измерения мощности [Вт] и [дБмВт], можно найти на сайте www.radiocomp.ru.

Мнения читателей

• admin / 25.04.2020 — 11:13

Таблица 1 поправьтеUniversal Microwave. 108100(может 10-8100)диапазон же. и пока не придумано генераторов с диапазоном 0-108 Ггц

А вот теперь вопрос действительно серъезный — Внимание!Где можно посмотреть принципиальные схемы на перечисленные ГУН? (например JTOS400) Или это секрет фирмы-изготовителя?

Можно ли Рис. 2. Пример принципиальной схемы ГУН сделать в увеличенном или более четком виде? А то не разобрать подписи! Зарание спасибо!

вопрос вы не работали с синтезаторами частот кф1015пл4

Было полезно (особенно таблицы). И ничего лишнего.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

3.3. Генераторы, управляемые напряжением

Генератор, управляемый напряжением, представляет собой автогенератор (АГ), частота выходного сигнала которого может изменяться под действием внешнего управляющего сигнала напряженияили 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 изменениюв 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 напряженияописывается 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». Значениеопределяется законом изменения концентрации примесей вp–n-переходе. Наибольшее применение в ГУН имеют варикапы с = 0.5. При выборе варикапа с определенным значениемследует 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 закрытогоp–n-перехода (< 0), а минимально возможная– обратным пробивным напряжением(<). С ростомвозрастает и отношениеи у диодов со «сверхрезким» переходом оно доходит до 6…8 [3]. С увеличением амплитуды высокочастотного напряжения на варикапеэто 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 уменьшениюза 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 амплитудабудет 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 цепочкии принудительное – с помощью делителя). Остальные элементы схемы являются блокировочными или разделительными.

Вряде 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 резисторыи, что более технологично и позволяет исключить возможность появления паразитных резонансов. Резисторустраняет 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.

Генератор, управляемый напряжением на операционных усилителях (VCO)

Управляемый Напряжением Генератор (ГУН, VCO — Voltage Controlled Oscillator) — это генератор , частота выходного сигнала которого зависит от величины напряжения, подаваемого на специальный управляющий вход. Такие генераторы могут работать в разных частотных диапазонах, например, они издавна используются в радиочастотном диапазоне для настройки УКВ приемников.

В контексте данной статьи нас интересует ГУН, работающий в звуковом диапазоне. Такой генератор необходим для построения различных электронных музыкальных инструментов, таких как аналоговые музыкальные синтезаторы или синтезаторы звуков ударных инструментов. Кроме того, звуковой ГУН можно использовать в измерительном генераторе качающейся частоты, который, совместно с осциллографом, позволяет снимать амплитудно-частотные характеристики звуковых трактов, например усилителей, фильтров и т.д.

Чаще всего современный ГУН строится на основе специализированных микросхем, таких как NE566 или аналогичных. Если у вас нет такой микросхемы но необходим управляемый генератор, то его можно построить на основе операционных усилителей и транзисторов общего применения. нужно однако иметь в виду, что простые схемы ГУН на дискретных элементах часто имеют проблемы с термостабильностью (если не принимать специальных дополнительных мер для термостабилизации).

Самый дешевый ГУН можно создать на очень распространенной ОУ типа LM358. Это очень дешевое решение и его можно использовать если вам нужны частоты не выше 5 килогерц. Подобный ГУН на LM358 не очень хорошо работает на более высоких частотах. Дело в том, что LM358 — это маломощный операционный усилитель с очень простыми характеристикам. Однако, на этой микросхеме легко реализовать низкочастотный ГУН, для которого требуется только один источник питания +5ВВ…+15В. Схема такого ГУН с однополярным питанием приведена ниже:

Схема построена по известной структуре «интегратор-компаратор» и имеет два выхода, выход треугольного сигнала и выход прямоугольного сигнала. Если вам нужен синусоидальный сигнал, необходимо применить дополнительный узел преобразования треугольного сигнала в синусоидальный, например такой как на схеме в конце статьи.

Как работает схема ГУН?
На первом ОУ U1A построен интегратор, на втором U1B — компаратор. Электронный ключ построен на транзисторе Q1.

Интегратор (U1A) интегрирует поступающее на вход управляющее напряжение. Когда плавно увеличивающееся напряжение на выходе интегратора достигает порогового уровня, компаратор U1B переключается в противоположное состояние и переключает ключ на транзисторе Q1. При этом начинается обратное интегрирование и на входе интегратора появляется линейно спадающее напряжение. Это продолжается до момента следующего переключения компаратора, после чего цикл повторяется.

Резисторы во входных цепях предназначены для обеспечения идентичности положительного и отрицательного времени интегрирования, поэтому, R3A и R3B включены параллельно (так как точное половинное значение недоступно в большинстве серий резисторов).

Сигнал на выходеU1A представляет собой очень линейную треугольную волну. Частотный диапазон определяется емкостью конденсатора C2 и номиналами всех резисторов во входных цепях, но первичными частотозадающими резисторами являются R2 и R3 (A и B). Соотношение R1 и R4, а также R2 и R3 должно быть таким, как показано для треугольной волны. Если точные соотношения не поддерживаются, форма волны станет пилообразной с разными временами подъема и спада.

U1B — это компаратор (триггер Шмитта). Его выходное состояние меняется скачкообразно когда входное напряжение достигает верхнего или нижнего порога. Положительная обратная связь в компараторе используется для обеспечения того, чтобы треугольная волна имела определенный размах напряжения. Источник питания должен быть стабилизированным, иначе амплитуда двух выходов будет изменяться в зависимости от напряжения питания. При напряжении питания 12 В треугольная форма волны будет иметь амплитуду 3,6 В от пика до пика с центром на половине напряжения питания. Половина напряжения питания устанавливается делителем напряжения на резисторах R9 и R10.

Нет простого способа определить выходную частоту генератора, потому что она зависит от параметров входной цепи (особенно R2 и R3A, R3B) и C2. Кроме того, частота также зависит от пороговых напряжений компаратора (U1B). Резисторы R6 и R7 устанавливают порог, на который также влияет выходное напряжение U1B. Все это также немного зависит от сопротивления нагрузки и температуры микросхемы. При показанных значениях и в среднем положении движка VR1 частота составляет примерно 292 Гц. Согласно симулятору, зависимость частоты от входного напряжения — примерно 55 Гц на один вольт. Это означает, что если входное напряжение составляет 1 В, выходная частота составляет 55 Гц, 110 Гц для 2 В, 165 Гц для 3 В и так далее. В зависимости частоты от напряжения присутствует некоторая нелинейность. Наихудшая линейность будет при значениях входного напряжения близких к нулю или напряжению питания.

Если вам требуется прецизионный ГУН, то потребуется схема полной температурной компенсации. Таким образом, данную схему можно рассматривать как ГУН общего назначения.

Лучшая производительность может быть получена при замене ОУ на TL072 (или любой другой достаточно быстрый операционный усилитель) с использованием двуполярного источника питания. Поскольку большинство из таких ОУ не могут снизить выходное напряжение до уровня отрицательного источника питания, нам необходимо добавить дополнительный резистор (R9, см. рис. ниже), чтобы гарантировать, что транзистор (Q1) будет включаться и выключаться должным образом. Q1 можно заменить полевым МОП-транзистором с малым сигналом, таким как 2N7000, но реального преимущества нет. Однако использование 2N7000 или аналогичного может незначительно улучшить симметрию формы сигнала, поскольку его сопротивление ниже, чем у биполярного транзистора.

В данной схеме ГУН работает от двуполярного источника питания, однако особой выгоды от этого мы не получаем, так как это никаким образом не упрощает схему, кроме того, что это позволяет напрямую поддавать модулирующий сигнал.

В среднем положении движка VR1 в этой версии частота составляет около 296 Гц, а чувствительность модуляции составляет около 28 Гц/В . Чувствительность уменьшена вдвое, поскольку эффективное напряжение питания было увеличено вдвое по сравнению с версией с одним источником питания.

Выходные сигналы U1A и U1B более или менее симметричны относительно нуля. Начальная частота может быть установлена ​​потенциометром VR1, а сигнал модуляции симметричен относительно нуля. Если цепь источника имеет непосредственную связь (если закоротить конденсатор C1), она должна обеспечивать некоторый ток. В среднем положении потенциометра входное напряжение не будет нулевым (как может показаться на первый взгляд). Напряжение будет около -1,3 В, и для получения линейного изменения частоты источник модулирующего напряжения должен иметь низкий выходной импеданс. При желании входной сигнал может подаваться через буфер на дополнительном операционном усилителе, но для большинства приложений в этом нет необходимости.

Если вход модуляции подтянут к земле (например, если подается постоянный ток от другого операционного усилителя), базовая частота будет увеличена примерно до 330 Гц. Цифра 296 Гц выше применима только тогда, когда сигнал модуляции имеет емкостную связь, как показано на схеме, и допускает смещение -1,3 В постоянного тока.

Преобразователь треугольного сигнала в синусоидальный

Для многих приложений, особенно таких, как сканирование частот динамиков или кроссоверных сетей, вам обычно требуется по крайней мере разумное подобие синусоидального сигнала. Следующая схема сделает именно это, но это не точная схема. Уровень выходного сигнала (и искажения) будут меняться в зависимости от температуры. В большинстве случаев это не является серьезным ограничением, но вряд ли вы получите низкий коэффициент искажений. Он будет примерно на уровне 1,5% THD (преимущественно нечетные гармоники).

Преобразователь треугольного сигнала в синусоидальный

Для многих приложений, особенно таких, как сканирование частот динамиков или кроссоверных сетей, вам обычно требуется по крайней мере разумное подобие синусоидлального сигнала. Следующая схема сделает именно это, но это не точная схема. Уровень выходного сигнала (и искажения) будут меняться в зависимости от температуры. В большинстве случаев это не является серьезным ограничением, но вряд ли вы получите низкий коэффициент искажений. Он будет примерно на уровне 1,5% THD (преимущественно нечетные гармоники).

Схема использует свойство нелинейности вольт — амперной характеристики полупроводниковых диодов. четыре диода используются для ограничения треугольной волны таким образом, чтобы получить минимальные искажения. Подстроечный резистор VR1 используется для обрезки искажений, но очень маловероятно, что вы сможете получить THD намного ниже 2%, потому что схема ограничителя значительно упрощена. Многие ИС функциональных генераторов используют расширенную версию диодного ограничителя для уменьшения искажений (но с гораздо более сложной схемой), но, несмотря на усложнение схемы, результат редко бывает лучше, чем 0,5.

Если вы не слишком беспокоитесь о минимизации искажений. просто используйте пару резисторов 2,2 кОм (обозначенных как «Alternate Divider», R1A и R2A). Схема, показанная на рисунке, рассчитана на входное напряжение около 8 В (пик-пик). Именно такой сигнал выдает ГУН на второй схеме. Если вы используете первую версию с одним источником питания, можно подавать сигнал на диодный ограничитель через конденсатор на 10 мкФ и одиночный резистор 1к. Просто удалите из схемы элементы VR1, R1A и R2A и подключите R1 напрямую к диодам.