Расчет элементов цепи генератора

Расчет блокировочных элементов:

Выбор, включенной параллельно сопротивлению Rэ. Блокировочные функции этой емкости осуществляются при условии. Но при большой может возникнуть прерывистоаяавтогенерация. Условием ее отсутствия будет, где Q - добротность колебательной системы АГ (примем Q=100).

,

,

отсюда, примем.

Полагая, что внутреннее сопротивление источника питания мало(10 Ом):

Блокировочная индуктивность предотвращает заземление транзистора по высокой частоте:

Блокировочные индуктивности развязывающие по частоте и частоту модуляции: и

Примем, тогда:

Блокировочная емкость выбирается из соотношения:

Рассчитаем резистивный делитель в цепи смещения варикап:

-напряжение источника питания варикапа.

максимальная частота в спектре модулирующего сигнала.

Зададимся R4=500 Ом, тогда найдем значение R3 из соотношения:

Схемы частных модуляторов различают главным образом способом связи варикапа с резонатором автогенератора. Наиболее типовые схемы – это транзисторный АГ по схеме Клаппа (рис. 3) и АГ с кварцем в контуре (рис.4).

Рис.3. Схема управляемого по частоте автогенератора по схеме Клаппа (а) и эквивалентная схема его контура(б).

Рис.4. Схема управляемого по частоте автогенератора с кварцем в контуре (а) и эквивалентная схема его контура (б).

Рис.5. Частотный модулятор (а) и его эквивалентная схема (б).

Расчет частного модулятора проведем для наиболее простой реализации схемы с емкостной связью (рис.5) на биполярном транзисторе по схеме Клаппа.

Варикап связан с колебательным контуром с помощью емкости Постоянное напряжение на варикап поступает от источника питания через делитель модулирующее напряжение – через разделительную емкость Схема успешно применяется, если где граничная частота транзистора. Если 0,5 то используются корректирующую цепочку.

Рассмотрим порядок расчета частного модулятора.

1. Сначала рассчитывается автогенератор по методике, известной из расчета задающих генераторов. Определяются следующие параметры схемы:

· Амплитуда первой гармоники напряжения на базе

· Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе

· Коэффициент включения контура к выходу эмиттера транзистора p;

· Параметры контура L где суммарная емкость Б и Э; С- полная емкость контура, пересчитанная к индуктивности.

2. Потом следует выбрать варикап с возможно большей средней емкостью для уменьшения нелинейных искажений. Тогда и Максимальное значение ограничено двумя факторами:

· С ростом спадает граничная частота и, следовательно, его добротность для уменьшения влияния варика на стабильность необходимо, чтобы Q>50…100;

· С ростом становиться нелинейной ДМХ модулятора.

3. Далее рассчитывается режим варикапа в следующей последовательности:

· Рабочий диапазон на варикапе – это диапазон напряжений, при которых p-nпереход закрыт: , где максимально допустимое напряжение. Напряжение выбирается произвольно при выполнении условий:

· Амплитуду модулирующих колебаний определяют из выражения по заданному и выбранному . Если U задано, то находят

· Полезное изменение емкости варикапа

· Коэффициент и рассчитывают, используя следующие зависимости: , .

· Амплитуда первой гармоники ВЧ напряжения на варикапе , где Значения и p(коэффициент связи контура с коллектором транзистора) известны из расчета автогенератора.

4. Затем определяется емкость и В соответствии с рис.5,(б)

, откуда ;

Порядок использования уравнений для расчета ЧМ на варикапе следующий: 1) ; 2) 3) 4) 5) 6) 7) / 8)

Пример. Рассчитать частотный модулятор со следующими параметрами: несущая частота относительная девиация частоты коэфицент гармоники диапазон модулирующих частот 300…3400 Гц. Схема ЧМ изображена на рис.5.

Из расчета автогенератора известны следующие его параметры: .

Выбираем варикап КВ104Е, емкость которого при и добротность на частоте 10 МГц (т.е. на частоте Предельные параметры варикапа: Степень нелинейности вольт-фарадной характеристики Чтобы смещение на варикап можно было подавать от источника коллекторного питания транзистора выбираем постоянное смещение на варикапе, близкое этому значению. Пусть тогда ;

Рассчитаем делитель в цепи смещения варикапа, учитывая следующие условия: 1) 2) Второе условие вводится для того, чтобы нагрузка источника модулирующего сигнала была постоянной в полосе частот Пусть тогда

Нелинейные искажения в ЧМ на варикапе характеризуются коэффициентом гармоник, определяемым выражением

где и - амплитуды первой и n-й гармоник.

Значение не должно превышать заданное (допустимое). Определим выражение для расчета его значения. Используя ВФХ варикапа Cδ (u п)= Cδ () / , получаем

,

где - емкость варикапа при напряжении; - номинированная амплитуда модулирующих колебаний; – нормированная амплитуда ВЧ колебаний; - контактная разница потенциалов; v = 0, 2 … 1, 0 (обычно v = 1/3).

Учитывая, что обычно , представив функцию в виде степенного ряда, ограничившись первыми членами разложения и отбросив ВЧ составляющие, получим

;

Как видим, емкость варикапа изменяется во времени около среднего значения . Полезные изменения происходят с амплитудой . Нелинейные искажения определяются третьим слагаемым . Тогда

где ; ; .

Отсюда следует, что для получения минимального значения необходимо:

· Применять варикапы с возможно большими значениями степени нелинейности ВФХ v, т.е. с резкими и сверхрезкими переходами, где v =1;

· Увеличивать коэффициент вклада варикапа в суммарную емкость резонатора;

· Уменьшить девиацию частоты;

Основные достоинства модуляторов на варикапах: малые габаритные размеры, ничтожная мощность источника управляющего напряжения.

Недостатки таких модуляторов:

· При > 0 дифференциальное сопротивление R мало и шунтирует барьерную емкость, что затрудняет использование варикапа для управления частотой;

· Большой уровень нелинейных искажений и паразитной АМ связан с изменением добротности варикапа в процессе ЧМ.

Для уменьшения нелинейных искажений в ЧМ необходимо:

· Применять варикапы с возможно большим значением v (резкие и сверхрезкие p-n переходы);

· Применять высокодобротные контура;

· Уменьшить индекс модуляции M;

· Увеличивать коэффициент вклада варикапа в суммарную емкость контура.

На практике для получения малых выбирают = 1 и М = 15 … 20.

Типовые схемы фазовых модуляторов и их характеристики. Фазовый модулятор - это управляемый фазовращатель. Фазовые модуляторы делятся на линейные (ЛФМ) и дискретные (ДФМ). В ЛФМ достигается линейная зависимость ϕ(t) от E(t). ДМФ можно реализовать с помощью ЛФМ, подавая на ЛФМ модулирующий сигнал в цифровой форме, однако чаще применяются специальные схемы.

Требуемые модуляционные характеристики (МХ) во многом определяют структурную схему радиопередатчика. При линейных ФМ важна линейность и крутизна фазовой МХ; в идеальном случае Ф(t) = , где kне зависит от и характеризует крутизну МХ. При дискретной ФМ важно время переключения фазы из одного положения в другое. Одним из параметров модуляции является индекс модуляции. В ЛФМ при модуляции гармоническим сигналам индексом модуляции называют величину при дискретной ФМ индекс модуляции равен половине изменения фазы при переключении из одного положения в другое.

Другим параметром является диапазон модулирующих частот, в котором малы частотные искажения, т.е. закон изменения ϕ(t) независитотмодулирующейчастотыΩ. Восновномчастотныеискаженияобусловленыискажениямивподмодуляторе, динамическимиискажениями в подмодуляторе, динамическими искажениями модулированного сигнала в каскадах, следующих за модулятором.

К основным параметрам фазовых модуляторов относятся:

· Рабочая частота; крутизна и степень линейности МХ;

· Номинальный индекс модуляции; диапазон модулирующих частот (максимальная минимальная частота модуляции при модуляции гармоническим сигналом или соответствующие тактовые частоты модулирующего сигнала при дискретной ФМ);

· Максимально допустимый уровень мощности высокочастного сигнала на входе модулятора и потери СВЧ мощности в модуляторе;

· Степень согласования модулятора с высокочастотным трактом.

Различают фазовые модуляторы отражательного и проходного типов [82, 90, 92, 93, 98], являющихся параметрическими многополюсниками.

В первом (рис.6.а) по закону модуляции должна меняться фаза коэффициента отражения Г цепи, включённой в плечо 2 циркулятора. Закон изменения фазы колебания насогласованной на грузке в третьем плече совпадает с законом изменения фазы ϕ. ИзменениемодулякоэффициентаГхарактеризуеттипмодулятора. Вовтором (рис.6,б) –модуляцияосуществляетсяпутемизмененияфазы коэффициента передачи четырехполюсника, содержащего элемент, сопротивление которого зависит от времени.

Яндекс.ДиректЧастотные преобразователи!prst.ru Купить преобразователь частотыtkt-drives.ru

Известны и иные устройства, осуществляющие фазовую модуляцию: схемы, основанные на преобразовании амплитудно-модулированного сигнала в фазомодулированный сигнал, схемы на двухзатворных полевых транзисторах.

Одноконтурный фазовый модулятор. Простейший вариант фазового модулятора- это колебательный контур с нелинейной емкостью, управляемой источником модулирующих колебаний.

Известно, что фазовый сдвиг между напряжением и током контура зависит от его настройки. Действительно, где полная проводимость контура ; где - резонансная проводимость; p- характеристическое сопротивление; - резонансная частота; - фаза полной проводимости.

При малых отклонениях ω от поэтому Если емкостью контура является варикап, на который поступает НЧ модулирующее напряжение, то резонансная частота контура изменяется. Получаем, что Если изменяется с частотой Ω, то Индекс фазовой модуляции откуда .

На практике широко используется ЛФМ, в которых в качестве управляющего элемента выступает емкость закрытого p-nперехода или барьера Шотки. Такой управляющей элемент обычно называют варикапом (на СВЧ- варактором). Простейшим ЛФМ проходного типа является одноконтурный модулятор (рис.7, а).

Рис.7. Эквивалентная схема одноконтурного модулятора (а) и статическая фазовая модуляционная характеристика (б).

При медленном изменении емкости контура фаза и амплитуда напряжения на контуре меняются: (1) (2) где – обобщённая расcтройка контура; – добротность контура; – собственная частота контура при емкости .

Даже если изменения емкости пропорционально модулирующему сигналу: модуляционная характеристика Ф(ΔС) оказывается не линейной, что ясно из (1). При очень малых крутизна МХ равна начальной крутизне . С ростом крутизна уменьшается по сравнению Так, при крутизна МХ на 12,5% меньше, чем

Интегральная оценка нелинейности фазовой МХ определяется как разность между девиацией фазы Ф, вычислительной по идеализированной характеристике (рис.7, б), и реальной девиаций, отнесенная к : (3) При в нашем случае Нелинейность зависимости определяемая вольт - кулонной характеристикой варикапа, также существенно влияет на МХ.

Даже из модели на рис.7, а ясны особенности модулятора, возникающие при использовании варикапа в качестве параметрического элемента. Выходная мощность модулятора ограничена, поскольку ограничена амплитуда напряжения на варикапе (варикап не должен отпираться и пробиваться). Усредненная по первой гармонике емкость его зависит от амплитуды напряжения на нем; соответственно изменение мощности на входе модулятора (в модели на рис.7, а, изменение I) приводит к изменению МХ. Изменение амплитуды напряжения на закрытом варикапе мало влияет на МХ, если она не превышает 20…30% напряжения начального смещения на варикапе.

Рис.8. Эквивалентная схема двухконтурного линейного фазового модулятора.

Нестабильность параметров предыдущего и последующего каскадов(в модели на рис.7,а –нестабильность параметров контура) также приводит к изменению МХ. Соотношения (1),(2) в сочетании с зависимостью C( позволяют расчитать статическую МХ. По существу (1),(2) являются соотношениями квазистанционарной теории ЛФМ. Если период модулирующей частоты bпостоянная времени СВЧ системы, на основе которой осуществляется модуляция (в нашем случае это постоянная времени контура , становится соизмеримыми, процессы в модуляторе существенно усложняются. Законы изменения фазы и амплитуды сигнала на выходе модулятора отличаются в этом случае от рассчитанных с помощью (1),(2).

Двухконтурный линейный фазовый модулятор. В одноконтурном ЛФМ линейный участок зависимости Ф(ЛС) невелик. Больше возможностей дает двухконтурный ЛФМ (рис.8,а).

Пусть – емкость диодов, параметры которых считаем одинаковыми; пренебрегаязависимостью от модулирующего напряжения на варикапе; – емкость связи; – выходная проводимость источника СВЧ сигнала; – проводимость нагрузки. Фаза между входным ( и выходным ( токамизвисит от емкости .

Комплексный коэффициент передачи тока связан с параметрами системы следующим образом: (4) где - параметры связи; ; – обобщенные расстройки и добротности первого и второго парциального контуров, образованных индуктивностями Lи параллельно соединеными емкостями и ; при резонансе соответственно

Таблица 1

	Q
1,00		1,06…1,26	35,5
1,25		1,00…1,40	57,0
1,50		1,02…1,60	66,5
1,00		0,97…1,20	66,0
1,25		0,95…1,31	80,5
Примечание.

 

Комплекс амплитуды напряжений на контурах связанны коэффициентом передачи напряжения (5)

При резонансе ( амплитуда синфазна с а опережает на Зависимость фазы от расстройки(4) определяет статическую МХ зависимость характеризует паразитную амплитудную модуляцию (ПАМ).

Согласно (4) (6) ; (7) где .

В пределе при изменении от до меняется от до Зная зависимость дифференциальной емкости диода от напряжения, легко найти соотношения для интересующих нас МХ Для резкого p-nперехода с учетом (3) (8) где – напряжение, при котором

Расчеты показывают, что наиболее выгодными с точки зрения обеспечения линейности МХ значениями параметров модулятора являются

Из таблицы 1 видно, в каких пределах надо менять относительное модулирующее напряжение для получения изменения фазы ΔϕпрималомизменениидифференциальнойкрутизныМХ относительно значения A при резонансе: (9)

Пример. Рассчитаем ЛФМ на несущей частоте 300 МГц; номинальный индекс модуляции а нелинейность не хуже Диод имеет следующие параметры последовательное сопротивление потерь

С помощью таблицы 1 выбираем параметры ЛФМ Для получения требуется изменить от до .Абсолютное значение зависит от требуемой мощности на выходе Напряжение на варикапах складывается из модулирующего напряжения и высокочастотного напряжения с амплитудой и должны быть такими, чтобы варикап не пробивался и не открывался: (10) (11)

Оценим максимально реализуемое значение и получаемые при этом В соответствии с (5) при резонансе поэтому будем исходить из режима второго варикапа. Если то из (10) и (11) отсюда емкость При

Найдем теперь проводимость нагрузки (см. рис. 8,а) исходя из известных Мощность в нагрузке при равна 130,8 мВт; мощность, рассеиваемая в варикапе,

Рассчитанное таким образом значение выходной мощности соответствует границе отпирания и пробоя варикапа и поэтому является максимальным. При уменьшении выходной, а соответственно и входной мощности МХ является зависимость усредненной по первой гармонике емкости варикапа от амплитуды напряжения на нем. Чувствительность модулятора (9) составляет . Емкость связи

Контурные индуктивности Амплитуда напряжения на первом варикапе (5) мощность потерь в нем 8,85 мВт.

Собственно высокочастотным входом ЛФМ является сечение 1-1 на рис.8,а. При резонансе входная проводимость модулятора относительно сечения 1-1 определяется выражением Важной задачей является согласование входа ЛФМ с генератором. Предположим, что модулятор возбуждается генератором с выходным сопротивлением 50 Ом, который можно подключить к части витков катушки L (рис. 8,б при

Для обеспечения расчетной характеристики необходимо, чтобы вещественная составляющая выходной проводимости цепи левее сечения A-Aна рис. 8,б определялась равенством Желательно также, чтобы источник входного сигнала, выходное сопротивление которого полагаем равным 50 Ом, работал на нагрузку, близкую с согласованной. Подбирая коэффициент включения источника к индуктивности L, при можно выполнить только одно из этих условий. В ряде случаев допускают рассогласование во входной цепи.

На практике приходится заботиться о стабилизации МХ, в первую очередь в диапазоне рабочих температур. Одной из главных причин нестабильности МХ является нестабильность параметров источников возбуждения, в терминах рис.8,а – нестабильность проводимости влияющей на добротность, а соответственно, на степень линейности ЛФМ и его чувствительность. Для стабилизации МХ ЛФМ развязывают от источника возбуждения с помощью резистивного аттенюатора (на рис. 8,б это При этом сознательно идут на потери мощности СВЧ в аттенюаторе. Нетрудно убедиться, что при и коэффициенте включая , расчетная проводимость генератора При резонансе входная проводимость модулятора в сечении B-Bна рис. 8,б есть отношение Соответственно входная проводимость модулятора в сечении C-Cсоставляет 20,9 мСм, т.е. источник возбуждения работает практически на согласованную нагрузку. Номинальная мощность генератора, требуемая для обспечения в нагрузке максимальной мощности составляет примерно 400 мВт.

Нагрузку, например 50 Ом, Следует включить в выходную цепь так, чтобы вещественная составляющая входной проводимости правее сечения D-Dна рис. 8,б составляла Для выполнения этого условия достаточно не полностью включить нагрузку в выходной контур; в нашем случае коэффициент включения нагрузки Для стабилизации МХ в выходной цепи, как и во входной, часто используют резистивный аттенюатор, ослабляющий влияние параметров нагрузки на МХ.

Для уменьшения нелинейных искажений в ФМ необходимо:

· Применять варикапы с возможно большими значениями (резкие и сверхрезкие переходы);

· Применять высокооборотные контуры;

· Уменьшать индекс модуляции Ф;

· Увеличивать коэффициент вклада варикапа в суммарную емкость контура (на практике для получения малых берут и ограничиваются ).

При работе на частотах порядка десятков мегагерц типичное напряжение смещения, задающее начальную емкость, выбирают в пределах 1,5 … 2,5 В, а амплитуду модулирующего напряжения – около 1 В. Напряжение несущей на входе ФМ устанавливается порядка долей вольта.

Фазовращатель обладает следующими свойствами:

· Если контуры одинаковы и настроены в резонанс на частоту входного напряжения , а , то выходное напряжение сдвинуто по фазе относительно входного на 180⁰ и равно ему по амплитуде;

· Если одновременно пропорционально изменить в пределах ±50 % их значения при резонансе, то изменение фазы выходного сигнала достигает ±90⁰;

· Входное сопротивление ФВ при изменении остается активным, постоянным и равным ; коэффициент передачи напряжения – равным единице; постоянство входного сопротивления фазовращателя и коэффициента передачи напряжения обеспечивает отсутствие ПАМ.

Существенное уменьшение дает использование схемы фазовращателя. Такой ФМ предназначен для работы на частотах порядка сотен мегагерц. Парам еры схемы можно подобрать так, чтобы при изменении фазы на ±60⁰ амплитуда напряжения при нагрузке изменялась в пределах единиц процентов.