Последовательный LC контур расширяет диапазон перестройки ГУН

В этой статье описывается новая схема генератора. В ней используется последовательный LC контур, позволяющий существенно расширить диапазон перестройки частоты по сравнению со схемами с параллельным подключением LC элементов. Архитектура генератора допускает управление частотой в пределах, намного превосходящих возможности лучших варакторов со сверхрезким переходом. Большинство инженеров сочтет большим достижением генератор, управляемый напряжением (ГУН), перекрывающий по частоте одну октаву. Предлагаемая конструкция обеспечивает возможность перестройки выходной частоты в четыре раза. Эта частота задается только LC контуром, поэтому ее значение не ограничивается паразитными емкостями других компонентов. В отличие от стандартных генераторов, эта схема хорошо работает и на границах диапазона.

На первый взгляд, элементы в центре генератора напоминают два транзистора, образующих тиристорную структуру (Рисунок 1). Хотя структура и похожа на тиристор, добавленные в нее резисторы отрицательной обратной связи устанавливают линейный режим работы схемы. Резисторы делают усиление «тиристора» меньшим единицы, а всю схему – устойчивой. Последовательный колебательный контур увеличивает коэффициент усиления, который на резонансной частоте становится больше единицы, в результате чего возникают автоколебания схемы. Для обеспечения генерации не требуется никаких дополнительных компонентов, и, поскольку к точке соединения индуктивности и конденсатора ничего не подключено, диапазон перестройки определяется только варактором, который вы используете в качестве конденсатора. Частота генерации обратно пропорциональна квадратному корню из произведения номиналов частотозадающих элементов. Для двукратного изменения частоты вы должны изменить емкость конденсатора настройки в четыре раза.

Рисунок 1.	Сердцем генератора являются два транзистора и LC контур. Задающие усиление резисторы создают отрицательную обратную связь, вследствие чего транзисторы работают в линейном режиме, не защелкиваясь, как это происходило бы с реальным тиристором.

В отличие от параллельного LC контура, резонансный ток здесь ограничен, поскольку проходит через активный элемент. Это ограничение, в свою очередь, означает, что переменное напряжение на элементах настройки будет небольшим – в типичном случае, менее 100 мВ. Слабый сигнал снижает влияние нелинейности схемы и воздействие эффектов автосмещения сигнала на варакторе. Вы имеете возможность уменьшать управляющее напряжение на варакторе, вплоть до 0.3 В. При использовании индуктивности 1 мкГн устойчивая генерация схемы сохраняется при емкостях конденсатора от 4.7 пФ до 4.7 мкФ, то есть, при соотношении предельных значений 10⁶:1.

В рабочей схеме LC контур перемещен в эмиттер PNP транзистора Q₂ (Рисунок 2). Более низкое быстродействие PNP транзистора увеличивает фазовый сдвиг и создает лучшие условия для возникновения автоколебаний. Общий узел L₂ и C₂ изображен подключенным к одной точке шины питания, чем подчеркивается критичность размещения на плате компонентов этой части схемы. Генератор «чувствует» резонансную цепь через C₂ и C₄, и все, что внутри этого контура, добавляет к L₂ неконтролируемые паразитные составляющие. Эти паразитные параметры негативно сказывались бы на работе схемы АРУ (автоматической регулировки усиления) и ухудшали бы характеристики и точность генератора.

Рисунок 2.	В рабочей схеме LC контур перемещен в эмиттер PNP транзистора. Последовательный колебательный контур образован емкостями варакторов D7 и D3 и индуктивностью L2.

На транзисторе Q₁ и подключенных к нему компонентах сделана схема АРУ. Для генератора с параллельным LC контуром ограничение сигнала не имеет значения, но генератор с последовательным LC контуром, если позволить сигналу расти до ограничения, вырождается в мультивибратор. Дополнительным преимуществом, которое дает действие АРУ, является постоянство выходной амплитуды. Диод D₅ предназначен для формирования постоянного напряжения смещения 0.6 В. R₁₁ и R₁₂ образуют делитель, выходное напряжение которого близко к прямому падению напряжения на диоде Шоттки D₆. Это смещение улучшает работу D₆ в схеме выпрямителя малых выходных сигналов. C₈ интегрирует выпрямленный сигнал, вырабатывая постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде на выходе схемы. Через фильтр R₁₅, C₈ это напряжение подается на усилитель АРУ IC₁. Операционный усилитель, сравнивая выходной сигнал фильтра с напряжением A-CTRL, с помощью которого вы устанавливаете амплитуду выходного сигнала, вырабатывает управляющее напряжение для схемы АРУ. Напряжение A-CTRL позволяет регулировать амплитуду на выходе от 0 до 1 В.

Рисунок 3.	Генератор формирует высококачественную синусоиду с частотой 35 МГц и амплитудой 0.9 В.

В нашем примере амплитуда выходного сигнала равна 0.9 В. Частота генератора может регулироваться от 35 МГц до 140 МГц. Таким образом, диапазон перестройки, равный 1:4, расширен вдвое по сравнению с самыми высококачественными традиционными ГУН. Общее отношение емкостей 1:16 как раз соответствует параметрам типового варактора. На нижней (Рисунок 3) и верхней (Рисунок 4) частотах диапазона качество синусоидального сигнала остается отличным благодаря работе схемы АРУ.

Рисунок 4.	Даже на частоте 142 МГц выходной сигнал с амплитудой 0.9 В благодаря схеме АРУ все еще остается чистым и стабильным.

Материалы по теме

1. Datasheet Linear Technology LT1077