8.7. Интегральные генераторы, управляемые по частоте

Автогенераторы, управляемые по частоте напряжением (ГУН), выпускаются многими фирмами в интегральном исполнении. В диа­пазоне выходных частот до 400 МГц для управления частотой гармо­нических колебаний удобно использовать интегральные цифровые вычислительные синтезаторы частот, которые из отсчетов синусоиды формируют сигнал на выходе цифроаналогового преобразователя. В них средняя частота задается высокостабильным тактовым генерато­ром, а закон и параметры модуляции устанавливаются программно (см. § 9.4). В качестве интегральных ГУН также используются АГ на биполярных или полевых транзисторах с колебательной LC-системой и управлением частотой путем изменения смещения варикапа. В отдельных случаях, например для ГУН, устойчивых к проникающей радиации, применяются вакуумные электронные приборы (триоды, тетроды, электронные приборы СВЧ).

Основными характеристиками интегральных ГУН являются: 1) диапазон перестройки по частоте от f_ниж до f_ерх; 2) средняя по диапазону перестройки выходная мощность; 3) линейность модуля­ционной характеристики по диапазону S_y = df_r / dE_y при допустимом уровне ПАМ; 4) характеристика спектральной плотности мощности фазовых шумов при различных отстройках F = | f - f_г | от несущей частоты f_г , в диапазоне перестройки.

Кроме того, в параметрах таких изделий указывают: а) содержа­ние высших гармоник в выходном сигнале; б) интервал изменения управляющего напряжения; г) постоянную времени установления частоты при скачке управляющего напряжения или высшую частоту в спектре модулирующего сигнала, при которой крутизна модуляци­онной характеристики незначительно ниже статической; д) значения напряжения и тока питания; е) чувствительность частоты к вариа­циям напряжения питания, температуры окружающей среды и фазы коэффициента отражения от нагрузки, т. е. коэффициента затягива­ния частоты.

Современные ГУН на основе LC-генераторов предназначены для диапазона частот от 5 до 26 ГГц. Относительная ширина полосы пере­стройки их частоты лежит в пределах от нескольких процентов средней частоты (для высокостабильных источников с повышенной линейно­стью перестройки) до одной-полутора октав, когда f_верх / f_ниж > 2 (для сверхширокополосных систем связи). Ее ограничивают такие фак­торы, как предел изменения емкости варикапа, недопустимые изме­нения выходной мощности, нелинейность модуляционной характе­ристики. В состав интегральных 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 АГ облег­чает построение колебательной системы с управлением частотой на варикапе.

Выходная мощность ГУН обычно варьируется в пределах от 0,2 до 500 мВт. Как правило, пониженный уровень мощности относится к моделям, в которых встроен выходной буферный каскад, ослабляю­щий влияние нестабильной фазы нагрузки. В состав некоторых из интегральных ГУН сантиметрового и миллиметрового диапазонов включают направленный ответвитель и широкополосный делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, что облегчает организацию системы фазовой автоподстройки частоты для стабили­зации сетки частот.

В радиопередающих устройствах ГУН часто применяют в составе частотных модуляторов, которые переносят спектр модулирующего колебания на несущие частоты. В этом случае, если использовать четырехфазный выходной сигнал, гармонические компоненты кото­рого имеют одинаковые амплитуды с основным и сдвинуты от него по фазе на 90, 180 и 270°, можно построить однополосный модуля­тор, в котором подавлены путем балансировки опорная частота и одна из боковых частотных полос, так что отпадает необходимость в частотной фильтрации. Для таких применений выпускают системы из двух синхронных ГУН со сдвигом фаз их колебаний на 90°, при­чем каждый из них имеет по два противофазных выхода.

Шумовые свойства ГУН характеризуются относительной спект­ральной плотностью мощности (СПМ) колебания, вызванной шумо­вой фазовой модуляцией, при отстройке F от центральной частоты. Эта СПМ нормируется к мощности самого колебания и обозначается L_φ{F). Она определена при положительных и отрицательных F и является четной функцией F. В литературе ее обычно называют «СПМ фазового шума ГУН в одной боковой полосе» или просто «СПМ фазового шума ГУН». Она является монотонно убывающей

функцией отстройки F, а ее значение вдвое меньше СПМ шумовой фазовой модуляции, выраженной в радианах, на частоте анализа F.

Типовые значения L_φ(F) при отстройке 10 кГц составляют - (120...130) дБ/Гц для рабочих частот менее 500 МГц и - (95... 102) дБ / Гц для ГУН с выходной частотой 2...3 ГГц. Мало-шумящие интегральные ГУН имеют

Х_φ= - 147 дБ/Гц при отстройке 100 кГц и L_φ = -100 дБ/Гц при отстройке 1 кГц. Уровень шума ГУН существенно зависит от шумовых свойств источников напряжении питания АГ и управляющего напряжения и его следует измерять высококачественным измерительным анализатором.

Содержание высших гармоник в выходном сигнале ГУН зависит от вида колебательной системы, режима активного элемента АГ и от рабочей точки варикапа. Уровень второй гармоники по сравнению с первой обычно изменяется в пределах от -7 до -40 дБ. Для снижения уровня высших гармоник в выходную цепь некоторых интегральных ГУН встраивают фильтры нижних частот, подавляющие вторую и высшие гармоники.

Питающие напряжения ГУН для большинства изделий состав­ляют +3 В, +5 В или +12 В. Потребляемый ток обычно не превышает 30 мА. Ряд ГУН имеют встроенный буферный усилитель для увели­чения развязки от вариаций нагрузки. Для некоторых моделей ГУН нормируется время установления и спада мощности после коммута­ции питания, которое составляет 5... 10 мкс.

Модуляционные характеристики ГУН монотонны. Если ГУН оптимизирован как малошумящий, то он может иметь повышенный до ±6 дБ уровень ПАМ и нелинейности модуляционной характери­стики (непостоянство крутизны управления в 2...3 раза). Соответ­ственно модель, оптимизированная для широкого диапазона пере­стройки, например шириной в октаву, или модель, созданная для высокой линейности модуляции, будет иметь увеличенный шум, но допустимый уровень ПАМ в пределах ±1 дБ.

Некоторые интегральные схемы ГУН разработаны на напряжение управления не более +3 В, другие — не более +5 В для некоторых тре­буется напряжение свыше +20 В. Работа при нулевом управляющем напряжении обычно безопасна, но не соответствует номинальному режиму, так как вблизи нулевого управляющего напряжения открыва­ние р—n перехода варикапа уменьшает выходную мощность.

Полоса модулирующих частот в большинстве изделий не опуска­ется ниже 100 кГц. Поскольку данный параметр ограничен только номиналами блокировочных цепей, то можно выбрать ГУН с заметно более широкой полосой частот (до 30 МГц) по цепи управления.

Коэффициент чувствительности частоты к вариациям темпера­туры окружающей среды изменяется в пределах от 20 МГц/°С для ГУН диапазона 6 ГГц до 0,02 МГц f °С для микросхем диапазона 100... 150 МГц. Повышение температуры от 25 до 85 °С может при­водить к снижению средней частоты на 0,5... 1 % и мощности на 0,3...0,5 дБ, понижение же температуры до -55 °С увеличивает час­тоту на 1...2 %, а мощность на 0,2...0,4 дБ.

Если в ГУН встроены буферные широкополосные усилители или удвоители частоты, чувствительность к фазе коэффициента отраже­ния уменьшается. Встроенный буферный усилитель позволяет в некоторых моделях иметь два взаимно развязанных выхода для под­ключения нагрузки.

Контрольные вопросы и задания

1. Укажите области применения и основные параметры угловой модуляции в передатчиках.

2. Как связаны девиация частоты и индекс угловой модуляции с параметрами модулирующего сигнала при ЧМ и ФМ?

3. Как определить, какой вид модуляции (ЧМ или ФМ) осуществляется в пере­датчике?

4. Как получить ЧМ-колебания, располагая модулятором фазы?

5. Приведите примеры схем модуляторов фазы.

6. Изобразите структурную схему и поясните принцип работы ЧМ-возбуди-теля.

7. Изобразите принципиальную схему автогенератора с ЧМ с помощью вари­капа.

8. Каковы особенности и возможности осуществления ЧМ в кварцевом авто­генераторе?

9. Какие возможны методы и решения для повышения линейности модуляци­онных характеристик при угловой модуляции?

10. Как определяется коэффициент нелинейных искажений при ЧМ?

11. Объясните, почему можно компенсировать нелинейные искажения в ЧМ-сиг-нале, применяя цепи из линейных /с£С-элементов?

12. Какие возможны решения для повышения стабильности средней частоты при угловой модуляции?

13. Каковы причины возникновения нелинейных искажений при усилении мощ­ности сигналов с УМ в ВЧ-тракте передатчика?

Глава девятая

ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНЫХ КОЛЕБАНИЙ

И СИНТЕЗ ЧАСТОТ

___________________________________________________