СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ГПД
Пожалуй, самым ответственным узлом в трансивере является ГПД, который определяет стабильность частоты и шумовые характеристики. Настоящая статья является попыткой в популярной форме изложить то, что прекрасно описано в учебнике [1].
При этом весь математический аппарат опущен, чтобы не пугать неподготовленных читателей формулами и векторными диаграммами.
Нестабильность частоты автогенераторов имеет много причин. Условно можно поделить все причины нестабильности на два направления:
- причины, которые влияют на частоту настройки задающего контура;
- причины, которые влияют на частоту из-за изменения режима активного элемента.
Самой простой причиной первого направления является механическая непрочность конструкции. Следующая очевидная причина того же направления - температурная нестабильность. Нагрев деталей автогенератора вызывает изменения индуктивности и емкости. Например нагрев катушки, намотанной медным проводом на керамическом каркасе, вызывает расширение меди, увеличение длины провода, увеличение диаметра намотки. Это влечет за собой увеличение индуктивности и понижение частоты. Такой же нагрев катушки, намотанной на фторопластовом каркасе, вызывает увеличение диаметра витков, но из-за чрезмерно большого линейного расширения фторопласта катушка растягивается в длину настолько сильно, что с лихвой перекрывает увеличение диаметра, и в итоге индуктивность не увеличивается, а уменьшается, и частота повышается. По этой причине фторопласт совершенно непригоден для высокостабильных контуров.
Магнитная проницаемость большинства ферромагнитных материалов при нагреве увеличивается. Увеличиваются при нагреве и емкости варикапов. Емкость конденсаторов при нагреве может как увеличиваться, так и уменьшаться - в зависимости от материалов обкладок и диэлектрика. Иногда (к сожалению, не всегда) на конденсаторах пишут величину температурного коэффициента емкости (ТКЕ), который показывает, на сколько миллионных долей изменяется емкость конденсатора при его нагреве на 1°С. Знак изменения (минус или плюс) обозначается буквами "М" или "П". Обозначение М750 означает, что при нагреве на каждый градус емкость уменьшается на 750х10-6. Обозначение П33 означает увеличение при нагреве на каждый градус на 33х10-6. Если конденсатор с ТКЕ М750 имел при номинальной температуре емкость 1500 пФ, то при его дополнительном нагреве на 20°С емкость станет равной 1500-1500x750xl0-6x20 =1500-22,5=1477,5 пФ. Если автогенератор работал например на частоте 500 кГц и его частота определялась только этим конденсатором, то отклонение частоты при этом составит 3,79 кГц, что явно много.
Радикальным методом в этом случае является термостатирование. Но более простым и дешевым - выбор деталей с наименьшими температурными отклонениями. Так называемая термокомпенсация позволяет уменьшить до некоторых пределов температурную нестабильность, но не позволяет устранить ее полностью. Здесь две причины. Во-первых, контур ГПД является перестраиваемым, и процентное соотношение постоянных и переменных конденсаторов при перестройке меняется. Поэтому компенсация, достигнутая на одной частоте, на другой частоте нарушается. Во-вторых, изменения емкостей и индуктивностей при нагреве происходят по разным законам. Поэтому компенсация, достигнутая при нагреве на 10°С, нарушится, если мы нагреем генератор еще на 10°С.
В качестве деталей для ГПД можно рекомендовать катушки, намотанные нагретым при намотке посеребренным проводом на ребристом керамическом каркасе. Конденсаторы можно использовать КМ5 (пятислойные, малогабаритные) с ТКЕ М47 или М75. Если для настройки ГПД применяются варикапы, то ТКЕ конденсаторов должен быть еще больше, т.к. ТКЕ варикапов положительны и в зависимости от смещения (т.е. от частоты настройки) изменяются от 70...80х106 при больших напряжениях до 500х10"6 при малых. Поэтому недопустимо использовать варикапы при напряжении смещения менее 8...9 В. Если емкости варикапов недостаточно для данного контура, необходимо либо использовать варикапы с большими емкостями (например KB 105), либо ставить по два-три варикапа в параллель. Автор не рекомендует использовать катушки с вожженным серебром. Да, они имеют хорошую температурную стабильность, но... невысокую добротность. А добротность важнее.
Следующей причиной, воздействующей на частоту контура, является нестабильность паразитных емкостей активных элементов, которые подключаются к контуру и служат составными частями его емкости. Во время работы эти паразитные емкости изменяются, и напрямую уводят частоту контура. Рассматривавшиеся ранее температурные уходы частоты происходят медленно, их можно подкорректи-ровать по цифровой шкале либо компенсировать. Влияние же нестабильности паразитных емкостей происходит быстро, чаще всего в такт с модуляцией, и сопровождается характерными искажениями сигнала. Паразитные межэлектродные емкости в транзисторах представляют собой обычные барьерные емкости р-п переходов, перестраивающиеся при изменении приложенного к ним напряжения. Влияние паразитных емкостей можно в той или иной мере уменьшить, но не устранить совсем.
Для уменьшения их влияния надо добиваться, чтобы процентное содержание паразитных емкостей в общей емкости контура было по возможности меньшим, чтобы на фоне большой общей емкости контура несколько пикофарад паразитных емкостей имели меньшее влияние. Здесь, правда, существуют два ограничения. Во-первых, слишком большая емкость при малой индуктивности ведет к снижению добротности контура. Во-вторых, слишком большая постоянная емкость требует пропорционального увеличения переменной емкости, иначе не будут обеспечиваться пределы перестройки контура. В любом случае нельзя делать ГПД на почти одних только паразитных емкостях, как это сделано в [2], где в контуре на 1,8...7 МГц применен ва-рикап КВС111 с малой емкостью. И чтобы получить перестройку, автор применил большую индуктивность и маленькую постоянную емкость. При этом паразитная входная емкость транзистора составила 20%(!!) от обшей емкости контура. Паразитные емкости мало влияли бы на частоту, если бы напряжения питания и режим работы генератора были идеально стабильными, что реально недостижимо.
Одним из методов, решающих в той или иной мере проблему, является применение развязывающих каскадов между контуром ГПД и активным элементом. На рис.1 приведена простейшая схема индуктивной трехточки, а на рис.2 - трехточки с добавлением развязывающего истокового повторителя.
рис.1
Разность напряжений "между затвором и истоком в 10 раз меньше, чем само входное напряжение. А если разность напряжений мала, то через входную емкость повторителя течет переменный ток в 10 раз меньше, что эквивалентно уменьшению в 10 раз входной емкости.
Но это еще не все. Повторитель (рис.2) имеет глубокую ООС по постоянному току. Когда напряжение питания меняется, ток в транзисторе меняется во много раз меньше, чем он изменялся бы без истокового резистора, т.е. паразитные емкости более стабильны.
В первом случае (рис.1) генерирующий транзистор берет ток для создания автоматического смещения от контура, ухудшая его добротность. Во втором случае (рис.2) этот ток берется из повторителя и на добротности не сказывается. Из-за большого усиления по мощности исток генерирующего транзистора подключен к меньшей части витков контура (1/10...1/20) и меньше влияет на контур. Лучшие результаты получаются, если в качестве повторителя используется полевой транзистор с левой характеристикой, без подачи на затвор смещения. Можно рекомендовать КП305И. Параметры схемы должны выбираться так, чтобы повторитель передавал амплитуду колебаний или без искажений, или с равномерным ограничением сверху и снизу. Есть еще один механизм дестабилизации частоты, не столь очевидный. Автогенератор работает непрерывно за счет того, что его высокодобротный контур "звенит" и поддерживает колебания. Энергия же в контуре пополняется толчками только при пиках положительных полуволн на затворе. Для стабильной работы в генераторе необходимо поддерживать баланс амплитуд и баланс фаз. Первое требует, чтобы за каждый период колебания в контуре пополнялось энергии столько, сколько ее из контура расходуется (на затворные токи, потери в конденсаторах и резисторах, излучение в окружающее пространство). Этот баланс поддерживается за счет автоматического смещения. Как только амплитуда колебаний чуть уменьшается, уменьшается и смещение, транзистор приоткрывается чуть больше, и порции подкачивающей энергии возрастают. И наоборот.
Второе требует, чтобы подкачивающие импульсы тока приходили в контур строго в такт с существующими колебаниями - не раньше и не позже. Баланс фаз тоже поддерживается автоматически, но понять этот процесс сложнее. Для простоты опишем его в случае автогенератора на вакуумном триоде. При открывании лампы пачка электронов начинает двигаться от катода к аноду. Тока в анодной цепи в это время нет. Импульс тока пойдет по анодной цепи только после того как пачка электронов достигнет анода. За это, в общем-то, ничтожное время фаза колебания на контуре изменится, и подталкивающий импульс тока будет отставать от импульса напряжения на сетке. Это отставание выражается в фазовом угле в несколько градусов. Это так называемый угол крутизны (не путать с крутизной вольт-амперной характеристики!). Угол крутизны, показывающий величину запаздывания сигнала, зависит от расстояния между электродами и скорости движения электронов, которая, в свою очередь, зависит от величины анодного напряжения.
Итак, импульсы попадают в контур с опозданием. Как же генератор приспосабливается к этому? Оказывается, он генерирует не точно на частоте контура, а чуть ниже этой частоты.
Если через колебательный контур протекает переменный ток, то напряжение на контуре точно совпадает по ¦фазе с током в одном случае: когда ток находится точно в резонансе с частотой контура. Во всех остальных случаях напряжение на контуре либо опережает ток, либо отстает от него. Так вот, автогенератор автоматически выбирает такую частоту, при которой напряжение на контуре опережает подкачивающие импульсы тока точно на такую величину, которую затем задерживает лампа. Известно, что вы-сокодобротный контур очень резко реагирует на отклонения частоты. Очень малое отклонение частоты вызывает большие отклонения фазы. Соответственно, чтобы компенсировать задержку фазы в лампе, генератору достаточно лишь чуть-чуть отойти от резонансной частоты контура. Если анодное напряжение изменилось, то изменилась и задержка в лампе. Генератор перейдет на другую частоту, при которой опять соблюдался бы баланс фаз. Сдвиг частоты будет незначительным, если добротность контура высокая. При низкодобротном контуре генератору для компенсации такой же задержки надо изменить частоту значительно сильнее.
Задержки сигнала существуют не только в лампах, но и в транзисторах, и в микросхемах. Только там их физика не столь очевидна. Таким образом, изменяя режим работы лампы или транзистора, мы можем менять частоту генерации, это даже используется для частотной модуляции. Но что делать, если не только не можем, но и не хотим - а частота "плавает"! Во-первых, следует по возможности стабилизировать питание, а во-вторых, использовать колебательный контур максимально возможной добротности, для чего катушку мотать достаточно толстым посеребренным проводом на ребристом каркасе из радиофарфора или полистирола. Если каркас не имеет принудительной насечки, то мотать надо обязательно с подогревом провода от понижающего трансформатора. После охлаждения провод дает усадку и плотно облегает каркас, фиксируя витки. Покрытие катушки с этой целью лаками, красками, и т.п. совершенно недопустимо. Если автогенератор работает на частотах выше 10 МГц, то элементы контура не следует паять в печатную плату. Применяющиеся в контуре конденсаторы и варикапы следует паять непосредственно на концы катушки, без дополнительных монтажных проводов. Если частота генерации высокая-и паразитные емкости транзистора неизбежно составляют значительную часть емкости контура, то и сам транзистор надо паять на катушку навесным монтажом. В-третьих, необходимо использовать для ГПД транзисторы с минимальными паразитными емкостями. Часто для предотвращения самовозбуждения автогенератора на УКВ применяют антипаразитные резисторы в цепи затвора или базы. Наряду с демпфированием паразитных колебаний, они снижают добротность основного контура. Поэтому резисторы, даже если они схемой предусмотрены, сначала ставить не нужно. Если паразитные колебания все же возникают, то необходимо поискать другие пути их устранения, а если это не даст эффекта, то только тогда поставить антипаразитный резистор минимальной величины, начиная с нескольких ом. Паразитное возбуждение на УКВ не только создает дополнительные каналы приема и паразитного излучения, но и нарушает стабильность основной генерации. Паразитный контур может иметь низкую добротность, паразитные колебания при этом имеют неустойчивую амплитуду. Режим автогенератора непрерывно меняется, вызывая изменения основной частоты и приводя в недоумение своих создателей.
Нестабильность частоты может быть вызвана так называемым "затягиванием". Если автогенератор плохо экранирован, то при передаче на контур воздействуют большие наводки, которые, складываясь с основными колебаниями, приводят в полный беспорядок фазу на входе транзистора. Соответственно начинает "гулять" частота генерации. Меры борьбы - экранирование. развязки по питанию и соблюдение диаграммы уровней, при которой амплитуда собственных колебаний во много раз превосходила бы амплитуду наводок.
Мне могут возразить, что многое из сказанного здесь нс так уж и важно. Ведь работают же трансиверы, у которых ГПД сделан вопреки многим высказанным здесь мыслям. Да, работают. Но как? Возьмите тот или иной ГПД, измените напряжение питания на 10% и посмотрите сдвиг частоты по частотомеру. Конечно, при реальной работе оно изменяется не на 10%, а гораздо меньше, но так удобнее для большей наглядности. Тогда вы увидите все свои промахи - какую нестабильность частоты дает покрытие катушки лаком, сколько дает распайка конденсаторов и вари-капов на печатную плату и т.д.
Генератор с высокой электронной стабильностью частоты имеет соответственно и малые фазовые шумы. Это не относится, однако, к случаю, когда стабильность достигнута с помощью цифровой шкалы и ЦАПЧ, а не хорошей схемой самого ГПД.
Литература
1. Дробов С., Бычков С. Радиопередающее устройство. - М.: Советское радио.1969.
2. Зирюкин Ю. (EU3AS). ГПД трехдиапазонного трансивера. - Радиолюбитель. KB и УКВ, 1996, N7.
(Радиолюбитель 5-98)
moncler jackets outlet
louis vuitton outlet online
coach carter
pandora jewelry
prada purses
oakley sunglasses
ray-ban sunglasses
yeezy boost 350 shoes
rolex watch
mcm outlet online
ray-ban glasses
ugg uk
Longchamp tote
moncler outlet
shoes sale
michael kors
pandora jewelry uk
Nike Boots
tiffany co
Nike Air Max
payless shoes
michael kors outlet
Brighton Jewelry - Official
wayfarer sunglasses
Kate Spade - Online Sale
burberry purse
ray ban polarized sunglasses
pandora rings
ugg uk
prada us
pandora deutschland
chrome store
Nike Free Run
Jared Jewelry - Official
Nike Zoom
Diamond Rings - Official
Jared Jewelry - Official
Nike Jordans
Nike Air Max Enfant
Air Max 90 Femme
pandora rings uk
michael kors outlet online
Nike Free Run
kate spade handbags
piumini moncler replica
nbastore
kate spade outlet
Burberry Australia
Air Max 90
official michael kors
michael kors australia official
timberland outlet
ray ban uk
pandora jewelry
payless shoes online
snow boots
puma outlet
nike shox
Football Jerseys Outlet
ray ban sunglasses
hermes outlet
moncler jacket
canada goose sale online
michael kors
mk outlet online
chanel bag
ray ban outlet
puma sneakers sale
pandora uk
nike running
michael kors outlet online
official coach outlet site
michael kors outlet
Jewelry Armoire - Official
pandora charms sale
Prada Outlet
Nike Air Jordan Homme
louis vuitton outlet online
official kate spade website
gel kayano
puma outlet online
Promise Rings - Official
puma suede
burberry outlet canada
ray ban sunglasses outlet
michael kors
Nike Air Max
coach outlet us
Zales Jewelry
Air Max 180
pandoracharms
Basketball Jerseys Outlet
pandora.com
ray ban sunglasses
michael kors uk online
nflshop com
burberry scarf
Michael Kors Outlet
coach usa online
Air Jordan Retro 3
ua shoes
breitling watches
michael kors outlet online
kate spade outlet
ray ban outlet
Air Max 95
Coach Handbags
kate spade outlet
Nike Air Max
kate spade wallet outlet
spades uk
Nike Air Max Couple
oakley frogskins sunglasses
pandora sale
puma sneakers
Nike Air Max
rayban prescription glasses
ray-Ban sunglasses
pandora uk
yeezy boost 350 shoes
nike free shoes
discount oakley sunglasses
coach handbags sale
michael kors
hot dor
prada outlet online
Nike Air Max 90
michael kors outlet online
Nike Air Max 2017
Celine Outlet Sale
Hockey Jerseys Outlet
Nike Free Run
michael kors
ray ban outlet
pandora uk
Nike Air Max 2017
citizen watches
timberland shoes
myhermes parcel shop
Hugo Boss Store
nike shox
ugg boots
michael kors outlet
michael kors outlet online
sunglasses store
Nike Schuhe Damen
coach outlet online
pandora charms sale clearance
BURBERRYburberry australia
pandora rings
Nike Air Max 2017
ray ban sale
Nike Air Max 90 pas cher france
prada outlet online
michael kors outlet bags
prada outlet woodbury
Sunglasses outlet sale
prada outlet online
yeezy boost 350
Kay Jewelers - Official
Nike Dunk SB Low
Cartier Watches
gucci watches
michael kors
ralph lauren sale
moncler outlet
snow boots uk
yeezy boots 350
official michael kors
yeezy shoes
mens sunglasses
Air Max 1 Homme
tracking ups
kate spade italy
Oakley Sunglasses
tiffany co
burberry outlet
shop mlb
Longchamp outlet
oakley holbrook.
louis vuitton australia
pandora sale
omega watches
Coach outlet online
Prada Sunglasses - Official
pandora uk
Air Jordan Enfant
Nike Free
80's Fashion
ray ban online
Nike Air Jordan Enfants
hermes outlet
Nike Free 3.0
pandora charms
hermes bag
michael kors outlet
moncler sale
Wedding Rings- Official
balenciaga us
Burberry Shirt - Official
Nike Air Jordan enfants
nike shoes
Watches
Hermes Outlet
coach watches
Nike Air Max Enfant
louboutin shoes
coach tennis shoes
sunglasses
coach australia
pandora uk
salomon sneakers
balenciaga outlet
coachs outlet
pandora jewelry sale
ray-ban aviator
Basketball Jerseys Outlet
pandora rings
chrome store
Premier Jewelry. - Official
prada sunglasses
Prada Bags
ray ban erika
burberry outlet online
kate spade handbags
ray ban outlet
coach outlet
michael kors
celine outlet online
michael kors
Wine
timberland boots
burberry scarf
puma suede outlet
coach outlet store
canada goose sale
Nike Hyperdunk Shoes
Air Max 180
puma sneakers
nike jordan shoes
Nike Free
ray ban sunglasses
prada online
Salomon Speedcross Shoes
chrome store
pandora rings
official chrome hearts
pandora necklaces
pandora uk
casio watches
ray ban frames
Rolex Watch
top sunglasses
kate spade outlet store
ugg boots
michael kors outlet
Nike KD 8
michael kors us
Dreamland Jewelry - Official
the beat
coach outlet online
louis vuitton us
puma shoes
Air Jordan 11 Femme
Prada Shoes - Official
Nike Blazer Femmes
seiko watches
prada sale
abercrombie canada
prada outlet bags
Wholesale Outlet Sale
diesel watches
louis vuitton purse
Dreamland Jewelry - Official
Prada bags
michael kors outlet
sunglasses hut
ray ban clubmaster sunglasses
nike huarache shoes
yeezy shoes
kate spade outlet
burberry outlet sale
nike air max 95
sunglasses outlet
rayban prescription sunglasses
Engagement Rings - Official
Nike Air Max 90 Mes
coach outlet online
puma sneakers outlet
chrome store canada
Jordan Flight 45 Femme
poly sunglasses
Nike Free
coach factory outlet
Baseball Jerseys Outelt
puma sneakers online
Pandora Bracelet - Official
north face sale
michael kors watches
Nike Air Max Chase
louis vuitton outlet online
burberry australia
Nike Free
Wave Prophecy 2 Shoes
michael kors outlet online
coach outlet online
Nike Air Max 1
Jewelry Armoire - Official
Jimmy Choo Shoes
rayban sunglasses
puma outlet
Nike Air Jordan
louis vuitton bags
Baseball Jerseys Outlet
puma outlet
Football Jerseys Outlet
yeezy boost 350 white
moncler us
louis vuitton outlet
coach outlet
Nike Schuhe Herren
Prada Sunglasses - Official
louis vuitton outlet
Chanel Outlet
Nike Air Max 2017
Brighton Jewelry - Official
prada outlet sale
ray ban wayfarer sunglasses
homepage keywords
prada outlet
burberry outlet
Premier Jewelry - Official
Nike Air Max
handbags online sale
coach australia
ray ban sunglasses
michael kors outlet
ray ban wayfarer
ray ban justin
Oakley Sunglasses
louis vuitton outlet online
Wave Prophecy 2 Shoes
swatch watch
Nike Air Max 90
Nike Air Force
Coach Sunglasses Outlet
Nike Air Max Femme
Oakley Sunglasses
Nike Air Jordan
puma oulet sale
sunglasses sm
prada handbags
ralph lauren polo
coach outlet
Prada Shoes - Official
Nike Air Max 2017
puma outlet
burberry australia
louis vuitton
hermes belt
pandora bracelets charms
fake sunglasses
hermes bag
kate spade
evbid
prada online
polo outlet online
michael kors watches
pandora rings
Abercrombie Fitch
kate spade purses
sunglasses
michael kors outlet
pandora uk
michael kors purses
pandora charms
sunglasses
burberry outlet online
kate spade outlet
softball jerseys
prada wallet men
nike store
coach outlet online
michele watch
coach outlet online
Ray Ban sunglasses
Nike Air Jordan Enfants
coach outlet online
coach outlet online sale
hermes belt
Air Max 180
Nike Shox R3
Michael Kors Handbags Outlet Sale
prada outlet online
ray ban sunglasses sale
ray-ban eyeglasses
burberry outlet
me adc7.10