СИНХРОНИЗИРОВАННЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР НА СЛОЖНОМ АКТИВНОМ ПРИБОРЕ Российский патент 2003 года по МПК H03L7/24 H03B5/12 

Изобретение относится к области радиотехники, а конкретно - к синхронизированным автогенераторам (САГ) гармонических колебаний. Оно может быть применено при разработке радиопередатчиков с узкополосными амплитудно-фазовыми видами модуляции, в частности с однополосной модуляцией, построенных по способу [1].

Выходной каскад радиопередатчика с амплитудно-фазовыми видами модуляции должен вырабатывать мощный высокочастотный (ВЧ) сигнал с изменяющейся во времени амплитудой и начальной фазой, причем требуемый динамический диапазон амплитуды может превышать 40-50 дБ. В [1] предлагалось использовать в качестве мощного выходного каскада мощный САГ на составном транзисторе (СТ) с дополнительным режимным транзистором, т.е. на так называемом сложном активном приборе (САП). Описание такого САГ впервые появилось в [2], причем исследования, проведенные авторами [2], не включали круг вопросов, связанных с регулировкой амплитуды (амплитудной модуляцией) такого каскада. Вследствие этого САГ вида [2] оказался непригодным для использования в режиме с коллекторной амплитудной модуляцией, которую требуется осуществлять согласно [1].

Рассмотрим подробнее аналог изобретения, который выбран в качестве прототипа: это синхронизированный автогенератор [2], схема которого приведена на фиг.1.

Устройство [2] функционирует следующим образом. Предположим, что на коллектор СТ 1, 2 (точку соединения коллектора транзистора 2 и стока транзистора 1) подается постоянное напряжение, соответствующее пиковому значению огибающей сигнала передатчика. Положительная полуволна напряжения положительной обратной связи (ПОС), приложенного к затвору транзистора 1, открывает этот транзистор, в результате чего через базу транзистора 2 протекает ток, заряжающий барьерную и диффузионную емкости эмиттерного перехода транзистора 2 и вызывающий появление тока коллектора этого транзистора. Затем напряжение ПОС меняет знак и транзистор 1 закрывается, но в базе транзистора 2 продолжает оставаться заряд неосновных носителей, поддерживающий ток коллектора этого транзистора. Синхросигнал, приложенный к затвору транзистора 3 и противофазный по отношению к напряжению ПОС, открывает транзистор 3, благодаря чему происходит принудительное рассасывание зарядов диффузионной емкости (неосновных носителей слоя базы) и барьерной емкости эмиттерного перехода транзистора 2, и последний закрывается.

Основным преимуществом САГ вида [2] является высокое значение коэффициента усиления по мощности относительно синхросигнала: (1...10)³ раз. Вместе с тем, как было отмечено, существуют и недостатки, проявляющиеся при изменении коллекторного напряжения САГ при (коллекторной модуляции, осуществляемой в передатчике [1] , делающие невозможным применение такого САГ в передатчике рассматриваемого вида.

Рассмотрим процессы, происходящие в САГ [2] при изменении (модуляции) его коллекторного напряжения, а именно - при снижении этого напряжения по сравнению с пиковым значением. В этом случае уменьшается амплитуда генерируемых САГ ВЧ-колебаний, что приводит к уменьшению амплитуды напряжения ПОС и тока стока транзистора 1 и, следовательно, заряда неосновных носителей, накопленного в базе транзистора 2 благодаря протеканию тока стока транзистора 1. Проведенный анализ и эксперимент показывают, что при этом увеличивается по модулю значение отрицательного выброса напряжения на базе транзистора 2, создаваемого благодаря протеканию тока через транзистор 3, открывающегося противофазно с транзистором 1 под действием синхросигнала. Поскольку исток транзистора 1 соединен с базой транзистора 2, то отрицательный выброс напряжения на базе транзистора 2 (с амплитудой в десятые доли Вольта и больше) может привести к паразитному открыванию транзистора 1 под действием открывающегося транзистора 3, т.е. когда транзистор 1 должен быть заперт. Указанное явление паразитного открывания транзистора 1 синфазно с транзистором 3 способно резко снизить КПД САГ [2] или даже нарушить синхронный режим в нем, т.е. делает невозможной его амплитудную модуляцию.

Существует и второй недостаток, проявляющийся в САГ [2] при его коллекторной модуляции. Он заключается в том, что при низких напряжениях питания САГ, близких к нулю, начинает существенно сказываться проникновение ВЧ-синхросигнала напрямую в нагрузку (минуя транзистор 2) через каскадно включенную по отношению к синхросигналу пару транзисторов 3 и 1. Проникающее в нагрузку таким путем ВЧ-напряжение не регулируется по цепи коллектора СТ, т. е. даже при нулевом коллекторном напряжении в нагрузку поступает ВЧ-колебание, что резко снижает (до 20 дБ) динамический диапазон регулировки амплитуды ВЧ-колебания, вырабатываемого САГ. Проведенные исследования показали, что указанное явление резко снижает качество работы передатчика [1].

Таким образом, очевидна необходимость разработки такого САГ на САП, который был бы свободен от указанных недостатков - паразитного открывания транзистора 1 под действием транзистора 3 и прямого проникновения синхросигнала в нагрузку через канал транзистора 1, сохраняя указанные свойства при регулировке напряжения, питающего цепь коллектора САГ.

Задачей изобретения является обеспечение возможности регулирования амплитуды выходных колебаний САГ на САП при помощи коллекторной модуляции в широком динамическом диапазоне без нарушения его работоспособности или снижения его энергетических показателей.

Для решения указанной задачи в устройство, содержащее составной транзистор со структурой типа общий исток - общий эмиттер из входного полевого транзистора 1 и выходного биполярного транзистора 2, полевой транзистор 3, сток которого подключен к базе транзистора 2, а исток - к точке соединения отрицательного полюса источника напряжения 4, блокировочного конденсатора 5 и делителя напряжения на резисторах 6, 7, а также к выходу задающего генератора 9, точка соединения стока транзистора 1 и коллектора транзистора 2 подключена через конденсатор 10 к нагрузке 11, а также к конденсатору 12 и последовательно соединенным конденсатору 13, катушке индуктивности 14 и конденсатору 15, а также через дроссель 16 к положительному полюсу источника напряжения 17, параллельно которому подключен блокировочный конденсатор 18, затвор транзистора 1 подключен к точке соединения конденсатора 15 и катушки индуктивности 14, а также через резистор 19 к источнику напряжения смещения 20, параллельно которому подключен блокировочный конденсатор 21, вводится резистор 22, включенный между выводами истока транзистора 1 и базы транзистора 2, а к точке соединения резистора 22, базы транзистора 2 и стока транзистора 3 подключается катод диода 23, анод которого подключается к общему электроду устройства.

На фиг. 2 изображено устройство (синхронизированный автогенератор на сложном активном приборе), содержащее составной транзистор из первого и второго транзисторов, третий транзистор, сток которого подключен к базе второго транзистора, а исток - к точке соединения первого источника напряжения, первого конденсатора и делителя напряжения на первом и втором резисторах, затвор третьего транзистора подключен через третий резистор к точке соединения первого и второго резисторов, а также к выводу задающего генератора, точка соединения стока первого транзистора и коллектора второго транзистора подключена через второй конденсатор к нагрузке автогенератора, а также к третьему конденсатору и последовательно соединенным четвертому конденсатору, катушке индуктивности и пятому конденсатору, а также через дроссель ко второму источнику напряжения, параллельно которому включен шестой конденсатор, затвор первого транзистора подключен к точке соединения пятого конденсатора и катушки индуктивности, а также через четвертый резистор к третьему источнику напряжения, параллельно которому подключен седьмой конденсатор, между выводами истока первого транзистора и базы второго транзистора включен пятый резистор, а к точке соединения пятого резистора, базы второго транзистора и стока третьего транзистора подключен катод диода, анод которого подключен к общему электроду устройства.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При постоянном и равном максимальному значению напряжении питания коллекторной цепи САГ, т.е. напряжении источника 17, в САГ создаются условия для самовозбуждения за счет действия цепи ПОС, состоящей из элементов 12, 13, 14, 15 и транзистор 1 открывается под действием положительной полуволны напряжения ПОС, поступающего на его затвор. При этом ток, проходящий через транзистор 1, поступает в базу транзистора 2, в результате чего начинает накапливаться заряд в барьерной и диффузионной емкостях эмиттерного перехода этого транзистора. Накапливание заряда неосновных носителей в базе транзистора 2 вызывает появление тока коллектора этого транзистора. Ток, протекающий по каналу транзистора 1, создает также падение напряжения на резисторе 22, что приводит к возникновению отрицательной обратной связи по току, в результате чего уменьшаемся крутизна проходной характеристики транзистора 1, а также уменьшается крутизна линии критического режима транзистора 1, что эквивалентно увеличению сопротивления канала этого транзистора при малых значения напряжения сток-исток. Отрицательная полуволна напряжения ПОС закрывает транзистор 1 и ток через его канал прекращается. При этом в базе транзистора 2 продолжает существовать, постепенно рекомбинируя, заряд неосновных носителей, препятствующий прекращению тока коллектора транзистора 2. Колебание, вырабатываемое задающим генератором 9, имеет частоту, находящуюся в пределах полосы синхронизации САГ, при этом обеспечивается синхронный режим работы САГ, которому соответствует противофазная paбота транзисторов 1 и 3. Вследствие этого после прекращения тока через канал транзистора 1 под действием синхросигнала от задающего генератора 9 открывается транзистор 3, через канал которого удаляется остаточной заряд из базы транзистора 2, в результате чего последний закрывается. Таким образом, синхронизирующее колебание управляет мощным колебанием, вырабатываемым САГ на САП. Основная часть мощности ВЧ-колебания поступает в нагрузку 11.

По мере перезарядки барьерной и диффузионной емкостей эмиттерного перехода транзистора 2 от источника 4 через открытый канал режимного транзистора 3 напряжение на выводе базы транзистора 2 понижается, причем транзистор 2 закрывается при напряжении на его базе, составляющем около +0,6 В. Поскольку после закрытия транзистора 2 транзистор 3 продолжает оставаться некоторое время открытым, напряжение на базе транзистора 2 продолжает снижаться. В случае, если оно снижается значительно, т.е. имеет место отрицательный выброс этого напряжения, по модулю превышающий 0,2 В (для германиевого диода) или 0,6 В (для кремниевого диода), диод 23 открывается, препятствуя дальнейшему снижению напряжения на базе транзистора 2, т.е. ограничивая отрицательный выброс указанного напряжения. Поскольку крутизна проходной характеристики транзистора 1 определяется, как было указано выше, сопротивлением резистора 22, то сопротивление последнего выбирают таким образом, чтобы напряжение ПОС, приложенное к затвору транзистора 1, имело амплитуду, достаточную для того, чтобы предотвратить паразитное открывание транзистора 1 под действием отрицательного выброса напряжения, приложенного к базе транзистора 2, а значит, к истоку транзистора 1. Иными словами, паразитное открывание транзистора 1 под действием открытого транзистора 3 гарантированно предотвращается за счет ограничения величины отрицательного выброса напряжения на базе транзистора 2 (путем введения диода 23) и одновременно за счет повышения амплитуды напряжения ПОС на затворе транзистора 1 (путем введения резистора 22). В результате во время отрицательной полуволны напряжения ПОС разность напряжений на затворе и на истоке транзистора 1 гарантированно не превысит значения напряжения отсечки этого транзистора.

По мере нарастания амплитуды синхронных автоколебаний транзистор 1 начинает переходить в критический, а затем в перенапряженный режим. Поскольку за счет наличия резистора 22, как было отмечено выше, крутизна линии критического режима (ЛКР) этого транзистора уменьшается, то амплитуда ВЧ-напряжения на точке соединения стока транзистора 1 и коллектора транзистора 2, достаточная для перевода транзистора 1 в перенапряженный режим, недостаточна для перевода в перенапряженный режим транзистора 2, крутизна ЛКР которого больше, чем у транзистора 1 с резистором 22. Переход транзистора 1 в перенапряженный режим приводит к замедлению и прекращению роста амплитуды автоколебаний в САГ на САП, т.е. переводит его в стационарный режим работы. При этом транзистор 2 нe переходит в перенапряженный режим, а может работать в режиме, близком к критическому, что выгодно с точки зрения повышения КПД каскада.

При уменьшении постоянного напряжения, питающего коллекторную цепь САГ (при коллекторной модуляции), происходит снижение амплитуды выходного колебания САГ за счет тех же процессов, которые, как было описано выше, приводят к установлению стационарного значения амплитуды в каскаде данного типа. Снижение постоянного напряжения на коллекторе САП приводит к уменьшению амплитуды импульсов тока базы и коллектора транзистора 2 и, следовательно, к уменьшению величины заряда, накапливаемого в базе этого транзистора. Действие диода 23 препятствует в этом случае увеличению по модулю величины отрицательных выбросов напряжения на базе транзистора 2 в момент действия режимной цепи, благодаря чему исключается паразитное открывание транзистора 1 и срыв синхронного режима во время регулировки напряжения питания коллекторной цепи САГ. При дальнейшем снижении постоянного коллекторного напряжения (менее 1 В) транзистор 2 закрывается, а ВЧ-колебание продолжает поступать в нагрузку в основном по каскодной цепи, состоящей из транзистора 3, резистора 22, диода 23 и транзистора 1, поскольку напряжение источников 4 и 20 не регулируется в такт с напряжением источника 17, что предусмотрено для повышения линейности статической амплитудной модуляционной характеристики каскада. При напряжении источника 17, равном нулю, в нагрузку также поступает ВЧ-напряжение, однако его уровень существенно снижен (по сравнению с прототипом - более чем на 20 дБ) за счет того, что амплитуда пульсаций напряжения на стоке транзистора 3 ограничена диодом 23, а резистор 22 снижает общий коэффициент передачи рассматриваемой каскадной пары транзисторов. Получаемый при этом динамический диапазон регулировки амплитуды достигает 45-50 дБ, что достаточно для формирования однополосных и других сигналов в передатчике [1].

Таким образом, за счет введения элементов 22, 23 в схему САГ на САП достигается решение поставленной задачи - обеспечение возможности регулирования амплитуды выходных колебаний САГ на САП путем коллекторной модуляции в широком динамическом диапазоне без нарушения его работоспособности или снижения его энергетических показателей. Экспериментальные исследования макетного образца САГ на САП, выполненного по фиг.2, подтверждают справедливость сделанного заключения.

Сопоставительный анализ и сравнение с прототипом изобретения показывает, что заявляемое здесь техническое решение отличается наличием впервые примененных для исключения влияния транзистора 3 на состояние транзистора 1 элементов: резистора 22 и диода 23, а также обеспечивающего линейность статической амплитудной модуляционной характеристики отдельного источника напряжения смещения 20. Последнее, т.е. отдельный источник 20 напряжения смещения затвора транзистора 1, не является существенным признаком, отличающим заявляемое решение от прототипа, и поэтому далее рассматриваться не будет.

Итак, рассмотрим отличие заявляемого технического решения от прототипа, проявляющееся во введении резистора 22 и диода 23 в цепь соединения истока транзистора 1 с базой транзистора 2 и стоком транзистора 3. Последовательное включение резистора в истоковую цепь полевого транзистора является само по себе хорошо известным техническим решением, позволяющим повысить линейность, расширить рабочую полосу частот, а также задать смещение рабочей точки каскада с общим истоком на таком транзисторе за счет отрицательной обратной связи по току, см. [3, 4] и др. источники. Применяется также техническое решение, предусматривающее включение резистора последовательно в цепь базы биполярного транзистора и диода - встречно-параллельно (т.е. в противоположной полярности) с эмиттерным переходом этого транзистора, см. [5, рис.20 и 22] , что позволяет защитить эмиттерный переход транзистора от пробоя недопустимо большим обратным напряжением. Но необходимо подчеркнуть, что у заявляемого технического решения проявляются новые свойства, которых нет и не могло быть в принципе в известных технических решениях - предотвращение паразитного открывания входного транзистора, являющегося частью составного транзистора, под действием открывающегося режимного транзистора, работающего противофазно со входным транзистором, как это было рассмотрено при анализе САГ на САП; также новым свойством является существенное уменьшение проникновения остаточного колебания из режимной цепи в нагрузку САГ за счет введения рассматриваемых здесь элементов. Важно отметить, что для проявления указанных полезных свойств необходимо именно совместное действие введенных в схему САГ на САП элементов - резистора и диода. "Новизна" указанных свойств обусловлена тем, что цепь рассматриваемого здесь вида впервые применена в таком каскаде, как синхронизированный автогенератор на составном транзисторе с режимным транзистором, иначе говоря - в САГ на САП. Таким образом, можно сделать вывод, что применение в каскаде САГ на САП рассматриваемой здесь цепи и метода ее подключения приводит к появлению у технического решения новых свойств, не совпадающих со свойствами известных технических решений и прототипа, т.е. заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями. Отметим, что для выявления влияния режимного транзистора на состояние входного транзистора, являющегося частью составного транзистора, анализа последствий данного эффекта и разработки метода его устранения понадобилось провести теоретическое изучение, имитационное (численное) моделирование и экспериментальное исследование процессов в САГ на САП, что было сделано впервые в рамках разработки радиопередатчиков на таких каскадах на основе способа [1]. Вышесказанное свидетельствует о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Положительный эффект от осуществления заявляемого технического решения выражается в повышении надежности работы перспективного генераторного каскада - САГ на САП при постоянном значении коллекторного напряжения, т.е. в устройствах, где не требуется регулировка или модуляция амплитуды мощного выходного колебания, а также в возможности реализовывать на основе САГ на САП устройства (передатчики) с изменяющейся во времени огибающей выходного сигнала - передатчики с амплитудной, однополосной или одновременной амплитудно-фазовой модуляцией, в частности по способу [1], что позволяет повысить энергетическую эффективность, улучшить массогабаритные характеристики и надежность таких передатчиков при сохранении высокого качества (спектральной чистоты) их выходного сигнала.

Осуществимость технического решения видна из того, что в заявляемом техническом решении применены известные и доступные элементы, известные схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность САГ на САП, что было подтверждено лабораторными испытаниями макета заявляемого САГ на САП, а также лабораторными испытаниями работы макета передатчика по способу [1], выполненного на основе заявляемого САГ на САП.

Данные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "промышленная применимость".

Наличие в заявляемом изобретении новизны, необходимого изобретательского уровня и возможности промышленного применения говорит о достаточной проработке предлагаемого решения. Предлагаемое решение технически ясно, происходящие в нем процессы физически объяснимы, заявленное решение экспериментально проверено.

Источники информации
1. Патент 2155445 РФ. Способ формирования однополосного сигнала в транзисторном передатчике и устройство для его осуществления /Ю.И.Судаков, Е.В. Васильев. МКИ Н 04 В 1/04. Опубл. 27.08.2000. Бюл. 24.

2. А.с. 1748252 СССР. Синхронизированный автогенератор/ Ю.И.Судаков, Е. А.Петров. МКИ Н 03 L 7/24. Опубл.15.07.92. Бюл. 26.

3. Милехин А. Г. Радиотехнические схемы на полевых транзисторах. - М.: Энергия, 1976, 144 с.

4. Петухов В.М., Таптыгин В.И., Хрулев А.К. Транзисторы полевые. - М.: Советское радио, 1978, 64 с.

5. Транзисторы: Справочник /О.П.Григорьев, В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев, С.Л.Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1989, 272 с.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередатчиках. Синхронизированный автогенератор на сложном активном приборе содержит составной транзистор из первого и второго транзисторов, третий транзистор, задающий генератор, три источника напряжения, нагрузку автогенератора, пять резисторов, катушку индуктивности, семь конденсаторов, дроссель, а также диод, который включен между стоком третьего транзистора и общей шиной. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности регулирования амплитуды выходных колебаний при помощи коллекторной модуляции в широком динамическом диапазоне. 2 ил.

Синхронизированный автогенератор на сложном активном приборе, содержащий составной транзистор из первого и второго транзисторов, третий транзистор, сток которого подключен к базе второго транзистора, а исток - к точке соединения первого источника напряжения, первого конденсатора и делителя напряжения на первом и втором резисторах, затвор третьего транзистора подключен через третий резистор к точке соединения первого и второго резисторов, а также к выходу задающего генератора, точка соединения стока первого транзистора и коллектора второго транзистора подключена через второй конденсатор к нагрузке автогенератора, а также к третьему конденсатору и последовательно соединенным четвертому конденсатору, катушке индуктивности и пятому конденсатору, а также через дроссель ко второму источнику напряжения, параллельно которому включен шестой конденсатор, затвор первого транзистора подключен к точке соединения пятого конденсатора и катушки индуктивности, а также через четвертый резистор к третьему источнику напряжения, параллельно которому подключен седьмой конденсатор, отличающийся тем, что между выводами истока первого транзистора и базы второго транзистора включен пятый резистор, а к точке соединения пятого резистора, базы второго транзистора и стока третьего транзистора подключен катод диода, анод которого подключен к общему электроду устройства.