УПРАВЛЯЕМЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР С УМНОЖЕНИЕМ ЧАСТОТЫ ВЫСОКОЙ КРАТНОСТИ Российский патент 2003 года по МПК H03B5/36 H03B19/10 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к управляемым кварцевым генераторам, предназначенным для получения высокостабильных частотно-модулированных колебаний.

Известен управляемый кварцевый генератор (см. Г.Б. Альтшуллер. Управление частотой кварцевых генераторов, М.: Связь, 1975), содержащий первый транзистор, между базой и эмиттером которого включен конденсатор, эмиттер первого транзистора связан с положительной (общей) шиной параллельным соединением конденсатора и резистора. Между базой первого транзистора и общей шиной включено последовательное соединение конденсатора, индуктивности, кварцевого резонатора, зашунтированного резистором, и варикапа, подключенного катодом к общей шине. К аноду варикапа через последовательное соединение конденсатора и резистора подводится управляющее напряжение (входной модулирующий сигнал). Смещение на анод варикапа подается через резистор от отрицательной шины питания. Между шинами питания включен конденсатор. База первого транзистора соединена с общей шиной резистором, коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора. Коллектор второго транзистора подключен к параллельному контуру, состоящему из индуктивности и двух конденсаторов, соединенных последовательно. Другой точкой параллельный контур подключен к отрицательной шине питания. Выход кварцевого генератора подключен к общей точке соединения двух последовательно включенных конденсаторов параллельного контура. Между базами первого и второго транзисторов включен резистор, а между базой второго транзистора и общей шиной включен конденсатор. Напряжение смещения на базу второго транзистора подводится через резистор, подключенный к отрицательной шине питания.

Для уменьшения влияния импеданса нагрузки на частоту колебаний данное техническое решение предусматривает построение схемы управляемого кварцевого генератора с буферным каскадом, что ведет к ее усложнению. Другим недостатком данного решения является ограничение частоты выходного сигнала кварцевого генератора сверху частотой первой механической гармоники кварцевого резонатора.

Известен управляемый кварцевый генератор с удвоением частоты (Ham Radio, 2, 39, 1979), содержащий транзистор, эмиттер которого подключен к отрицательной (общей) шине через параллельное соединение конденсатора и резистора, между базой транзистора и его эмиттером включен конденсатор, база транзистора соединена с положительной шиной питания резистором, к базе транзистора подключено последовательное соединение, связывающее ее с общей шиной и содержащее индуктивность, конденсатор, кварцевый резонатор и варикап, причем анод варикапа подключен к общей шине, а его катод через цепь подачи управляющего напряжения, состоящую из последовательно соединенных индуктивности и резистора, подключен ко входу схемы, общая точка индуктивности и резистора соединена с общей шиной конденсатором, вход генератора соединен с общей шиной конденсатором, коллектор транзистора соединен с общей шиной конденсатором и через конденсатор подключен к выходу схемы, а через индуктивность - к положительной шине питания, между шинами питания включен конденсатор.

Подобное техническое решение позволяет вдвое поднять граничную частоту выходного сигнала по сравнению с техническими решениями, не применяющими умножение частоты непосредственно в схеме автогенератора, сохранив при этом однокаскадность схемы.

Недостатком данного технического решения является значительное влияние импеданса нагрузки на частоту выходного сигнала.

Известен управляемый кварцевый генератор, построенный по схеме с общей базой без коллекторного питания с кварцевым резонатором в цепи обратной связи (см. D. Bogomolov, E. Silaev, Proc. Of the 2000 IEEE IFCS), содержащий первый транзистор, база которого соединена с отрицательной (общей) шиной, коллектор первого транзистора подключен к общей шине через параллельное соединение индуктивности и двух конденсаторов, соединенных последовательно. К общей точке последовательного соединения конденсаторов подключены кварцевый резонатор, соединяющий ее с эмиттером первого транзистора, и затвор второго транзистора, между затвором второго транзистора и общей шиной включен резистор. Между эмиттером первого транзистора и общей шиной включено последовательное соединение резистора и конденсатора. К эмиттеру первого транзистора подключен четырехполюсник, вход которого является входом для подачи управляющего напряжения, а точка подачи напряжения питания подключена к положительной шине питания. Исток второго транзистора соединен с общей шиной, сток второго транзистора через индуктивность подключен к положительной шине питания, между стоком и выходом схемы включен конденсатор. Между шинами питания включен конденсатор.

Данное техническое решение позволяет существенно повысить граничную частоту сигнала управляемого кварцевого генератора, а также обладает более низким по сравнению с другими техническими решениями уровнем фазовых шумов.

Недостатком данного технического решения является более узкий диапазон управления частотой выходного сигнала. Другим недостатком, существенным для ряда приложений, является наличие буферного каскада.

Известен управляемый кварцевый генератор с умножением частоты (см. патент РФ RU 2128873 C1 от 10.04.99, МПК 6 Н 03 В 5/36), содержащий транзистор, эмиттер которого подключен к положительной (общей) шине через параллельное соединение конденсатора и резистора, между базой и эмиттером включен конденсатор, база транзистора соединена с общей шиной резистором, к базе подключено последовательное соединение, связывающее ее с общей шиной и содержащее конденсатор, индуктивность, кварцевый резонатор, зашунтированный резистором, и варикап, причем катод варикапа соединен с общей шиной, а его анод через цепь подачи управляющего напряжения, состоящую из последовательного соединения конденсатора и резистора, подключен ко входу схемы, резистор, соединяющий анод варикапа с отрицательной шиной питания, между шинами питания включен конденсатор, между коллектором транзистора и общей шиной включен последовательный контур, состоящий из индуктивности и конденсатора и настроенный в резонанс на частоте первой механической гармоники кварцевого резонатора, а также конденсатор, образующий вместе с последовательным контуром параллельный контур, настроенный в резонанс на частоте второй гармоники первой механической гармоники кварцевого резонатора, между базой транзистора и отрицательной шиной питания включен резистор.

Данный управляемый кварцевый генератор с умножением (удвоением) частоты является наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и принят в качестве прототипа.

Достоинством прототипа является слабое влияние импеданса нагрузки на частоту выходного сигнала и компактное построение схемы при умножении частоты осцилляторных колебаний непосредственно в схеме генератора.

Недостатком прототипа является ограничение частоты выходного сигнала значением второй гармоники первой механической гармоники кварцевого резонатора.

В основу предлагаемого технического решения положена задача создания управляемого кварцевого генератора с умножением частоты высокой кратности непосредственно в схеме генератора, обеспечивающего значительное повышение частоты выходного сигнала без применения каскадов умножителей частоты, что позволяет расширить его функциональные возможности.

Сущность заявленного технического решения заключается в том, что в управляемый кварцевый генератор с умножением (удвоением) частоты, содержащий транзистор, эмиттер которого подключен к шине питания через параллельное соединение пятого резистора и четвертого конденсатора; третий конденсатор, включенный между базой и эмиттером, четвертый резистор, соединяющий базу с общей шиной; подключенное к базе и связывающее базу с шиной питания последовательное соединение, содержащее первый конденсатор, первую индуктивность, кварцевый резонатор, зашунтированный третьим резистором, и варикап, причем катод варикапа соединен с шиной питания, а его анод подключен через второй резистор к общей шине и через первый резистор, представляющий собой цепь подачи управляющего сигнала, к входному разъему генератора; включенное между коллектором транзистора и общей шиной последовательное соединение, состоящее из второй индуктивности и пятого конденсатора и представляющее собой последовательный контур, настроенный в резонанс на частоте первой механической гармоники кварцевого резонатора; второй (блокировочный) конденсатор, включенный между шиной питания и общей шиной, введены третья индуктивность, включенная между коллектором транзистора и общей шиной; последовательное соединение, состоящее из шестого конденсатора и пятой индуктивности и включенное между коллектором транзистора и выходным разъемом генератора; четвертая индуктивность, включенная между общей точкой пятой индуктивности и шестого конденсатора и общей шиной; седьмой конденсатор, включенный между выходным разъемом генератора и общей шиной.

При этом введенные элементы: третья, четвертая и пятая индуктивности, шестой и седьмой конденсаторы вместе с пятым конденсатором и второй индуктивностью образуют реактивный четырехполюсник, согласующий выходное сопротивление кварцевого генератора на n-ой гармонике первой механической гармоники кварцевого резонатора с входным сопротивлением антенны или усилителя мощности и отфильтровывающий гармоники и субгармоники выходного сигнала с номерами к≠n, причем со стороны коллектора четырехполюсник на частоте первой механической гармоники кварцевого резонатора (к=1) представляет собой малое сопротивление, не превышающее сопротивление потерь второй индуктивности, то есть обеспечивает режим короткого замыкания на коллекторе транзистора, тем самым сохраняя емкостную трехточечную схему генератора и обеспечивая работу кварцевого резонатора на частоте последовательного резонанса по первой механической гармонике. Влияние импеданса нагрузки генератора (входного сопротивления антенны или усилителя мощности) на частоту колебаний кварцевого генератора при этом меньше, чем в прототипе.

Принципиальная электрическая схема управляемого кварцевого генератора с умножением частоты высокой кратности представлена на чертеже.

Управляемый кварцевый генератор с умножением частоты высокой кратности содержит первый резистор 1, второй резистор 2, третий резистор 3, четвертый резистор 4, пятый резистор 5, транзистор 6, варикап 7, кварцевый резонатор 8, второй конденсатор 9, первый конденсатор 10, четвертый конденсатор 11, третий конденсатор 12, пятый конденсатор 13, шестой конденсатор 14, седьмой конденсатор 15, первую индуктивность 16, вторую индуктивность 17, третью индуктивность 18, четвертую индуктивность 19, пятую индуктивность 20.

Предлагаемый управляемый кварцевый генератор с умножением частоты высокой кратности собран на основе емкостной трехточечной схемы и содержит транзистор 6, между базой и эмиттером которого включен конденсатор 12 связи транзистора с кварцевым резонатором 8, между эмиттером и положительной шиной питания, на которую подано напряжение постоянного тока Е, включено параллельное соединение конденсатора 11 связи транзистора с кварцевым резонатором и резистора 5 последовательной отрицательной обратной связи по току. Между базой транзистора и положительной шиной питания включено последовательное соединение подстроечного конденсатора 10, индуктивности 16, обеспечивающей работу схемы вблизи последовательного резонанса по первой механической гармонике кварцевого резонатора, кварцевого резонатора 8, зашунтированного антипаразитным резистором 3 и варикапа 7 - управляющего элемента схемы, подключенного катодом к положительной шине питания. Между входным разъемом генератора и анодом варикапа включен резистор 1, через который на анод варикапа подается модулирующий сигнал, в общем случае задающий не только переменную, но и постоянную составляющую функции управления. Смещение на варикап подается через резистор 2, соединенный с отрицательной (общей) шиной питания. Между шинами питания включен блокировочный конденсатор 9. Смещение на базу транзистора подается через резистор 4, соединенный с общей шиной и охватывающий схему параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. Между коллектором транзистора и общей шиной включен последовательный контур, состоящий из индуктивности 17 и подстроечного конденсатора 13, настроенный в резонанс на частоте первой механической гармоники кварцевого резонатора, а также индуктивность 18. Между коллектором транзистора и выходным разъемом генератора включено последовательное соединение подстроечного конденсатора 14 и индуктивности 20. Общая точка индуктивности 20 и конденсатора 14 соединена с общей шиной индуктивностью 19. Выходной разъем генератора соединен с общей шиной подстроечным конденсатором 15. Общая шина соединена с корпусом генератора. Реактивный четырехполюсник, образованный индуктивностями 17, 18, 19, 20 и подстроечными конденсаторами 13, 14, 15, рассчитан и настроен таким образом, что на n-ой гармонике первой механической гармоники кварцевого резонатора согласует выходной импеданс транзистора с входным импедансом антенны или усилителя мощности, отфильтровывает гармоники и субгармоники, содержащиеся в спектре коллекторного тока транзистора, обеспечивая при этом практически полную фильтрацию первой гармоники (основной субгармоники по отношению к n-ой гармонике), то есть режим короткого замыкания по первой гармонике на коллекторе.

Необходимо отметить, что схема заявляемого генератора содержит меньшее число вспомогательных элементов по сравнению со схемой прототипа: отсутствует дроссель - элемент более низкой, по сравнению с другими элементами надежности, повышающий потенциальную неустойчивость схемы к возбуждению паразитных колебаний, также отсутствуют два разделительных конденсатора и один из резисторов базового смещения.

Принципиальная электрическая схема генератора (фиг.1) была реализована в нескольких вариантах на транзисторах КТ3123 А-2, BFT92 и NE 97733 с кварцевыми резонаторами мембранного типа (меза-структуры) РКМ-12 на частоты 104 МГц и 208 МГц по первой механической гармонике. Частоты выходного сигнала лежали в пределах от 520 МГц до 1,04 ГГц при кратностях умножения 5≤n≤8.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. После подачи напряжения питания постоянного тока Е на шины питания в кварцевом генераторе возникают условия для мягкого возбуждения осцилляторных колебаний вблизи частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора на первой механической гармонике. Наличие между коллектором транзистора и общей шиной последовательного контура, настроенного в резонанс на частоте первой гармоники, обеспечивает режим короткого замыкания на коллекторе для первой гармоники колебаний и, следовательно, сохраняет классическую емкостную трехточечную схему автогенератора. Согласующий четырехполюсник, играющий роль фильтра верхних и нижних частот, выделяет на внешней нагрузке n-ю гармонику первой механической гармоники кварцевого резонатора. Подача модулирующего сигнала на вход устройства позволяет управлять частотой колебаний автогенератора по закону входного сигнала. Соответственно по такому же закону будет меняться частота выходного сигнала устройства.

Подобное построение схемы управляемого кварцевого генератора с умножением частоты позволяет, сохраняя режим короткого замыкания по первой механической гармонике на коллекторе транзистора, а следовательно, поддерживая условия возбуждения колебаний, контролируемых кварцем для классической емкостной трехточки, значительно повысить максимальную выходную частоту генератора. При этом отпадает необходимость во всех или некоторых каскадах цепи: буферном усилителе, умножителе частоты, а в случае построения микромощного ЧМ-передатчика и в выходном усилителе мощности.

Таким образом, получен управляемый кварцевый генератор с умножением частоты высокой кратности без применения дополнительных каскадов умножителей частоты.

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для получения высокостабильных частотно-модулированных колебаний. Достигаемый технический результат - обеспечение значительного повышения частоты выходного сигнала без применения каскадов умножителей частоты, что позволяет расширить функциональные возможности. Управляемый кварцевый генератор с умножением частоты высокой кратности содержит транзистор, семь конденсаторов, пять катушек индуктивности, пять резисторов, кварцевый резонатор и варикап. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Управляемый кварцевый генератор с умножением частоты высокой кратности, содержащий транзистор, эмиттер которого подключен к шине питания через параллельное соединение пятого резистора и четвертого конденсатора, третий конденсатор, включенный между базой и эмиттером, четвертый резистор, соединяющий базу с общей шиной, подключенное к базе и связывающее базу с шиной питания последовательное соединение, содержащее первый конденсатор, первую индуктивность, кварцевый резонатор, зашунтированный третьим резистором, и варикап, причем катод варикапа соединен с шиной питания, а его анод подключен через второй резистор к общей шине и через первый резистор ко входу генератора, включенное между коллектором и общей шиной последовательное соединение, состоящее из второй индуктивности и пятого конденсатора и представляющее собой последовательный контур, настроенный в резонанс на частоте первой механической гармоники кварцевого резонатора, второй конденсатор, включенный между шиной питания и общей шиной, отличающийся тем, что в него введены третья индуктивность, включенная между коллектором транзистора и общей шиной, последовательное соединение, состоящее из шестого конденсатора и пятой индуктивности и включенное между коллектором и выходом генератора, четвертая индуктивность, включенная между общей точкой пятой индуктивности и шестого конденсатора и общей шиной, седьмой конденсатор, включенный между выходом генератора и общей шиной, при этом введенные элементы третья, четвертая и пятая индуктивности, шестой и седьмой конденсаторы вместе с пятым конденсатором и второй индуктивностью образуют реактивный четырехполюсник, согласующий выходной импеданс генератора на n-й гармонике первой механической гармоники кварцевого резонатора с импедансом нагрузки, отфильтровывающий гармоники и субгармоники выходного сигнала с номерами к≠n и обладающий нулевым импедансом на первой механической гармонике кварцевого резонатора к=1 со стороны подключения четырехполюсника к коллектору. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что транзистор охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, функцию которой выполняет четвертый резистор. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что функцию дросселя, пропускающего постоянную составляющую коллекторного тока, выполняет третья индуктивность. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что для подачи постоянной составляющей управляющего напряжения на варикап, его анод соединен со входом генератора первым резистором без разделительного конденсатора.