ГЕНЕРАТОР УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2014 года по МПК H03C3/09 H03B5/12 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве источника высокочастотных колебаний в радиопередающих, радиоприемных устройствах и измерительной технике.

Наиболее близким по технической сущности заявляемого устройства является генератор, управляемый напряжением [1], содержащий автогенератор, включающий первую катушку индуктивности, первый вывод которой подключен к источнику напряжения питания, первый конденсатор, первый полевой транзистор (ПТ), сток которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора и второму выводу первой катушки индуктивности, а второй вывод первого конденсатора соединен с общей точкой, второй конденсатор, третий конденсатор, четвертый конденсатор и вторую катушку индуктивности, при этом первый вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод третьего конденсатора подсоединен к первому выводу четверного конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности и затвором первого ПТ, второй вывод четвертого конденсатора подсоединен ко второму выводу второй катушки индуктивности, второй вывод третьего конденсатора и первый вывод четвертого конденсатора подключены к общей точке, пятый конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом четвертого конденсатора, цепь отпирающего смещения, состоящую из первого резистора, второго резистора и третьей катушки индуктивности, при этом первый вывод первого резистора соединен со вторым выводом первой катушки индуктивности, точка соединения первого резистора и второго резистора подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, цепь запирающего автоматического смещения, включающую четвертую катушку индуктивности и третий резистор, соединенные последовательно, шестой конденсатор и внешнюю нагрузку, при этом первый вывод четвертой катушки индуктивности подсоединен к истоку первого ПТ и первому выводу шестого конденсатора, второй вывод шестого конденсатора соединен с первым выводом внешней нагрузки, а второй вывод внешней нагрузки и второй вывод третьего резистора подключены к общей точке, цепь управления, содержащую пятую катушку индуктивности, магнитно-связанную со второй катушкой индуктивности, и седьмой конденсатор, первый вывод которого соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, а второй вывод седьмого конденсатора подсоединен к общей точке, введены второй ПТ с выводом подложки МДП типа, причем сток и исток второго ПТ с выводом подложки МДП типа подключены соответственно ко второму выводу пятого конденсатора и общей точке, а затвор второго ПТ с выводом подложки МДП типа подсоединен ко второму выводу пятой катушки индуктивности, источник напряжения смещения, первый электрод которого соединен с подложкой второго ПТ МДП типа, а второй электрод источника напряжения смещения подключен к общей точке, при этом выходом устройства является первый вывод внешней нагрузки.

Недостатком известного устройства являются низкие диапазон рабочих частот и стабильность частоты генерируемых колебаний.

Это обусловлено тем, что в биполярном транзисторе (БТ) диодно-транзисторного ключа при его открытом состоянии (переход база-эмиттер открыт) происходит накопление заряда, что обуславливает появление большой диффузионной емкости. Поэтому уже на относительно низких частотах, составляющих единицы мегагерц, в СВЧ и высокочастотных БТ появляется значительная инерционность, приводящая к увеличению времени его включения и фазовым сдвигам. С ростом частоты инерционность быстро возрастает, что приводит к появлению значительных потерь в БТ и, соответственно, к уменьшению диапазона рабочих частот и стабильности частоты генерируемых колебаний.

Изобретение направлено на повышение диапазона рабочих частот и стабильности частоты генерируемых колебаний.

Это достигается тем, что в генератор, управляемый напряжением, содержащий автогенератор, включающий первую катушку индуктивности, первый вывод которой подключен к источнику напряжения питания, первый конденсатор, первый полевой транзистор (ПТ), сток которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора и второму выводу первой катушки индуктивности, а второй вывод первого конденсатора соединен с общей точкой, второй конденсатор, третий конденсатор, четвертый конденсатор и вторую катушку индуктивности, при этом первый вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод третьего конденсатора подсоединен к первому выводу четверного конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности и затвором первого ПТ, второй вывод четвертого конденсатора подсоединен ко второму выводу второй катушки индуктивности, второй вывод третьего конденсатора и первый вывод четвертого конденсатора подключены к общей точке, пятый конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом четвертого конденсатора, цепь отпирающего смещения, состоящую из первого резистора, второго резистора и третьей катушки индуктивности, при этом первый вывод первого резистора соединен со вторым выводом первой катушки индуктивности, точка соединения первого резистора и второго резистора подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, цепь запирающего автоматического смещения, включающую четвертую катушку индуктивности и третий резистор, соединенные последовательно, шестой конденсатор и внешнюю нагрузку, при этом первый вывод четвертой катушки индуктивности подсоединен к истоку первого ПТ и первому выводу шестого конденсатора, второй вывод шестого конденсатора соединен с первым выводом внешней нагрузки, а второй вывод внешней нагрузки и второй вывод третьего резистора подключены к общей точке, цепь управления, содержащую пятую катушку индуктивности, магнитно-связанную со второй катушкой индуктивности, и седьмой конденсатор, первый вывод которого соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, а второй вывод седьмого конденсатора подсоединен к общей точке, введены второй ПТ с выводом подложки МДП типа, причем сток и исток второго ПТ с выводом подложки МДП типа подключены соответственно ко второму выводу пятого конденсатора и общей точке, а затвор второго ПТ с выводом подложки МДП типа подсоединен ко второму выводу пятой катушки индуктивности, источник напряжения смещения, первый электрод которого соединен с подложкой второго ПТ МДП типа, а второй электрод источника напряжения смещения подключен к общей точке, при этом выходом устройства является первый вывод внешней нагрузки.

На чертеже (рис.1) приведена схема генератора управляемого напряжением. Генератор, управляемый напряжением, содержит автогенератор, включающий первую катушку индуктивности 1, первый вывод которой подключен к источнику напряжения питания Е_п, первый конденсатор 2, первый ПТ 3, сток 4 которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора 2 и второму выводу первой катушки индуктивности 1, а второй вывод первого конденсатора 2 соединен с общей точкой, второй конденсатор 5, третий конденсатор 6, четвертый конденсатор 7, и вторую катушку индуктивности 8, при этом первый вывод второго конденсатора 5 соединен с затвором 9 первого ПТ 3, а второй вывод второго конденсатора 5 подключен к первому выводу третьего конденсатора 6, второй вывод третьего конденсатора 6 подключен к первому выводу четверного конденсатора 7, второй вывод второго конденсатора 5 соединен с первым выводом второй катушки индуктивности 8, второй вывод четвертого конденсатора 7 подсоединен ко второму выводу второй катушки индуктивности 8, второй вывод третьего конденсатора 6 и первый вывод четвертого конденсатора 7 подключены к общей точке, пятый конденсатор 10, первый вывод которого соединен со вторым выводом четвертого конденсатора 7, цепь отпирающего смещения, состоящую из первого резистора 11, второго резистора 12 и третьей катушки индуктивности 13, при этом первый вывод первого резистора 11 соединен со вторым выводом первой катушки индуктивности 1, а точка соединения первого резистора 11 и второго резистора 12 подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности 13, а второй вывод третьей катушки индуктивности 13 подсоединен к затвору 9 первого ПТ 3, цепь запирающего автоматического смещения, включающую четвертую катушку индуктивности 14 и третий резистор 15, соединенные последовательно, шестой конденсатор 17 и внешнюю нагрузку 18, при этом первый вывод четвертой катушки индуктивности 14 подсоединен к истоку 16 первого ПТ 3 и первому выводу шестого конденсатора 17, второй вывод шестого конденсатора 17 подсоединен к первому выводу внешней нагрузки 18, а второй вывод третьего резистора 15 соединен с общей точкой, цепь управления, содержащую пятую катушку индуктивности 19, магнитно-связанную со второй катушкой индуктивности 8, и седьмой конденсатор 20, первый вывод которого соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности 19, а второй вывод седьмого конденсатора 20 подсоединен к общей точке, введены второй ПТ 21 с выводом подложки 22 МДП типа, причем сток 23 и исток 24 второго ПТ 21 с выводом подложки 22 МДП типа подключены соответственно ко второму выводу пятого конденсатора 10 и общей точке, а затвор 25 второго ПТ 21 с выводом подложки 22 МДП типа подсоединен ко второму выводу пятой катушки индуктивности 19, источник напряжения смещения E_b, первый электрод 26 которого подсоединен к выводу подложки 22 второго ПТ 21 МДП типа, а второй электрод источника напряжения смещения E_b подключен к общей точке, при этом выходом устройства является первый вывод внешней нагрузки 18.

Устройство работает следующим образом. При включении источника напряжения питания Е_п через первую катушку индуктивности 1 на сток 4 первого ПТ 3, на котором выполнен автогенератор, подается напряжение питания Е_п, а на затвор 9 первого ПТ 3 через третью катушку индуктивности 13 подается отпирающее напряжение смещения, создаваемое первым резистором 11 и вторым резистором 12 с источника Е_п. Одновременно с этим на вывод подложки 22 второго ПТ 21 с потенциального электрода 26 подается напряжение смещения -Е_в.

Путем выбора величины коэффициента обратной связи, определяемого номиналами емкостей второго и третьего конденсаторов 5 и 6, и напряжения отпирающего смещения на затворе 9 первого ПТ 3, достигается возбуждение колебаний в контуре автогенератора, образованного емкостями второго конденсатора 5, третьего конденсатора 6, четвертого конденсатора 7, образующих первую ветвь колебательного контура, и индуктивностью второй катушки индуктивности 8, составляющую вторую ветвь этого контура.

При увеличении уровня сигнала в контуре увеличивается и автоматическое напряжение смещения на третьем резисторе 15, что приводит к установлению стационарного режима, с постоянной частотой ω_г и амплитудой. Одновременно с этим напряжение частоты ω_г, создаваемое на четвертом конденсаторе 7, через пятый конденсатор 10 прикладывается между стоком 23 и истоком 24 второго ПТ 21 с выводом подложки 22 МДП типа и вследствие магнитной связи второй катушки индуктивности 8 с третьей катушкой индуктивности 19 создается между затвором 25 второго ПТ 21 и общей точкой. Одновременно ВЧ сигнал, снимаемый с третьего конденсатора 6 колебательного контура автогенератора, через шестой конденсатор 17 передается и на выход устройства.

Отличительной особенностью полевых транзисторов МДП типа от БТ является, как известно, то, что хорошо пропускают ток и в обратном направлении, т.е. обладают двусторонней проводимостью. Однако технология изготовления МДП полевых транзисторов такова, что параллельно каналу (выводы сток-исток) образуется p- n переход, который при отрицательных значениях тока стока, когда напряжение на канале превышает напряжение отсечки (Е'=0.5…0.7 В), открывается и поэтому начинает пропускать ток. Ток стока прекращается при запирании ПТ, когда напряжение затвор-исток становится меньше Е'.

Для нормальной работы ключа необходимо обеспечить режим, при котором происходит устойчивое и быстрое переключение ПТ. Для этой цели на вывод подложки 22 второго ПТ 21 подается отрицательное запирающее напряжение смещения -E_b для МДП транзистора с n-каналом (рис.1). В случае использования ПТ с p-каналом на его подложку подается запирающее напряжение +E_b. В обоих случаях напряжение смещения по модулю должно превышать Е' приблизительно на порядок Этим достигается устойчивое переключение транзистора в обоих направлениях и с малой инерционностью. Поэтому ПТ типа МДП является высокочастотным ключом двухстороннего действия, поскольку его инерционность начинает проявляться на частотах выше 40…50% его граничной частоты.

Таким образом в заявляемом устройстве управляемый ключ двухстороннего действия можно реализовать со значительно большей верхней граничной частотой по сравнению с диодно-транзисторным ключом, представленным в [1].

Совместно с емкостью пятого конденсатора 10 постоянной емкости этот ключ с двухсторонней проводимостью и цепь его управления, образованная пятой катушкой индуктивности 19, магнитно-связанной со второй катушкой индуктивности 8, и седьмым конденсатором 20, образуют управляемую емкость.

Управление частотой генерируемых колебаний ω_г осуществляется при подаче управляющего напряжения Е_у на вход устройства и основано на изменении управляемой емкости [1]

$${С}_{у}={С}_0-{\pi }^{-1}(\alpha -\sin \alpha \cdot \cos \alpha ){С}_0,(1)$$

где С₀ - емкость пятого (линейного) конденсатора С10;

$$\cos \alpha =({Е}_{у}-Е\text{'})/U_{oc},(2)$$

где U_oc - амплитуда напряжения между затвором 25 второго ПТ 21 и общей точкой.

При одновременном воздействии управляющего и высокочастотного напряжения чистоты ω_г, между затвором 25 ПТ21 типа МДП и общей точкой происходит периодическое подключение пятого конденсатора 10 к четвертому конденсатору 7. Изменение Е_у приходит к изменению эквивалентной емкости и частоты ВЧ колебаний в широких пределах.

Частота генерируемых колебаний определяется выражением [1]

$${\omega }_{г}=P{\{({С}_{у}+{С}_1+{С}_{Э})/[L_K({С}_{у}+{С}_1){С}_{Э}]\}}^{0.5},(3)$$

где C₁ - емкость третьего конденсатора 7;

$${С}_{Э}=({С}_2+{С}_{ЗИ})({С}_3+{С}_{СИ})/({С}_2+{С}_{ЗИ}+{С}_3+{С}_{СИ}),(4)$$

где С₂ - емкость второго конденсатора 5; С₃ - емкость третьего конденсатора 6; С_ЗИ, С_СИ - емкости первого ПТ 3; L_K - индуктивность второй катушки индуктивности 8.

Наряду с этим при подаче на вход устройства модулирующего напряжения звуковых частот реализуется и линейная частотная модуляция, что обусловлено линейностью модуляционной характеристики (3). При этом путем выбора как емкости С₀ пятого конденсатора 10, так и напряжения смещения E_b на подложке второго ПТ21 можно регулировать крутизну модуляционных характеристик.

Для повышения устойчивой работы генератора управляемого напряжением первая катушка индуктивности 1 выполняется блокировочной (с большим сопротивлением для колебаний частоты ω_г). Первый конденсатор 2, шестой и седьмой конденсаторы 17, 20 являются блокировочными, но их сопротивление выбирается значительно меньшим, как минимум на порядок, по сравнению с волновым сопротивлением колебательного контура автогенератора и сопротивлением внешней нагрузки 18 соответственно. В результате емкостью первого конденсатора 2 достигается заземление стока 4 первого ПТ 3 по высокой частоте и обеспечивается устойчивость возбуждения и работы. Шестой конденсатор 17 устраняет прохождение постоянного напряжения во внешнюю нагрузку 18.

Для уменьшения шунтирующего действия третьего резистора 15 колебательного контура, которое может проявляться за счет параллельного соединения третьего резистора 15 и третьего конденсатора 6, являющегося элементом контура автогенератора, включена четвертая катушка индуктивности 14, которая увеличивает сопротивление по высокой частоте ветви исток 16 первого ПТ 3 - общая точка.

Во многих случаях в качестве активного элемента, обеспечивающего самовозбуждение автоколебании, целесообразно использовать не полевой транзистор, как это приведено на чертеже, а ВТ, который за счет значительно большей крутизны проходной характеристики при равенстве генерируемых мощностей обеспечивает устойчивость возбуждения и работы устройства при изменении внешней нагрузки, напряжения питания и в процессе эксплуатации. Кроме того, ПТ, в отличие от БТ, подвержены воздействию статического электричества, что ухудшает надежность работы устройства.

Однако применение ПТ оправдано, например, в тех случаях, когда требуется уменьшить уровень нежелательных колебаний на выходе устройства, а в некоторых случаях и улучшить условия согласования эквивалентного сопротивления контура с внутренним сопротивлением транзистора особенно с ростом генерируемой мощности и частоты.

Генератор, управляемый напряжением, реализуем на практике, поскольку известны отечественные ПТ, например, типа КП 907, КП908, КП909 и другие [3], имеющие отдельный вывод подложки, являющийся в данном случае четвертым электродом, малое (несколько Ом) сопротивление насыщения и поэтому могут использоваться в качестве управляемого ключа двухстороннего действия. Граничная частота этих транзисторов составляет около одного ГГц. Возможна реализация заявляемого устройства в диапазоне ОВЧ в виде гибридной интегральной схемы и на более современных ПТ.

Кроме того, ПТ по сравнению с БТ имеют большие входные и выходные сопротивления. Поэтому применение ПТ как в качестве активного элемента при возбуждении колебаний, так и в качестве управляемого ключа двухстороннего действия в схеме генератора управляемого напряжением, приводит к меньшему изменению добротности колебательного контура и, при равенстве конструктивной добротности контуров и сопротивлений внешней нагрузки, обеспечивает большую стабильность частоты генерируемых колебаний.

По сравнению с тем, когда в качестве управителя частоты используются варакторы (варикапы) в заявляемом устройстве достигается постоянство крутизны модуляционной характеристики в широком диапазоне рабочих частот и создается значительно больший уровень мощностей ВЧ колебаний во внешней нагрузке.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Бочаров M.И. Применение синтезированных нелинейных реактивных элементов для управления частотой автогенераторов / М.И.Бочаров, М.В.Клыков, О.П.Новожилов // Радиотехника, 1987. №4. С.21-23.

2. Разевиг В.Д. Системы сквозного проектирования электронных устройств Design - Lab 8.0/В.Д.Разевиг, 1999. - 699 с.

3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы большой и средней мощности: Справочник / А.А.Зайцев, А.И.Миркин, В.В.Мокряков и др.; под ред. А.В.Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989. - 640 с.

Генератор, управляемый напряжением, относится к области радиотехники и может быть использован в качестве источника высокочастотных колебаний в радиопередающих, радиоприемных устройствах и измерительной технике. Достигаемый технический результат - повышение диапазона рабочих частот и стабильности частоты генерируемых колебаний. Генератор, управляемый напряжением, содержит два полевых транзистора, пять катушек индуктивности, семь конденсаторов, цепь отпирающего смещения, цепь запирающего автоматического смещения, цепь управления, внешнюю нагрузку. 1 ил.

Генератор, управляемый напряжением, содержащий автогенератор, включающий первую катушку индуктивности, первый вывод которой подключен к источнику напряжения питания, первый конденсатор, первый полевой транзистор (ПТ), сток которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора и второму выводу первой катушки индуктивности, а второй вывод первого конденсатора соединен с общей точкой, второй конденсатор, третий конденсатор, четвертый конденсатор и вторую катушку индуктивности, при этом первый вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод третьего конденсатора подсоединен к первому выводу четверного конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности и затвором первого ПТ, второй вывод четвертого конденсатора подсоединен ко второму выводу второй катушки индуктивности, второй вывод третьего конденсатора и первый вывод четвертого конденсатора подключены к общей точке, пятый конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом четвертого конденсатора, цепь отпирающего смещения, состоящую из первого резистора, второго резистора и третьей катушки индуктивности, при этом первый вывод первого резистора соединен со вторым выводом первой катушки индуктивности, точка соединения первого резистора и второго резистора подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, цепь запирающего автоматического смещения, включающую четвертую катушку индуктивности и третий резистор, соединенные последовательно, шестой конденсатор и внешнюю нагрузку, при этом первый вывод четвертой катушки индуктивности подсоединен к истоку первого ПТ и первому выводу шестого конденсатора, второй вывод шестого конденсатора соединен с первым выводом внешней нагрузки, а второй вывод внешней нагрузки и второй вывод третьего резистора подключены к общей точке, цепь управления, содержащую пятую катушку индуктивности, магнитно-связанную со второй катушкой индуктивности, и седьмой конденсатор, первый вывод которого соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, а второй вывод седьмого конденсатора подсоединен к общей точке, отличающийся тем, что введены второй ПТ с выводом подложки МДП типа, причем сток и исток второго ПТ с выводом подложки МДП типа подключены соответственно ко второму выводу пятого конденсатора и общей точке, а затвор второго ПТ с выводом подложки МДП типа подсоединен ко второму выводу пятой катушки индуктивности, источник напряжения смещения, первый электрод которого соединен с подложкой второго ПТ МДП типа, а второй электрод источника напряжения смещения подключен к общей точке, при этом выходом устройства является первый вывод внешней нагрузки.