Генератор, управляемый напряжением Российский патент 2025 года по МПК H03B5/12 

Устройство относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке генераторов, управляемых с помощью варикапов по частоте напряжением, и, более конкретно, к генераторам, управляемым напряжением (ГУН), использующим схему автогенератора Колпитца на одном транзисторе и имеющим цепь отрицательной обратной связи, предназначенную для обеспечения снижения уровня фазового шума.

Помимо использования в качестве автономных устройств, ГУН часто являются компонентами синтезаторов на основе колец фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), работающих вплоть до СВЧ диапазона.

Генератор, управляемый напряжением, представляет собой электронную схему генератора, имеющего вход управления частотой, при этом управляющее напряжение на варикапах может изменять частоту колебаний. При проектировании ГУН могут использоваться многочисленные схемы автогенераторов, каждая из которых имеет свои преимущества и ограничения. Чаще всего устройства ГУН являются функциональными блоками для более сложных схем, включая синтезаторы на кольцах ФАПЧ. Синтезаторы на основе фазовой автоподстройки частоты ГУН используются в многочисленных устройствах радиосвязи.

Схема простейшего ГУН представляет собой гармонический генератор, состоящий из усилителя, обеспечивающего требуемое усиление, и резонансного контура, сигнал с которого возвращается на вход усилителя. Обычно резонансный контур представляет собой LC-контур, в простейшей форме состоящий из конденсатора и катушки индуктивности. Незатухающие колебания происходят на резонансной частоте за счет положительной обратной связи, с помощью которой восполняется энергия в LC-контуре. Чаще всего в качестве ГУН используется генератор по схеме генератора Колпитца, в котором емкости двух конденсаторов и индуктивность одной катушки определяют частоту колебаний схемы на одном транзисторе. Положительная обратная связь, необходимая для генерации, берется из делителя напряжения, состоящего из двух конденсаторов. Схема генератора Колпитца, названная в честь ее изобретателя Эдвина Колпитца, является одной из множества схем электронных автогенераторов, использующих комбинацию катушки индуктивности с конденсатором для формирования сигнала определенной частоты. Признаком схемы автогенератора Колпитца является емкостной делитель переменного напряжения, который предназначен для передачи части выходного напряжения колебательного контура на вход схемы в качестве сигнала положительной обратной связи.

Как и любое электронное устройство, ГУН имеет собственные источники кратковременной нестабильностью частоты и фазового шума (ФШ), который вызывает серьезную озабоченность в различных радиотехнических приложениях. Фазовый шум нежелателен, потому что компоненты фазового шума сигнала на нужной частоте распространяют мощность сигнала на соседние частоты, что приводит к шумовым боковым полосам и снижению мощности на нужной частоте. Фазовый шум в ГУН можно уменьшить путем тщательного выбора активных компонентов и различных схемотехнических решений, обычно включающих добавление контура отрицательной обратной связи с выхода автогенератора обратно на вход автогенератора.

В патенте US 5714914 описан ГУН, содержащий резонансный контур, усилитель, включающий в себя транзистор, подключенный по схеме генератора Колпитца. Напряжение управления частотой колебаний подается непосредственно на катод одиночного варикапа. Для снижения уровня ФШ этого автогенератора на одном транзисторе используется подключение емкостей параллельно с емкостями перехода транзистора, причем каждая емкость больше соответствующей емкости перехода и служит для подавления обратной связи на низких частотах. Недостаток такой схемы ГУН состоит в том, что в этой схеме низкие частоты определяются как частоты намного ниже частоты колебаний автогенератора, а также необходим резистор для обеспечения отрицательной обратной связи и подавления усиления и шума на низких частотах.

В патенте US 6075421 описана схема ГУН, содержащая управляемый напряжением резонансный контур, усилитель, цепь положительной обратной связи и цепь отрицательной обратной связи, которая обеспечивает необходимое усиление усилителем по мере увеличения частоты колебаний. Напряжение управления частотой подается через дроссель на общие катоды пары варикапов. В этом ГУН используются два параллельно соединенных транзистора, но схема автогенератора будет одинаково подходить для одного транзистора или для более чем двух транзисторов, соединенных параллельно. Эмиттерный узел транзисторов является узлом положительной обратной связи, а коллекторный узел транзисторов является узлом отрицательной обратной связи. Недостаток этой схемы ГУН заключается в том, что не обеспечивается достаточный уровень снижения фазового шума, так как цепь отрицательной обратной связи комбинируется со схемой смещения постоянного тока, ограничивая тем самым как реализацию цепи смещения, так и отрицательной обратной связи.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является ГУН, построенный по схеме на основе генератора Колпитца на одном транзисторе, который описан в публикации APN1006 фирмы Skyworks Solutions, Inc «A Colpitts VCO for Wideband (0.95–2.15 GHz) Set-Top TV Tuner Applications, принятый за прототип.

Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:

L1 – резонансная катушка индуктивности;

WL1 – отрезок микрополосковой линии;

VD1, VD2 – первый и второй варикапы;

VT1 – транзистор;

С1÷С5 – с первого по пятый конденсаторы;

R1÷R5 – с первого по пятый резисторы;

Еу – входной вывод;

Е_П – вывод подачи постоянного напряжения.

Устройство-прототип включает в себя последовательный резонансный контур, состоящий из последовательно соединенных резонансной катушки индуктивности L1, отрезка микрополосковой линии WL1, разделительного конденсатора постоянного тока C2, конденсаторов делителя сигнала обратной связи C3 и C4, другой вывод которого соединен с анодом второго варикапа VD2, катод которого соединен с катодом первого варикапа VD1, анод которого соединен с другим выводом резонансной катушки индуктивности L1. При этом второй резистор R2 включен между точкой соединения выводов отрезка микрополосковой линии WL1 и второго конденсатора С2, и анодом второго варикапа VD2.

Входной вывод управляющего напряжения постоянного тока Еу подключен через первый резистор R1 к точке соединения катодов варикапов VD1, VD2. Первый конденсатор C1 включен между анодом второго варикапа VD2 и другим выводом первого резистора R1. Причем первый резистор R1 имеет высокое значение сопротивления, чтобы не снижать добротность резонансного контура. Резистор R1 может представлять собой ВЧ-дроссель, активное устройство с высоким импедансом, такое как транзистор, или другую цепь, имеющую высокий ВЧ-импеданс и контролируемое сопротивление постоянному току. Развязывающий конденсатор C1 включен между входным выводом Еу и общим проводом («землей»), чтобы обеспечить фильтр нижних частот и тем самым закоротить любые высокочастотные сигналы. Конденсатор С1 имеет низкое реактивное сопротивление на минимальных частотах генератора и высокое реактивное сопротивление на максимальных ожидаемых частотах.

Цепь обратной связи для поддержания колебаний в резонансном контуре включает конденсаторы C3 и C4 для сигнала положительной обратной связи. В качестве усилителя, являющегося активным устройством, используется каскад с общим коллектором на транзисторе VT1, у которого база и эмиттер соединены в петлю положительной обратной связи. Выходное сопротивление обратной связи в виде пятого резистора R5 подключено между эмиттером транзистора, который является выходом обратной связи усилителя и «землей».

Вывод Еп подачи постоянного напряжения подключен к коллектору транзистора VT1 для подачи на него напряжения питания постоянного тока. Резистор R3 включен между электродами базы и коллектора транзистора VT1. Резистор R4 подключен между электродом базы транзистора VT1 и «землей». Резисторы R3 и R4 выбираются так, чтобы обеспечить правильное смещение постоянного тока для транзистора VT1, и имеют достаточно большую величину, чтобы не ухудшать нагруженную добротность резонансного контура. Резисторы R3 и R4 могут быть заменены другими цепями, такими как дроссели, или могут отсутствовать, если это необходимо для обеспечения правильных условий смещения по постоянному току транзистора. Выходная мощность снимается с электрода эмиттера транзистора VT1 через устройство связи – конденсатор С5, один вывод которого подключен к коллектору транзистора VT1, а другой вывод является выходом устройства.

Недостатком устройства-прототипа является то, что при амплитудах колебания на варикапах, сравнимых с напряжением управления частотой, существенно вырастает уровень фазовых шумов, вызванный преобразованием амплитудных флуктуаций в фазовые, что приводит к нежелательному возрастанию уровня его фазовых шумов.

Задачей заявляемого технического решения является снижение уровня фазового шума генератора, управляемого напряжением путем введения цепи отрицательной обратной связи по фазовым шумам, компенсирующей влияние флуктуаций амплитуды на значение средней за период колебания емкости варикапов и, следовательно, фазу колебаний ГУН.

Для решения поставленной задачи в генератор, управляемый напряжением, содержащий резонансный контур, соединенный с усилителем, включающим в себя транзистор, соединенный в конфигурации генератора Колпитца, причем резонансный контур состоит из последовательно соединенных резонансной катушки индуктивности, отрезка микрополосковой линии, разделительного конденсатора постоянного тока, первого и второго конденсаторов делителя сигнала положительной обратной связи, другой вывод второго конденсатора делителя сигнала обратной связи соединен с анодом второго варикапа, катод которого соединен с катодом первого варикапа, анод которого соединен с другим выводом резонансной катушки индуктивности; второй резистор включен между точкой соединения выводов отрезка микрополосковой линии и разделительного конденсатора постоянного тока, и анодом второго варикапа, подключенного к «земле», а также последовательно соединенные первый и второй резисторы смещения, причем точка соединения их выводов подключена к точке соединения вывода первого конденсатора делителя сигнала положительной обратной связи и базы транзистора, вывод второго резистора смещения соединен с анодом второго варикапа; входной вывод управляющего напряжения подключен через резистор входной цепи управления к точке соединения катодов первого и второго варикапов; развязывающий конденсатор входной цепи управления включен между точкой соединения входного вывода и резистора, и анодом второго варикапа; при этом усилитель построен по схеме с общим эмиттером на транзисторе, у которого база и эмиттер соединены в петлю положительной обратной связи, выходное сопротивление которой в виде выходного резистора положительной обратной связи, включенного между эмиттером транзистора и «землей», причем эмиттер транзистора подключен к точке соединения первого и второго конденсаторов делителя сигнала положительной обратной связи, а также выходной конденсатор, вывод которого является выходом генератора, согласно изобретению, введены цепь отрицательной обратной связи, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и второго элемента цепи отрицательной обратной связи, включенная между коллектором и базой транзистора; последовательно соединенные фильтрующие по цепи питания резистор и конденсатор, к точке соединения которых подключены выводы первого резистора смещения и дросселя, другой вывод которого подсоединен к точке соединения коллектора транзистора и вывода выходного конденсатора, кроме того, вывод фильтрующего резистора соединен с выводом напряжения источника питания, а вывод фильтрующего конденсатора – с «землей».

Предлагаемый генератор, управляемый напряжением, содержит резонансный контур, соединенный с активной схемой, включающей в себя, по меньшей мере, один транзистор, соединенный в конфигурации на основе генератора Колпитца. Генератор, управляемый напряжением, имеет подключенные на входе транзистора не только цепь положительной обратной связи, но и цепь отрицательной обратной связи. Выход генератора имеет цепь, соединенную с цепью отрицательной обратной связи. Активная схема, содержащая, по меньшей мере, один биполярный транзистор, имеет цепь отрицательной обратной связи, включающую в себя первый элемент отрицательной обратной связи (конденсатор) и второй элемент отрицательной обратной связи, например, катушку индуктивности, электрически соединенные последовательно, при этом первый элемент отрицательной обратной связи соединен с коллектором биполярного транзистора, а второй элемент отрицательной обратной связи соединен с базой биполярного транзистора.

Схема предлагаемого устройства, представлена на фиг. 2, где приняты следующие обозначения:

L1 – катушка индуктивности;

L2 – катушка индуктивности цепи отрицательной обратной связи;

L3 – высокочастотный (ВЧ) дроссель;

WL1 – отрезок микрополосковой линии;

VD1, VD2 – первый и второй варикапы;

VT1 – биполярный транзистор;

С1 – развязывающий конденсатор входной цепи управления;

С2 – разделительный конденсатор постоянного тока;

С3, С4 – конденсаторы делителя сигнала положительной обратной связи;

С5 – выходной конденсатор;

С6 – фильтрующий конденсатор по цепи питания;

С7 – конденсатор цепи отрицательной обратной связи;

R1 – резистор входной цепи управления;

R2 – второй резистор;

R3, R4 – первый и второй резисторы смещения;

R5 – выходной резистор обратной связи;

R6 – фильтрующий резистор по цепи питания;

Еу – входной вывод цепи управления;

Е_П – вывод подключения источника питания.

Заявляемое устройство содержит резонансный контур, состоящий из резонансной катушки индуктивности L1, отрезка микрополосковой линии WL1, разделительного конденсатора постоянного тока C2, последовательно соединенных первого C3 и второго C4 конденсаторов делителя сигнала положительной обратной связи, другой вывод второго C4 конденсатора делителя сигнала положительной обратной связи соединен с анодом второго варикапа VD2, катод которого соединен с катодом первого варикапа VD1, анод которого соединен с другим выводом резонансной катушки индуктивности L1. При этом второй резистор R2 включен между точкой соединения выводов отрезка микрополосковой линии WL1 и второго конденсатора С2, и анодом второго варикапа VD2, подсоединенным к «земле» (общему проводу). Резистор R2 по постоянному току подключен к аноду варикапа VD1 через отрезок микрополосковой линии WL1 и катушку индуктивности L1.

Цепь отрицательной обратной связи включена между коллектором и базой транзистора VT1 и состоит из последовательно соединенных конденсатора С7 и второго элемента цепи отрицательной обратной связи. В качестве первого элемента цепи отрицательной обратной связи введен конденсатор С7, а второй элемент цепи отрицательной обратной связи представляет собой, например, катушку индуктивности L2. При этом второй элемент цепи отрицательной обратной связи может быть, как катушкой индуктивности, так и конденсатором или резистором. Рассмотрим вариант, в котором второй элемент цепи – это катушка индуктивности L2, ее другой вывод соединен с базой транзистора VT1, а другой вывод конденсатора С7 – с его коллектором.

Часть резонансного контура с варикапами VD1, VD2 обеспечивает управление напряжением Еу на резонансной частоте генератора, построенного по схеме аналогичного генератора устройства-прототипа. Это управляющее напряжение Еу служит для изменения емкости варикапов VD1, VD2 и, таким образом, для изменения резонансной частоты резонансного контура ГУН.

Схема на основе генератора Колпитца, используемая в заявляемом устройстве (фиг. 2), включает в себя ВЧ-дроссель L3, а также фильтрующие по цепи питания резистор R6 и конденсатор C6. При этом один вывод резистора R6 подключен к выводу источника питания, а другой вывод соединен с выводами ВЧ-дросселя L3 и развязывающего конденсатора C6, другой вывод которого соединен с «землей». Другой вывод ВЧ-дросселя L3 соединен с коллектором транзистора VT1.

Входной вывод управляющего напряжения Еу подключен к точке соединения резистора R1 и конденсатора C1, другой вывод которого соединен с «землей». Другой вывод первого резистора R1 подключен к точке соединения катодов варикапов VD1 и VD2 и имеет высокое значение сопротивления, чтобы не снижать добротность резонансного контура. Вместо резистора R1 могут быть использованы, например, ВЧ-дроссель, активное устройство с высоким импедансом, такое как транзистор, или другая цепь, имеющая высокий ВЧ-импеданс и контролируемое сопротивление постоянному току. Подключение развязывающего конденсатора C1 между входным выводом Еу и «землей», образует фильтр нижних частот и не пропускает высокочастотные сигналы по цепи управления. Конденсатор С1 имеет низкое реактивное сопротивление на минимальных частотах автогенератора и высокое реактивное сопротивление на максимальных ожидаемых частотах.

В качестве усилителя, являющегося активным устройством, используется каскад с общим эмиттером на транзисторе VT1, который имеет на входе базы цепь отрицательной обратной связи с выхода коллектора и цепь положительной обратной связи с выхода эмиттера. Смещение по постоянному току обеспечивается резисторами R3, R4 и R5. Конденсатор C3 обеспечивает цепь положительной обратной связи, а в сочетании с конденсаторами C2, C4 и отрезком микрополосковой линии WL1 с катушкой индуктивности L1 и варикапами VD1 и VD2 образует резонансный контур ГУН. Один вывод выходного конденсатора С5 является выходным ГУН.

Вывод подключения источника питания Еп соединен через резистор R6 и дроссель L3 с коллектором транзистора VT1 для подачи на него напряжения питания постоянного тока. Резистор R3 включен между точкой соединения выводов конденсатора С6 и катушки индуктивности L3, и базой транзистора VT1. Резистор R4 включен между базой транзистора VT1 и «землей». Таким образом, номинальные значения резисторов R3 и R4 выбираются так, чтобы обеспечить необходимое смещение постоянного тока для транзистора VT1, и имеют достаточно большую величину, чтобы не ухудшать добротность резонансного контура.

В отличие от устройства-прототипа, выходной сигнал снимается с коллектора транзистора VT1 через выходной конденсатор С5.

Работает предлагаемый генератор, управляемый напряжением, следующим образом.

Самовозбуждение предлагаемого ГУН может начаться от сколь угодно малых электрических толчков, электрических шумов, при возникновении переходных процессов во время подачи напряжения питания Еп на устройство. Благодаря имеющейся в ГУН частотной избирательной цепи в виде LC-контура из начального нестационарного тока избирается периодический компонент с частотой, практически совпадающей с резонансной частотой контура. При возникновении колебаний в генераторе крутизна характеристики транзистора VT1 достаточно высока и количество энергии, поступающей в резонансную цепь, превышает потери энергии в ней. Через положительную обратную связь часть энергии усиленного колебания поступает на вход базы транзистора VT1. Положительная обратная связь нужна для управления работой транзистора VT1, чтобы энергия в резонансную цепь поступала в определённые моменты времени (в нужной фазе). В результате происходит увеличение амплитуды колебаний с каждым периодом. Но при определённой величине амплитуды крутизна транзистора VT1 начинает уменьшаться. Например, это происходит в результате возникновения ограничения работы биполярного транзистора VT1 в течение какой-то части периода колебания из-за отсечки. При некотором значении амплитуды колебаний устанавливается такой режим генератора, при котором количество энергии, поступающей в цепь с резонансным контуром за один период колебаний, становится равным потерям энергии в активном сопротивлении цепи. Наступает динамическое равновесие, устанавливаются стационарная амплитуда колебаний и рабочий режим ГУН. Цепь, в которой устанавливаются стационарные колебания, включает положительную обратную связь и поэтому является замкнутой петлей обратной связи генератора.

В стационарном состоянии ГУН работает в нелинейном режиме, вследствие чего форма выходного сигнала на коллекторе VT1 отличается от гармонической. Фазовый шум, присутствующий в выходном сигнале на коллекторе VT1, посредством отрицательной обратной связи, подается в противоположной фазе обратно на базу транзистора VT1, обеспечивая высокую степень подавления фазового шума на выходе ГУН. При этом нечетные гармоники, присутствующие на коллекторе VT1, за счет действия отрицательной обратной связи сдвинуты по фазе на 180 градусов относительно входа на базе транзистора VT1. Таким образом, нечетные гармоники передаются через конденсатор C7 и катушку индуктивности L2 отрицательной обратной связи со сдвигом фазы на 180 градусов и вычитаются из нечетных гармоник, присутствующих на входе базы транзистора VT1, и тем самым уменьшается уровень мощности нечетной гармоники, присутствующей на выходе ГУН, увеличивая уровень подавления фазового шума на выходе генератора.

Таким образом, в качестве практической реализации рассмотренного способа уменьшения фазового шума генератора, управляемого напряжением, предлагается усовершенствованная схема на основе ранее изобретенного генератора Колпитца.

Использование заявляемого устройства позволяет за счет введения новых элементов и связей с другими элементами решить задачу повышения чистоты спектра выходного сигнала.

Предлагаемая схема конкретной реализации генератора, управляемого напряжением, подтверждает возможность получения более низких уровней фазовых шумов. Сравнение шумовых характеристик аналогов, прототипа и других подобных им устройств с уровнем фазовых шумов предлагаемого генератора доказывает, что в заявляемом ГУН уровни фазовых шумов теоретически ниже на 7-8 дБ, а практически – на 5-6 дБ.

Достигаемый технический результат изобретения заключается в уменьшении уровня фазовых шумов в выходном сигнале ГУН, построенного на биполярном транзисторе с цепью отрицательной обратной связи для снижения уровня фазовых шумов, состоящую из конденсатора и второго элемента цепи отрицательной обратной связи, в качестве которого могут быть использованы катушка индуктивности или резистор, или конденсатор.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке генераторов, управляемых с помощью варикапов по частоте напряжением, и, более конкретно, к генераторам, управляемым напряжением (ГУН), использующим схему автогенератора Колпитца на одном транзисторе и имеющим цепь отрицательной обратной связи, предназначенную для обеспечения снижения уровня фазового шума. Техническим результатом изобретения является уменьшение уровня фазовых шумов в выходном сигнале ГУН, построенного на биполярном транзисторе с цепью отрицательной обратной связи для снижения уровня фазовых шумов. Генератор, управляемый напряжением, дополнительно содержит цепь отрицательной обратной связи, последовательно соединенные фильтрующие по цепи питания резистор (R6) и конденсатор (С6) и дроссель (L3). Цепь отрицательной обратной связи состоит из последовательно соединенных конденсатора (С7) и второго элемента цепи отрицательной обратной связи (L2) и включена между коллектором и базой транзистора (VT1). Входной вывод напряжения источника питания через последовательно соединенные фильтрующие по цепи питания резистор (R6) и конденсатор (С6) подсоединен к «земле». К точке соединения выводов фильтрующих по цепи питания резистора (R6) и конденсатора (С6) подсоединены другой вывод первого резистора смещения (R3) и один вывод дросселя (L3). Другой вывод дросселя (L3) соединен с коллектором транзистора (VT1) и выводом выходного конденсатора (С5). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор, управляемый напряжением, содержащий резонансный контур, соединенный с усилителем, включающим в себя транзистор, соединенный в конфигурации генератора Колпитца, причем резонансный контур состоит из последовательно соединенных резонансной катушки индуктивности, отрезка микрополосковой линии, разделительного конденсатора постоянного тока, первого и второго конденсаторов делителя сигнала положительной обратной связи, другой вывод второго конденсатора делителя сигнала обратной связи соединен с анодом второго варикапа, катод которого соединен с катодом первого варикапа, анод которого соединен с другим выводом резонансной катушки индуктивности, второй резистор включен между точкой соединения выводов отрезка микрополосковой линии и разделительного конденсатора постоянного тока, и анодом второго варикапа, подключенного к «земле», а также последовательно соединенные первый и второй резисторы смещения, причем точка соединения их выводов подключена к точке соединения вывода первого конденсатора делителя сигнала положительной обратной связи и базы транзистора, вывод второго резистора смещения соединен с анодом второго варикапа, входной вывод управляющего напряжения подключен через резистор входной цепи управления к точке соединения катодов первого и второго варикапов, развязывающий конденсатор входной цепи управления включен между точкой соединения входного вывода и резистора, и анодом второго варикапа, при этом усилитель построен по схеме с общим эмиттером на транзисторе, у которого база и эмиттер соединены в петлю положительной обратной связи, выходное сопротивление которой в виде выходного резистора положительной обратной связи, включенного между эмиттером транзистора и «землей», причем эмиттер транзистора подключен к точке соединения первого и второго конденсаторов делителя сигнала положительной обратной связи, а также выходной конденсатор, вывод которого является выходом генератора, отличающийся тем, что введены цепь отрицательной обратной связи, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и второго элемента цепи отрицательной обратной связи, включенная между коллектором и базой транзистора, последовательно соединенные фильтрующие по цепи питания резистор и конденсатор, к точке соединения которых подключены выводы первого резистора смещения и дросселя, другой вывод которого подсоединен к точке соединения коллектора транзистора и вывода выходного конденсатора, кроме того, вывод фильтрующего резистора соединен с выводом напряжения источника питания, а вывод фильтрующего конденсатора – с «землей».

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве второго элемента цепи отрицательной обратной связи использованы или катушка индуктивности, или конденсатор, или резистор.