Устройство стабилизации частоты настройки резонансного контура с варикапами при большом сигнале Российский патент 2025 года по МПК H03L7/00 H03J7/08 

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано в частотно-избирательных цепях с настройкой варикапами при большом уровне переменного сигнала, резонансных усилителях, генераторах управляемых напряжением (ГУН).

Включение варикапов в колебательный контур приводит к появлению зависимости резонансной частоты контура от амплитуды колебаний. Это обусловлено тем, что вольт-фарадная характеристика варикапов является нелинейной и даже при гармоническом переменном напряжении емкость варикапов за положительный и отрицательный полупериоды колебания меняется не одинаково. В результате среднее за период колебания значение емкости варикапов увеличивается, причем прирост емкости ΔС тем больше, чем больше амплитуда колебаний U_m на варикапе. Как следствие, изменение уровня переменного сигнала на варикапах приводит к нежелательному изменению фазы выходного сигнала в LC-фильтрах, резонансных усилителях и неизохронности ГУН.

Известно включаемое в параллельный колебательный контур, содержащий катушку индуктивности, встречно-последовательно соединенные варикапы, общие электроды которых подсоединены к цепи Z1(ω) подачи внешнего напряжения смещения Е, «устройство повышения стабильности фазы колебаний в резонансном контуре с варикапами» [1], содержащее амплитудный детектор АД, вырабатывающий напряжение U_д, пропорциональное амплитуде колебаний, приходящейся на один варикап U_m, формирующее устройство ФУ, делитель напряжений ДН и сумматор напряжений ∑. Устройство вырабатывает в соответствии с вольт-фарадной характеристикой варикапов напряжение ΔЕ, компенсирующее вызванное воздействием амплитуды сигнала изменение средней за период колебания емкости варикапов ΔС, которое подается на вход второй цепи управления варикапами Z2(ω), включенной между «землей» и точкой соединения одного из выводов катушки индуктивности с варикапом в полярности, противоположной полярности внешнего напряжения смещения Е.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству, является устройство [2], реализующее способ [1], в котором упомянутые выше делитель напряжений ДН, сумматор напряжений 2 и формирующее устройство ФУ, объединены в цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов ЦАК, на один вход которой подается напряжение U_д с выхода АД, на другой - внешнее напряжение смещения Е, на третий - напряжение, равное контактной разности потенциалов перехода ϕ_к применяемых варикапов, а выход ЦАК, на котором выделяется напряжение ΔЕ, подключен ко входу цепи Z2(ω).

Общим недостатком обоих устройств является низкая точность формирования функции ΔE(U_m), связывающей напряжение компенсации ΔЕ с амплитудой колебаний на варикапе U_m. Кроме того, варикапы с разными типами р-п переходов требуют разработки своих ЦАК, подходящих только для них, что затрудняет применение подобных устройств на практике. И, наконец, современные варикапы с целью расширения границ изменения емкости изготавливают со сложной структурой перехода. В результате, при аппроксимации зависимости барьерной емкости от напряжения, весь интервал изменения напряжения приходится делить на участки, и для каждого из них подбирать свои параметры аппроксимации. Для таких варикапов описанные выше устройства не подходят.

Задачей заявляемого изобретения является создание ЦАК с повышенной точностью коррекции средней за период колебания емкости варикапов при большом сигнале, подходящей для варикапов с разными типами р-n переходов, за счет замены формирования напряжения коррекции путем комбинации различных элементов электрической схемы на вычисление нужной функции в микроконтроллере с последующим преобразованием числового значения в соответствующую величину напряжения.

Поставленная задача решается тем, что во включаемом в параллельный резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности L, встречно-последовательно соединенных варикапов VD1, VD2, общие электроды которых подсоединены к цепи Z1(ω) подачи внешнего напряжения смещения Е, а выходной сигнал снимается непосредственно из контура через конденсатор С, устройстве автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов при большом сигнале, содержащем амплитудный детектор АД, вторую цепь управления варикапами Z2(ω), согласно изобретению, применена цифровая ЦАК (ЦЦАК), имеющая два входа и один выход, построенная на принципах цифровой обработки сигналов, для чего в состав ЦЦАК включены микроконтроллер МК, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, инвертор напряжения ИНВ и делитель напряжения на резисторах.

Замена аналоговой цепи ЦАК, формировавшей напряжение коррекции АЕ путем комбинации различных элементов электрической схемы, на цифровую ЦЦАК, в которой напряжение ΔЕ формируется на основе вычислений нужной функции в микроконтроллере, позволяет: во-первых, повысить точность получения требуемого значения ΔЕ, т.к. устраняется влияние разброса номиналов элементов электрической схемы; во-вторых, отпадает надобность в источнике напряжения контактной разности потенциалов перехода ϕ_к, поскольку ее значение можно вместе с другими константами внести в память микроконтроллера и учесть при расчетах; в-третьих, при смене типа варикапов нет необходимости разрабатывать новую схему ЦАК, достаточно перезаписать программу в микроконтроллере. Последнее обстоятельство позволяет использовать предлагаемое устройство и для работы с варикапами со сложной структурой перехода.

На Фиг. 1. Устройство стабилизации частоты настройки резонансного контура с варикапами при большом сигнале, где

АД - амплитудный детектор;

ЦЦАК - цифровая цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов.

На Фиг. 2. показана блок-схема ЦЦАК для внешнего напряжения смещения Е положительной полярности, где

МК - микроконтроллер,

ЦАП - цифроаналоговый преобразователь,

ИНВ - инвертор напряжения.

На Фиг. 3. показана блок-схема ЦЦАК для внешнего напряжения смещения Е отрицательной полярности, где

МК - микроконтроллер,

ЦАП - цифроаналоговый преобразователь,

ИНВ - инвертор напряжения.

На фиг. 1 представлен параллельный резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности L, встречно-последовательно соединенных варикапов VD1, VD2, цепи подачи внешнего напряжения смещения Z1(ω) с большим сопротивлением для тока с частотой колебаний в контуре, предотвращающим утечку контурного тока во внешнюю цепь, и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот. Входной сигнал поступает в контур через разделительный конденсатор С_р, а выходной - снимается через конденсатор С. В контур включено устройство автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов при большом сигнале. Устройство состоит из цепи управления варикапами Z2(ω), являющейся коротким замыканием для тока с частотой колебаний в контуре и конечным сопротивлением для постоянного тока и модулирующих частот, с входом в точке Е2, амплитудного детектора АД и цифровой цепи автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов ЦЦАК. В состав ЦЦАК входят микроконтроллер МК, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, инвертор напряжения ИНВ и делитель напряжения на резисторах фиг. 2, фиг. 3.

Устройство автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов при большом сигнале работает следующим образом.

Полагается 1) микросхемы МК и ЦАП питаются от источника с положительной полярностью напряжения; 2) полярность внешнего напряжения смещения Е положительная; 3) полярности напряжений Е и ΔЕ, согласно [1] противоположны.

- Выходное напряжение контура U_вых, равное k⋅U (л<1 - коэффициент передачи амплитуды колебания напряжения U на контуре на выход) детектируется амплитудным детектором АД, и получается положительное постоянное напряжение Uд, равное k_дU_вых (k_д<1 - коэффициент детектирования амплитудного детектора). Это напряжение поступает на первый вход микроконтроллера МК фиг. 2 и оцифровывается входным АЦП. Полученное числовое значение делится на внесенные в память МК коэффициенты k и k_д. В результате получается значение амплитуды колебаний напряжения U на контуре. Поскольку варикапы идентичны, приходящаяся на один варикап амплитуда U_m равна 0,5U.

- Положительное внешнее напряжение смещения варикапов Е, величина которого может достигать нескольких десятков Вольт, делится резистивным делителем так, чтобы напряжение qE на выходе делителя, даже при максимальных значениях Е не превышало допустимые напряжения микроконтроллера. Напряжение qE, поступает на второй вход микроконтроллера фиг. 2, оцифровывается вторым АЦП и, полученное числовое значение, делится на внесенный в память МК коэффициент q. В результате получается значение внешнего напряжения смещения Е, к которому затем прибавляется значение контактной разности потенциалов варикапов ϕ_к, также предварительно записанное в память МК. В итоге находится значение запирающего напряжения (Е+ϕ_к) на р-n переходе варикапа.

- В микроконтроллере в соответствии с программой, записанной в память МК, вычисляется для полученных значений U_m и (Е+ϕ_к) значение модуля напряжения ΔЕ, которое в цифровом коде передается на цифро-аналоговый преобразователь. ЦАП вырабатывает соответствующую величину положительного напряжения, равного по модулю напряжению ΔЕ. Программа составляется в виде бесконечного цикла, в котором по очереди вычисляются U_m, (Е+ϕ_к) и ΔЕ. Цикл начинается с момента подачи питания на микроконтроллер и продолжается пока питание на него подается.

- С выхода ЦАП напряжение поступает на выполненный по известной схеме [3] на операционном усилителе инвертирующий повторитель напряжения, который формирует напряжение коррекции отрицательной полярности.

- С выхода инвертора напряжение компенсации отрицательной полярности АЕ поступает на вход цепи Z2(ω) управления варикапами. Напряжение смещения на варикапах (Е-ΔЕ) увеличивается (по модулю), что приводит к уменьшению барьерной емкости варикапов на величину равную приросту емкости ΔС, вызванного амплитудой колебания.

В случае применения внешнего напряжения смещения Е отрицательной полярности, инвертор напряжения ИНВ с выхода ЦАП переносится в разрыв между резистивным делителем напряжения на R1, R2 и вторым входом МК - фиг. 3. Выходом ЦЦАК является выход ЦАП, с которого напряжение компенсации ΔЕ положительной полярности поступает на вход цепи Z2(ω).

Технический результат.

В результате совокупности предпринятых действий в сочетании с использованием цифровой цепи формирования компенсирующего напряжения, амплитудного детектора и дополнительной цепи управления варикапами достигается требуемый технический результат - ослабление зависимости средней за период колебания емкости варикапов от амплитуды напряжения при большом сигнале.

Ослабление зависимости средней за период колебания емкости варикапов от амплитуды напряжения при большом сигнале по сравнению с прототипом достигается за счет применения цифровой цепи автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов ЦЦАК, имеющей два входа и один выход, построенной на принципах цифровой обработки сигналов, для чего в состав ЦЦАК включены микроконтроллер МК, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, инвертор напряжения ИНВ и делитель напряжения на резисторах.

Использование заявляемого изобретения позволяет практически полностью избавиться от влияния изменения уровня переменного сигнала на варикапах на фазу выходного сигнала в LC-фильтрах, резонансных усилителях и неизохронность ГУН.

Источники информации.

1. Пат. RU 2546566 С1, МПК H03J 7/08. Способ и устройство повышения стабильности-фазы колебаний в резонансном контуре с варикапами / М.П. Савченко, О.В. Старовойтова; заявитель и патентообладатель БФУ им. И.Канта. - №2014114299/08; заявл. 10.04.2014;опубл. 10.04.2015, Бюл. №10.

2. Пат. RU 2580078 С1, МПК Н03В 5/02, Н03С 3/22. Управляемый напряжением автогенератор с малой неизохронностью / М.П. Савченко, О.В. Старовойтова; заявитель и патентообладатель БФУ им. И. Канта. - №201414784/08; заявл. 24.11.2014;опубл. 10.04.2016, Бюл. №10.

3. Операционные усилители и компараторы.- М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - 560 с.

Изобретение относится к области радиотехники и электроники. Технический результат - повышение точности коррекции средней за период колебания емкости варикапов с разными типами переходов. Он достигается тем, что предложено устройство автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов при большом сигнале, включаемое в параллельный резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности, встречно-последовательно соединенных варикапов, общие электроды которых подсоединены к цепи Z1(ω) подачи внешнего положительного напряжения смещения Е, а выходной сигнал снимается непосредственно из контура через конденсатор С, содержащее амплитудный детектор (АД), соединенный с выходом контура, вторую цепь управления варикапами Z2(ω), включенную в разрыв между общей шиной и точкой соединения варикапа с катушкой, являющейся входной точкой цепи Z2(ω), и цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов (ЦАК), причем в состав ЦАК включены микроконтроллер (МК), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), инвертор напряжения (ИНВ) и делитель напряжения на резисторах R1, R2. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов при большом сигнале, включаемое в параллельный резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности, встречно-последовательно соединенных варикапов, общие электроды которых подсоединены к цепи Z1(ω) подачи внешнего положительного напряжения смещения Е, а выходной сигнал снимается непосредственно из контура через конденсатор С, содержащее амплитудный детектор (АД), соединенный с выходом контура, вторую цепь управления варикапами Z2(ω), включенную в разрыв между общей шиной («землей») и точкой соединения варикапа с катушкой, являющейся входной точкой цепи Z2(ω), и цепь автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов (ЦАК), отличающееся тем, что в состав ЦАК включены микроконтроллер (МК), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), инвертор напряжения (ИНВ) и делитель напряжения на резисторах R1, R2, причем с выхода АД пропорциональное амплитуде колебаний на контуре U напряжение U_д=k⋅k_дU (k<1 - коэффициент передачи напряжения U на выход, k_д<1 - коэффициент детектирования амплитудного детектора (АД)) подается на первый вход микроконтроллера (МК), на второй вход которого через делитель напряжения на резисторах R1, R2 поступает напряжение qE (q<1 - коэффициент передачи делителя напряжения), с выхода МК результат вычислений, выполненных по внесенной в память МК программе с учетом констант k, k_д, q и значения контактной разности потенциалов перехода варикапов ϕ_k, в цифровом коде поступает на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и после него на инвертор напряжения ИНВ, с выхода которого напряжение ΔЕ в полярности, противоположной напряжению Е, поступает на вход цепи Z2(ω).

2. Устройство автоматической коррекции средней за период колебания емкости варикапов при большом сигнале по п. 1, отличающееся тем, что для внешнего напряжения смещения Е отрицательной полярности инвертор напряжения (ИНВ) с выхода ЦАП перенесен в разрыв между резистивным делителем напряжения на R1, R2 и вторым входом МК, а выходом ЦАК является выход ЦАП, с которого напряжение компенсации ΔЕ положительной полярности поступает на вход цепи Z2(ω).