Содержание к диссертации
Введение
1. RC-Автогенераторы с полосно пропускающим фильтром в цепи обратной связи 19
1.1 Схема и общее символическое уравнение 19
1.2 Условие самовозбуждения, стационарный режим и устойчивость автоколебаний 20
1.3 Модель RC-автогенератора с источниками естественных шумов 27
1.4 Спектральные характеристики флуктуаций амплитуды и фазы 31
1.5 Расчет и сравнение схем RC-автогенераторов 33
1.5.1 Классификация схем RC-автогенераторов с фильтрами в цепях положительной обратной связи 33
1.5.2 Спектральная плотность мощности фазовых шумов RC-автогенератора с учетом шумов дифференциального
усилителя 35
1.5.3 Результаты компьютерного моделирования в среде ADS. 40
1.5.4 Чувствительность основных характеристик
автогенератора к разбросу параметров цепи обратной связи 42
1.5.5 Сравнение нескольких схем автогенераторов с
неинвертирующими цепями обратной связи 46
1.6 Заключение к главе 1 47
2. RC-автогенераторы с полосно заграждающим фильтром в цепи обратной связи
2.1 Схема и общее символическое уравнение 49
2.2 Условие самовозбуждения, стационарный режим и устойчивость автоколебаний 53
2.3 Модель RC-автогенератора с источниками естественных шумов 60
2.4 Спектральные характеристики флуктуаций амплитуды и фазы 65
2.5 Расчет и сравнение схем RC-автогенераторов 67
2.5.1 Режимные и флуктуационные характеристики для схемы RC-автогенератора с режекторным фильтром в виде двойного Т-моста 67
2.5.2 Результаты компьютерного моделирования в среде ADS. 68
2.5.3 Чувствительность основных характеристик автогенератора к разбросу параметров цепи обратной связи 69
2.5.4 Сравнение нескольких схем автогенераторов с режекторными фильтрами в цепях отрицательной обратной связи 71
2.5.5 Сравнение RC-автогенератора с режекторным фильтром в цепи отрицательной обратной связи с RC-автогенератором с полосно-пропускающим фильтром в цепи положительной обратной связи 72
2.5.6 Экспериментальные исследования 84
2.6 Заключение к главе 2 85
3. RC-автогенераторы с полосно пропускающим фильтром в цепи обратной связи и системой автоматической регулировки амплитуды 86
3.1 Расчет системы автоматической регулировки амплитуды 89
3.1.1 Расчет функциональных узлов системы автоматической регулировки амплитуды 89
3.1.1.1 Регулировочная характеристика автогенератора 89
3.1.1.2 Детекторная характеристика 91
3.1.1.3 Характеристика блока управления 94
3.1.2 Расчет устойчивости и выбор емкости амплитудного детектора в системе автоматической регулировки амплитуды 97
3.1.3 Оценка вклада шумов функциональных узлов системы автоматической регулировки амплитуды в общий уровень спектральной плотности мощности автогенератора 100
3.2 Результаты компьютерного моделирования RC-автогенератора с системой автоматической регулировки амплитуды в среде ADS 102
3.2.1 Проверка действия системы автоматической регулировки амплитуды 102
3.2.2 Сравнение RC-АГ с режекторным фильтром с RC-АГ с полосно-пропускающим фильтром и системой автоматической регулировки амплитуды 107
3.2.3 Экспериментальное исследование 108
3.3 Заключение к главе 3 110
4. RC-Автогенераторы, управляемые по частоте напряжением 111
4.1 Расчет схем RC-автогенераторов, управляемых по частоте напряжением 112
4.1.1 Модуляционные характеристики рассматриваемых RC-автогенераторов, управляемых по частоте напряжением 115
4.1.2 Анализ влияния перестройки по частоте на флуктуационные характеристики автогенератора 116
4.2 Результаты компьютерного моделирования в среде ADS 121
4.3 Сравнение RC-автогенераторов, управляемых по частоте напряжением 125
4.4 Заключение к главе 4 129
Заключение 130
Список используемой литературы
- Классификация схем RC-автогенераторов с фильтрами в цепях положительной обратной связи
- Спектральные характеристики флуктуаций амплитуды и фазы
- Расчет устойчивости и выбор емкости амплитудного детектора в системе автоматической регулировки амплитуды
- Анализ влияния перестройки по частоте на флуктуационные характеристики автогенератора
Введение к работе
Актуальность темы
Автогенераторы почти гармонических колебаний, в цепи обратных связей (ОС) которых входят только сопротивления R и емкости С (далее RC-автогенераторы (RC-АГ)), известны с начала 30-х годов прошлого столетия и до настоящего времени весьма широко используются в радиотехнике.
Не имея в своем составе колебательного контура, такие генераторы, тем не менее, позволяют формировать колебания, близкие к гармоническим, без использования индуктивных компонентов. Это достоинство особенно существенно при решении задач построения RC-АГ, работающих на достаточно низких частотах, где массогабаритные показатели АГ с индуктивными компонентами оказываются совершенно неприемлемыми. Другим важным достоинством RC-АГ является возможность получения значительно бльшей перестройки по частоте автоколебаний при изменении регулирующих частоту емкостей в цепях обратной связи по сравнению с LC-автогенераторами. Наряду с этими достоинствами, RC-АГ имеют ряд недостатков, влияние которых может быть ослаблено правильным выбором схемотехнических и конструкторских решений, а также технологий их изготовления.
Первые работы, посвященные разработкам, исследованиям и практическому использованию RC-АГ с мостом Вина, были опубликованы в США и Польше в 1933-1937 гг. (Ф.Термен, Я.Грошковский, У.Хьюлетт, Г.Скотт). В СССР первые работы по RC-АГ были выполнены В.И.Сифоровым. В 50-е годы прошлого столетия ламповые RC-АГ подробно исследовались в работах В.Г.Криксунова, а в 70-х годах – транзисторные RC-АГ были подробно описаны в монографии В.Г.Бондаренко.
В течение более чем 90-летней истории разработок и практических приложений RC-АГ проблемы, возникавшие при их создании, как правило, преодолевались с помощью новых схемотехнических и технологических решений, многие из которых оформлялись в виде патентов. Однако если судить по числу публикаций, как по новым приложениям устройств с RC-АГ, так и по анализу недостаточно изученных их свойств, воз-3
можности совершенствования таких автогенераторов и расширения областей их практического использования к настоящему времени далеко не исчерпаны.
Сейчас RC-АГ (часто в интегральном исполнении) активно применяются в телекоммуникационных и измерительных приборах для обработки сигналов, в медицинской технике (в аппаратах неинвазивной техники для миографии и в хирургических и ультразвуковых аппаратах), в беспроводных, сенсорных и спутниковых системах, в тренажерах, в устройствах для определения октанового числа бензинов. Генерируемые частоты в зависимости от приложения варьируются от единиц кГц до единиц и сотен МГц. Многие из них требуют широкой перестройки частоты.
В работах часто отмечается необходимость исследования стабильности частоты RC-АГ и RC автогенераторов, управляемых по частоте напряжением (RC-ГУН) и, соответственно, уровня их фазовых шумов. Однако работ, посвященных методам расчета фазовых и амплитудных шумов, очень мало. Современные отечественные публикации отсутствуют. В работах [Rexa Navid, Asad A. Abidi, Oliveira L.B.] были проведены оценки фазовых шумов для конкретных схем негармонических RC-АГ, в работе [Rexa Navid] было показано, что по уровню фазовых шумов такие схемы имеют ограниченные возможности использования. В работе [K] даны количественные оценки для конкретной схемы генератора гармонических колебаний на основе только компьютерного моделирования уже известной схемы. Полного анализа режимов и флуктуацион-ных характеристик RC-АГ почти гармонических колебаний на основе как неинверти-рующих, так и инвертирующих усилителей и соответствующих RC-цепей обратной связи, анализа, позволяющего прогнозировать уровни фазовых и амплитудных шумов, в литературе нет. Нет публикаций и по сравнительному анализу свойств различных вариантов построения таких автогенераторов.
В 80-х годах В.Н.Кулешовым был разработан метод комплексного анализа режимных и флуктуационных характеристик RC-автогенераторов, в котором был использован разработанный С.И. Евтяновым метод укороченных символических уравнений и основанный на этом методе подход к расчту и исследованию флуктуаций в автогенераторах. Результаты этих работ, выполненных в 1983 – 85 гг, были опубликованы в ра-4
ботах Кулешова В.Н., Ружичковой М. В этих работах для нескольких видов автогенераторов, построенных на RC-цепях как с сосредоточенными, так и с распределнными параметрами, были получены и сравнены между собой теоретические оценки фазовых шумов. В данной работе предлагается развить этот метод и проиллюстрировать возможность его использования для расчета режимных и шумовых характеристик для двух классов RC-АГ.
Наиболее часто на практике встречаются однокольцевые RC-АГ почти гармонических колебаний (ПГК). Основными их преимуществами являются относительно низкая стоимость, простота исполнения и малые габариты. Однако необходимость использования таких АГ в режимах с очень малым запасом по самовозбуждению приводит в простых схемах к высокой чувствительности амплитуды колебаний к разбросам параметров компонентов и изменениям параметров окружающей среды. Для устранения этого недостатка в схемы таких RC-АГ часто вводят системы автоматической регулировки амплитуды (АРА). Существует множество вариантов построения системы АРА. Однако в литературе отсутствует информация о вкладах шумов цепей АРА в общие уровни спектральных плотностей мощности (СПМ) фазовых (ФМ) и амплитудных (АМ) шумов RC-АГ с системами АРА.
В данной работе представлен систематический теоретический анализ всех важнейших режимных и флуктуационных характеристик RC-автогенераторов ПГК нескольких классов, работающих как на фиксированных частотах, так и перестраиваемых по частоте напряжением. Такое исследование, расширенное и дополненное компьютерным моделированием и экспериментальным исследованием, поможет предложить и разработать наиболее подходящие варианты построения RC-генераторов ПГК, удовлетворяющих техническим требованиям к режимным и флуктуационным характеристикам.
Целью работы является разработка инженерных методов проектирования RC-автогенераторов почти гармонических колебаний, их теоретическое обоснование и проверка результатов их использования при помощи моделирования и
экспериментальных исследований режимных и флуктуационных характеристик конкретных схем RC-АГ.
Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи.
Разработка приближнных методов расчта параметров, стационарных режимов и флуктуационных характеристик диапазонных RC-автогенераторов, колебания в которых близки к гармоническим.
Исследование и сравнительный анализ различных схем RC-автогенераторов ПГК по режимным и флуктуационным характеристикам.
Разработка и исследование RC-автогенераторов ПГК с системами автоматической регулировки амплитуды (АРА); исследование режимных и флуктуационных характеристик RC-автогенераторов ПГК с системами АРА.
Разработка и исследование RC-автогенераторов ПГК, управляемых по частоте напряжением. Сравнительный анализ различных схем.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач при получении соотношений для расчета режимных и флуктуационных характеристик использовался подход, основанный на развитии метода укороченных уравнений С.И.Евтянова. Для исследования системы АРА использовались методы теории автоматического управления. При анализе работы RC-АГ, RC-АГ с АРА и RC-ГУН ПГК использовались методы теории чувствительности, полигармонический метод анализа нелинейных систем в среде схемотехнического моделирования Advanced Design System (ADS) и методы экспериментального исследования режимных и флуктуационных характеристик RC-АГ.
Новые научные результаты:
1. Разработан метод расчта режимных и флуктуационных характеристик в двух классах ДС-автогенераторов почти гармонических колебаний, основанный на развитии метода укороченных символических уравнений С.И.Евтянова, приме-
нительно к автоколебательным системам с нерезонансными цепями обратной связи.
-
Получены выражения для расчета и анализа СПМ естественных ФМ и АМ шумов RC-автогенераторов ПГК. Исследовано влияние режима АГ на уровень СПМ этих шумов.
-
Исследованы вклады в общий уровень СПМ ФМ шумов RC-автогенераторов источников аддитивных шумов цепей ОС, активного прибора, функциональных узлов системы АРА и цепей управления частотой.
-
Определены условия применимости предложенного метода. С использованием компьютерного моделирования, при котором режимные и шумовые характеристики находятся полигармоническим методом, и экспериментального исследования доказана применимость предложенного метода для инженерных расч-тов с приемлемой для практики точностью.
5. Проведен сравнительный анализ нескольких вариантов построения RC-автогенераторов
по совокупности режимных и флуктуационных характеристик.
Практическая значимость результатов работы:
1. Разработанный метод позволяет разработчикам выбирать рабочие режимы
RC-автогенераторов ПГК, исходя из совокупности требований, включающей
требования к уровню фазовых шумов.
2. Разработанные проекты в среде ADS, исходные данные которых получены на
основе теоретического анализа, позволяют уточнить расчеты и довести проекти
рование RC-АГ ПГК до получения данных, необходимых для практической реа
лизации.
3. Предложена и исследована схема двухкольцевого RC-АГ ПГК с полосно-
заграждающим RC-фильтром, позволяющая увеличить рабочий запас по самовозбужде
нию и амплитуду автоколебаний при допустимом уровне нелинейных искажений.
4. Предложена и исследована схема АРА, позволяющая при допустимых уров
нях нелинейных искажений обеспечить повышенную стабильность амплитуды
автоколебаний в широком диапазоне перестройки частоты.
-
Созданы макеты, экспериментальное исследование которых подтвердило теоретически полученные результаты.
-
Сочетание теоретического анализа с использованием разработанных методов и моделирования в среде ADS является основой для построения методик проектирования RC-АГ ПГК по заданным требованиям к внешним характеристикам.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложен и применен для анализа RC-автогенераторов почти гармонических ко
лебаний метод расчета режимных и флуктуационных характеристик.
-
С применением разработанных методов проведен сравнительный анализ RC-АГ ПГК двух классов по совокупности характеристик: амплитуда колебаний, стабильность частоты, стабильность амплитуды колебаний, отдаваемая в нагрузку мощность, СПМ ФМ и АМ шумов.
-
Получены простые приближенные формулы для расчета флуктуационных характеристик широкого класса RC-АГ ПГК, позволяющие прогнозировать достижимые уровни ФМ и АМ шумов.
4. С использованием разработанного метода выполнен сравнительный анализ
вкладов различных источников естественных шумов в общий уровень ФМ шу
мов исследованных классов RC-АГ ПГК.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всероссийские научно-технические семинары «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях «Синхроинфо» (Ярославль 2013, Воронеж 2014, С.Петербург 2015); 19-я, 20-я и 21-я Международные конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика», (2013 г., 2014 г. и 2015 г.).
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 научные статьи в журналах из списка, рекомендуемого ВАК РФ.
Объем и структура работы
Классификация схем RC-автогенераторов с фильтрами в цепях положительной обратной связи
Подставив (1.13), (1.18) и (1.28) в комплексное уравнение (1.24), выполнив дифференцирование в левой части этого уравнения и приравняв вещественные и мнимые составляющие в правой и левой его частях и используя введнные обозначения, получим следующую систему вещественных уравнений, эквивалентную комплексному уравнению (1.24):
Уравнение (1.31) позволяет найти амплитуду автоколебаний в стационарном режиме, получить условие устойчивости стационарных колебаний и рассчитать зависимость амплитуды автоколебаний от времени в переходных процессах. Уравнение (1.32) определяет нормированную поправку на частоту, как в стационарном режиме, так и в переходных процессах.
Поскольку стационарная амплитуда автоколебаний Uст не зависит от времени, уравнение для е нахождения вытекает из уравнения (1.31), если в нм положить левую часть равной нулю. Это уравнение имеет вид: OV 1 U )-U =0. (1.33) Преобразовав (1.33) с использованием (1.30), приведм это уравнение к виду: ист(фН1(ист)-1) = 0. (1.34) Нулевое решение этого уравнения С/ст.О = 135) соответствует режиму отсутствия автоколебаний. Ненулевое решение, определяемое из уравнения ФНЛШ 0-1 = 0 (1.36) Г ст. г и при нелинейной функции (1.15) имеющее вид соответствует режиму гармонических колебаний с постоянной амплитудой U . Этот режим, если он устойчив, является рабочим для рассматриваемого RC-АГ.
Для анализа устойчивости стационарных режимов рассмотрим поведение малых отклонений амплитуды автоколебаний от стационарных значений, используя уравнение (1.31), линеаризованное в окрестности стационарных амплитуд.
В окрестности нулевого решения (1.35) это линеаризованное уравнение имеет вид: Т a pAU = (0-l)AU. При выполнении условия самовозбуждения RC-АГ Ф 1 решением этого уравнения при любых начальных условиях является экспоненциально растущая функция времени, т.е. нулевое решение неустойчиво.
В окрестности ненулевого решения (1.36), (1.37) линеаризованное уравнение имеет вид: коэффициент преобразования малых изменений амплитуды колебательной характеристикой усилителя. Из (1.39) видно, что при выполнении условия ыи ли) -і— 1 малые отклонения амплитуды автоколебаний от U 1 ст.1 будут экспоненциально затухать, и этот стационарный режим будет устойчив. Для конкретной колебательной характеристики (1.19) с учтом (1.37) уравнение (1.38) приводится к виду: Т арАи = -2Ф(Ф-\)Аи . (1.39) Из (1.39) видно, что при конкретной нелинейности (1.2) для выполнения условия устойчивости стационарного (1.36) достаточно выполнения условия самовозбуждения. Уравнение (1.32) показывает, что поправка на частоту р в любой момент времени при фиксированном значении Ф определяется мгновенным значением амплитуды колебаний в данный момент времени, а в стационарном режиме она равна нулю. Следовательно, стационарное значение частоты автоколебаний равно в и также устойчиво.
Для анализа флуктуационных характеристик RC-автогенераторов их общую модель, показанную на рис. 1.1, необходимо дополнить источниками собственных шумов активного элемента и цепи обратной связи.
Для любого пассивного линейного четырхполюсника обратной связи с идеальным источником напряжения на входе, напряжение вносимых им естественных шумов может быть описано источником шумового напряжения и (t), включенным на выходе цепи обратной связи так, как показано на рис. 1.2.
Поскольку для большинства RC-АГ вклад тепловых шумов цепи обратной связи в общий уровень ФМ и АМ флуктуаций является доминирующим, ограничимся сначала анализом флуктуаций, вызванных только этими шумами. Символическое уравнение схемы рис.1.2 запишем в виде: и = К (p)KTTV(u) + u . (1.40) цос и ш.ос Будем искать решение уравнения (1.40) в виде где U (t) ф u(t) = [UcT l+U(t)]cos[Bt + (?0 +Ф(Ь()] + %ОС(), (1.41) - флуктуации амплитуды, которые предполагаются очень малыми по сравнению с U , ФА()- флуктуации фазы, которые предполагаются очень малыми по сравнению с 1 радианом, 0 -постоянная начальная фаза стационарного колебания. (t) может
Ограничиваясь анализом «медленных» флуктуаций фазы и амплитуды, будем в спектре внешнего шума учитывать только ту часть, которая лежит окрестности частоты автоколебаний (например, при отстройках от не не
Добавление шума (1.42) к почти гармоническому колебанию в выражении (1.41) приводит к появлению шумового сдвига фазы по кольцу обратной связи, который с погрешностью порядка квадрата относительных
Спектральные характеристики флуктуаций амплитуды и фазы
Предположим, что запас по самовозбуждению в исследуемых автогенераторах таков, что во всех стационарных и переходных режимах колебание можно считать гармоническим с медленно меняющимися амплитудой и фазой, и будем искать решение уравнения (2.8) в виде: - медленно меняющаяся комплексная амплитуда автоколебания, а U{t) и ф(0 - медленно меняющиеся амплитуда и фаза.
Количественное выражение условия медленности изменения амплитуды и фазы [26, 65] имеет вид: - соответственно амплитуды первой и третьей гармоник напряжения V{u). Допущение о почти гармоническом характере колебания на выходе усилителя выполняется с достаточной точностью, если уровень третьей гармоники выходного напряжения усилителя много меньше уровня первой гармоники.
Предполагая, что оно выполняется, будем в дальнейшем при решении символического уравнения (2.8) учитывать в сумме (2.21) только первую гармонику напряжения. Запишем ее в комплексной форме
Подставив (2.18), (2.23) в уравнение (2.8), выполнив перестановки оператора К (р) и оператора выделения вещественной части и применив теорему смещения символического метода [26,65], получим следующее уравнение для медленно меняющейся комплексной амплитуды первой гармоники входного напряжения нелинейного усилителя: U = k(p + j(o )VAU). (2.27) В 1 С учтом медленности изменения комплексных амплитуд, входящих в уравнение (2.27), выражение для символического коэффициента передачи k(p + j(в ) с погрешностью порядка (2.10) может быть заменено - постоянная времени узкополосного усилителя, построенного на основе ПНН с ТТ-мостом в цепи отрицательной обратной связи. После замены в уравнении (2.27) точного символического коэффициента передачи (2.9) укороченным (2.28) получим следующее комплексное укороченное символическое уравнение для АГ, построенного по схеме рис.2.1:
Подставив комплексные амплитуды (2.19), (2.24) в уравнение (2.30), выполнив операцию дифференцирования в левой части и приравняв вещественные и мнимые слагаемые в правой и левой частях, получим из (2.30) систему вещественных укороченных символических уравнений для амплитуды и фазы автоколебаний:
Эти уравнения определяют стационарные режимы и переходные процессы в рассматриваемом АГ в отсутствии внешних воздействий. Легко видеть (см. [27, 66]), что эти уравнения подобны уравнениям одноконтурного LC-автогенератора с такими же частотой автоколебаний, постоянной времени контура и колебательной характеристикой. Из уравнения (2.31) в случае, когда амплитуда колебаний не зависит от времени, т.е. U = UQ = const , вытекает уравнение стационарного режима можно для любой колебательной характеристики VX(U) найти его решения как абсциссы точек пересечения этой характеристики с прямой обратной связи (U/Ф). Примеры графического решения уравнения (2.34) для АГ с мягкой колебательной характеристикой (2.25) при нескольких значениях запаса по самовозбуждению показаны на рис.2.3.
Из уравнения (2.31) видно, что в рассматриваемом АГ поправка на частоту равна нулю как в стационарном режиме, так и в переходных процессах.
Из уравнения (2.30) вытекают также условия амплитудной устойчивости найденных стационарных режимов.
Примеры графического решения уравнения стационарного режима рассматриваемого RC- процессы в системе, описываемой этим уравнением, на фазовой автогенератора Эти условия становятся очевидными, если уравнение (2.31) представить в виде TpU = Q Vx(U)-U , (2.35) и рассмотреть плоскости (U, TpU).
На рис.2.4 показаны примеры фазовых линий, определяемых уравнением (2.35) при нескольких значениях параметра Ф. Как видно из этого рисунка, при Ф 1 существует единственный стационарный режим. Это режим покоя, в котором U 0 = О, т.е. автоколебания отсутствуют. Если Ф 1, при мягкой колебательной характеристике, частным случаем которой является характеристика (2.22), существует два стационарных режима: режим покоя /() = 0 и режим колебаний с постоянной амплитудой UQ О. (На рис.2.3 и рис.2.4 при Ф = 1,5 U 0= ufp, а при Ф = 2 UQ = U \)
Режим покоя в этом случае неустойчив, т.к. при сколь угодно малом отклонении амплитуды U от нуля это отклонение, как следует из рис.2.4, возрастает, что соответствует самовозбуждению автоколебаний. Режим колебаний с постоянной амплитудой UQ О устойчив, так как в соответствии с рис.2.4 отклонения амплитуды U от /0, вызванные каким-либо внешним воздействием после устранения этого воздействия стремятся к нулю. Формально условие локальной устойчивости стационарного режима с амплитудой Щ можно записать в виде
Расчет устойчивости и выбор емкости амплитудного детектора в системе автоматической регулировки амплитуды
В данной главе разработан метод расчета режимных и флуктуационных характеристик базовой модели класса RC-автогенераторов почти гармонических колебаний, построенных на основе широкополосных линейных усилителей с режекторными фильтрами, включнными в цепи отрицательной обратной связи и ограничителем в цепи положительной обратной связи, основанный на методе укороченных символических уравнений С.И.Евтянова. Метод изложен на примере автогенератора, построенного на простейшей модели линейного усилителя напряжения, являющего «преобразователем напряжения в напряжение» (ПНН). Результаты аналитического расчета проверены полигармоническим методом в среде ADS и подтверждены экспериментальными исследованиями.
Проведено сравнение конкретной схемы АГ с РФ с АГ в цепи положительной ОС которого используется мост Вина. Показано, что уровень фазовых шумов АГ с РФ на 5 дБн/Гц ниже, чем у АГ с мостом Вина, при условии равенства амплитуд на выходе генераторов, частот и параметров мостов. Однако, при условии равенства выходных мощностей, уровень СПМ ФМ шума АГ почти одинаков. АГ с РФ имеет большое преимущество перед АГ с мостом Вина, так как дает возможность работы с бОльшим запасом по самовозбуждению. В однокольцевых RC-АГ запас по самовозбуждению при небольших уровнях нелинейных искажений можно увеличить, только усложнив схему.
В главе 1 был рассмотрен однокольцевой генератор с полосно-пропускающим фильтром в кольце его положительной ОС. Для этого генератора были получены основные соотношения для расчета его режимных и флуктуационных характеристик. Расчет конкретных схем показал, что АГ с мостом Вина в цепи ОС является лучшим по флуктуационным характеристикам, поэтому в этой главе мы ограничимся рассмотрением только такого типа АГ.
Обобщенная схема генератора представлена на рис.1.1. Основным недостатком таких АГ является необходимость работы с малым запасом по самовозбуждению. Увеличение запаса по самовозбуждению ведет к неизбежному росту высших гармоник, искажению выходного сигнала и срыву колебаний, поэтому для получения устойчивого стационарного режима необходимо прибегать к дополнительным приемам. Одним из таких приемов является автоматическая регулировка амплитуды (АРА). Ввод схемы АРА позволяет управлять амплитудой выходного сигнала генератора, позволяя тем самым увеличить запас по самовозбуждению в начальный момент времени и возвращать амплитуде нужное значение в установившемся режиме.
На рис.3.1 представлена одна из возможных схем автогенератора с АРА. Здесь в качестве активного прибора используется двухкаскадный усилитель, а регулировка амплитуды осуществляется за счет управления напряжением: сигнал с коллектора транзистора VT3 поступает на амплитудный детектор, изменяя выходное сопротивление VT2 и, соответственно, сигнал на коллекторе VT1, тем самым подстраивая напряжение на базе VT3. Рис.3.1 Схема АГ с мостом Вина с АРА с управлением напряжением
На рис.3.2 представлен другой вариант системы АРА, с управлением током. Здесь в качестве активного прибора использован дифференциальный усилитель (ДУ), в цепь эмиттера которого поставлены диоды для увеличения крутизны регулировочной характеристики, т.е. зависимости амплитуды первой гармоники выходного напряжения от эмиттерного тока ДУ. Сигнал с выхода генератора после детектирования поступает на усилитель и только оттуда на управляемый источник тока (УИТ), регулируя коэффициент усиления ДУ. Недостаток рассмотренной схемы (рис.3.2) состоит в сложности ее исполнения, поэтому был предложен другой вариант схемы АРА с управлением током, рис.3.3.
Схема АГ с мостом Вина с АРА с управлением током. Вариант 2 В этой схеме колебание с выхода моста Вина поступает на амплитудный детектор, а затем подается на блок управления током питания дифференциального усилителя. В начальный момент времени транзистор VT1 закрыт, а ток, поступающий в эмиттеры транзисторов VT4, VT7 ДУ АГ, задающий запас по самовозбуждению, определяется резисторами R5, R10, R11, R15. После возникновения колебаний в АГ на выходе транзистора VT1, работающего в режиме амплитудного детектора, формируется медленно меняющееся напряжение, которое после подавления пульсаций фильтром R4, C1 инвертируется и податся на базу токозадающего транзистора VT6. Поэтому рост амплитуды автоколебаний в процессе самовозбуждения сопровождается снижением напряжения смещения на базе VT6 и стабилизацией амплитуды автоколебаний на уровне, при котором нелинейные искажения не превышают заданной величины.
В эмиттеры дифференциального усилителя генератора в данной схеме поставлены диоды, для того, чтобы увеличить крутизну регулировочной характеристики, а, следовательно, влияние тока. Чтобы ослабить влияние нелинейности и высших гармоник, номиналы электрической схемы АГ были пересчитаны по методу, представленному в главе 1 на меньшее значение амплитуды стационарного режима на входе цепи ОС. Сопротивления в цепях коллекторов АП здесь разные, это сделано для того, чтобы сигнал, поступающий на детектор, смог бы открыть транзистор VT1.
Анализ влияния перестройки по частоте на флуктуационные характеристики автогенератора
Генераторы, управляемые напряжением (ГУН), широко используются в качестве опорных в измерительной технике и системах ФАП [85], в телекоммуникационных системах в составе источников переменного сигнала [87,88], в качестве быстрых тактовых генераторов, в системах управления [89] и пр. В системах мегагерцового диапазона частот часто отдается предпочтение RC –ГУН, благодаря возможности их широкой перестройки, малым габаритам, линейности модуляционной характеристики и относительно низкой стоимости изготовления. Вопрос о расчете уровней фазовых шумов ГУН так же является актуальной задачей [86], поэтому применение представленного в предыдущих главах метода расчета шумов для ГУН так же представляет интерес.
Из рассмотренных в предыдущих главах RC-АГ достаточно легко построить ГУН, заменив частотозадающие емкости в цепях ОС варикапами, так как частота АГ определяется в основном емкостями частотно-избирательных цепей в составе ОС, а, следовательно, и емкостью варикапа. При этом благодаря зависимости частоты от емкостей, можно добиться достаточно широкой полосы перестройки частоты.
Задачи проектирования и анализа ГУН на ДАП обычно решаются с помощью универсальных программ схемотехнического моделирования и непосредственного макетирования. В литературе не приводятся точные алгоритмы предварительных расчетов режимных и флуктуационных характеристик ГУН, позволяющих в том числе оценить диапазон перестройки частоты в заданном режиме, влияние частоты перестройки на выходное напряжение ГУН и на уровень общего фазового шума [85]. Исследуем основные режимы и характеристики RC-ГУН, опираясь на методы расчета стационарных режимов генераторов, рассмотренных в главах
Рассмотрим конкретные схемы ГУН. Для этого сначала выберем варикап. Возьмем варикап 2В114А-1. Его вольт-фарадная характеристика (ВФХ) аппроксимируется выражением (4.1) и представлена на рис. 4.1а. Соединяя одинаковые варикапы параллельно, можно получить удвоенную емкость в каждой точке ВФХ, т.о. ВФХ двух параллельно соединенных варикапов 2В114А-1 имеет вид рис.4.1б. в
RC Одной из основных характеристик ГУН является модуляционная характеристика. Частота обоих рассматриваемых генераторов определяется одним выражение, поэтому модуляционная характеристика у них выглядит одинаково и при симметрии параметров ЦОС определяется выражением: E
Минимальная частота рассматриваемых ГУН равно 0.8 МГц, а максимальная – 4МГц. То есть данные ГУН осуществляют перестройку частоты в 4 раза.
Одним из важнейших показателей качества ГУН является уровень его фазовых шумов. В предыдущих главах были получены выражения для расчета уровня СПМ ФМ шума двух типов генераторов. Пользуясь теми же алгоритмами можно получить параметрическую зависимость уровня СПМ ФМ шума от управляющего напряжения.
В рассмотренных схемах RC-ГУН вклад первого слагаемого в выражении (4.4) очень мал по сравнению с остальными. Рассмотрим влияние шумов цепи управления и флуктуаций опорной частоты, вызванных изменением амплитуды автоколебаний на общий уровень фазового шума ГУН. Составляющие ФМ шумов ГУН из-за наличия цепей управления можно рассчитать следующим образом:
В таблице 4.1 представлена количественная оценка вклада шума вносимого в ГУН цепями управления на частоте отстройки 1 кГц при разных значениях реальной части входного сопротивления модулятора. Видно, что вклад этих шумов очень мал и для оценки уровня шума им можно пренебречь.
На рис. 4.5 представлены зависимости уровней СПМ ФМ шумов, выраженных в децибелах, при отстройке от несущей в 1 кГц для двух рассматриваемых генераторах, при условии равенства частот и сопротивлений и емкостей мостов на каждом шаге. Рис.4.5 Зависимость уровня СПМ ФМ шума от управляющего напряжения на частоте отстройки 1 кГц Из рис.4.5 видно, что при изменении значения емкостей в мостах ГУН, как и в случае с АГ, уровень СПМ ФМ шума ГУН с мостом Вина на 5 дБн/Гц выше чем у ГУН с РФ. Кроме того, отметим, что при увеличении абсолютного значения управляющего напряжения (т.е. при увеличении частоты генерации), уровень фазового шума ГУН растет. При изменении частоты в 5 раз, уровень шума вырастает на 14 дБн/Гц.
Для исследования ГУН было проведено компьютерное моделирование в среде ADS. Скриншоты диалоговых окон для двух типов ГУН представлены на рис. 4.6, 4.7. В моделях варикапов программно заложено параллельное соединение двух и четырех варикапов 2В114А-
Прежде всего, проверим правильность полученных теоретически результатов – сравним модуляционную характеристику и зависимость уровня СПМ ФМ шума от величины управляющего напряжения. На рис. 4.8, представлена модуляционная характеристика, полученная в пакете ADS для двух видов ГУН (Точками представлены результаты моделирования, сплошной линией – теоретический расчет).
На рис.4.9 представлена зависимость СПМ фазового шума двух типов ГУН от управляющего напряжения полученная на частоте отстройки от несущей 1 кГц. Сплошной линией показаны теоретические результаты, точками – результаты компьютерного моделирования. Количественные результаты сведены в таблицу 4.2
Видно, что зависимости частоты от управляющего напряжения и СПМ ФМ шума ГУН от управляющего напряжения, полученные с помощью компьютерного моделирования полигармоническим методом с достаточной точностью сходятся с зависимостями, рассчитанной по формулам (4.2), (4.12), (4.13) в пакете MathCAD, что доказывает справедливость представленного метода.