1-24. Напишите расчетные соотношения для разделительной емкости и заградительной индуктивности при работе их в схеме ГВВ с параллельным питанием.
Металлокерамические лампы используются в схемах Генераторов с внешним возбуждением, в передатчиках с непрерывным излучением и в схемах автогенераторов СВЧ передатчиков с импульсным излучением. Приводимая методика расчета применима и для расчета схем ГВВ с лампами общего применения типа ГУ. Исходными данными для проектирования и расчета схем ГВВ на лампах являются: выбранный тип лампы (из расчетов структурной схемы), выходная мощность P1 , рабочая частота f, справочные данные лампы. Первым этапом проектирования является выбор схемы генератора. Сначала будем ориентироваться на схему ГВВ и расчет его электронного режима и элементов. Обычными схемами ГВВ являются схемы с общим катодом и общей сеткой, которая чаще применяется в СВЧ диапазоне. Схемы таких ГВВ приведены на рис. 1. Рисунок 1
На рисунках приведены схемы с автоматическим смещением на резисторах R1, с параллельным типом питания анодных цепей. На индуктивностях L1 выделяется входное высокочастотное напряжение возбуждения. Конденсатор С1 (б) заземляет сетку на корпус по ВЧ. Сначала производится расчет электронного режима работы ГВВ. Задается угол отсечки тока лампы Θ, оптимальным значением, которого является Θ Θ 70…120. Для выбранного угла Θ определяют коэффициенты Берга 1 и 0. Выбирается величина Ea источника питания, близкая к типовому значению. Рассчитывается величина граничного коэффициента использования анодного напряжения (для схемы с ОК)
Для схемы с общей сеткой (ОС) расчет производится по формуле:
В этих формулах: D–проницаемость лампы, S–крутизна входных характеристик лампы, Sгр – крутизна граничного режима. Определяется амплитуда Ua1 – первой гармоники напряжения на лампе
Амплитуда тока первой гармоники на лампе
Постоянная составляющая тока лампы
Энергетические параметры: –потребляемая от источника питания мощность, –мощность рассеяния на лампе, , –электронный КПД, также . Эквивалентное выходное сопротивление ГВВ
Требуемое напряжение возбуждения на сетке
Напряжение смещения на сетке , где – напряжение приведения, равное примерно напряжению запирания лампы. Расчет параметров сеточной цепи: Угол отсечки тока сетки
Ток первой гармоники цепи сетки и ток постоянной составляющей , , где – крутизна сеточной характеристики, при отсутствии справочного параметра, ориентировочно можно положить . Мощность возбуждения и постоянной составляющей , Мощность, рассеиваемая на сетке . Входное сопротивление цепи сетки . Коэффициент усиления ГВВ по мощности . Коэффициент обратной связи, необходимый для обеспечения электронного режима в случае работы каскада как автогенератора СВЧ:
Расчет элементов схемы (рис.1 а)) , , , , , , . В этих формулах: – минимальное значение рабочей частоты передатчика, – рабочая частота ГВВ, – емкость анод–катод лампы. Для ГВВ по схеме с общей сеткой следует пользоваться следующей модификацией формул: , , . Для схемы рис.1 б) расчет элементов схемы дополнительно имеет вид: , Расчет автогенераторов на металлокерамических лампах производится по приведенным выше формулам. Особенностью проектирования таких генераторов является построение схемы генератора, обеспечение в схеме расчитанного выше коэффициента обратной связи , что достигается расчетом колебательных элементов (коаксиальных резонаторов) схемы с учетом межэлектродных емкостей. Такие расчеты приведены, например, ниже, на рис.2 изображена схема автогенератора СВЧ на МКЛ, строящаяся, как правило, по схеме с общей сеткой.
Рисунок 2
В этой схеме: К1 и К2 – анодно–сеточная и катодно–сеточная коаксиальные линии (резонаторы), L1–блокировочная индуктивность при питании анода параллельным способом, С2–разделительная емкость при этом же типе питания, R1–сопротивление автоматического смещения рабочей точки лампы, С1–блокировочная емкость цепи смещения, помещаемая обычно в коротко
2-24. Поясните с помощью временных диаграмм работу варактора в режимах с закрытым переходом и частично открывающимся переходом. В чем заключаются достоинства и недостатки каждого из этих режимов?
Варакторы в умножителях частоты работают в двух режимах: с полностью закрытым переходом или с открытым на время, равное части периода входного напряжения. Первый режим характерен, например, для арсенид-галлиевых варакторов, которые используются при fвых > >10 ГГц. Второй режим позволяет улучшить энергетические показатели при малых потерях в диоде в открытом состоянии. Указанными свойствами обладают так называемые диоды с накоплением заряда (ДНЗ). Таким образом, необходима модель, описывающая поведение варактора либо с закрытым переходом, либо в обоих состояниях его — закрытом и открытом. Эквивалентная модель варактора в закрытом состоянии (рис. 1) содержит нелинейную емкость перехода Спер и сопротивление rпос, рассматриваемое в первом приближении как линейное. Емкость перехода зависит от напряжения un: (1) где Cu0 — емкость при напряжении ио (рn — контактная разность потенциалов; v — константа, равная 1/2 1/3). Здесь и далее принято, что при uп>0 диод закрыт. После интегрирования (1) получаем выражение, описывающее вольт-кулоновую характеристику uп(q), удобную при анализе, (2) где С0 – емкость при un = 0.
Рисунок 1 – Эквивалентная схема варактора в закрытом состоянии
Потери в закрытом диоде характеризуются добротностью, измеряемой на частоте w0 при напряжении u0.
Частота, на которой Qn= 1, называется предельной:
Если в умножителе р—n-переход все время закрыт, то потери в диоде тем меньше, чем выше предельная частота по сравнению с частотой N-й гармоники входного напряжения. Кратко опишем процессы в диоде с открытым переходом, что позволит правильно выбрать модель ДНЗ. При открывании перехода в области с электронной и дырочной проводимостью инжектируются неосновные носители, которые удаляются от перехода за счет диффузии. В нейтральных областях ДНЗ есть тормозящее поле, вызванное неоднородным распределением примесей. Поэтому инжектированные носители участвуют еще в дрейфе. При движении они рекомбинируют с основными носителями, поступающими из внешней цепи. Ток iomкр открывающегося перехода и напряжение на нем связаны уравнением непрерывности, которое определяет изменение во времени и пространстве концентрации неосновных носителей. Анализ приводит к следующим символическим соотношениям: , (4). где p=d/dt; у(р) — символическая проводимость; u0, v — фиктивные напряжения, пропорциональные равновесной и избыточной концентрациям; — термодинамический потенциал. Проводимость y(p) является трансцедентальной функцией оператора дифференцированния. Аналогом ее служит бесконечная неоднородная RC – линия. Если в (4) напряжение v – переодическая функция времени, то для произвольной гармоники частоты w можно записать:
и характеризовать потери открытого перехода добротностью
Добротность с ростом частоты сначала увеличивается, а потом уменьшается. Максимальное значение ее тем больше, чем сильнее тормозящее поле и тоньше база. Максимум кривой объясняется двумя видами потерь в открытом переходе, которые ведут себя по-разному: с повышением частоты рекомбинационные потери уменьшаются, а инерционные растут. Последние обусловлены конечным временем, необходимым для установления распределения инжектированных носителей в нейтральных областях. С ростом частоты это приводит к «запаздыванию» заряда относительно напряжения на переходе. Обозначим через fH и fB частоты, на которых добротность открытого диода равна 1. Очевидно, потери варактора при отпирании можно считать малыми, если fBX и лежат в интервале (fH, fB). Проводимость у(р) приближенно равна (5). где tж = RpCp — среднее время жизни неосновных носителей; t0 = tж /(1 + R / rp ); rp,Rp,Cp — расчетные параметры, выражаемые через толщину базы диода и физические константы материала;
Рисунок 2 Рисунок3
Рис 2 Зависимость добротности открытого р—n-перехода от частоты (Е — нормированная напряженность тормозящего поля, w — относительная толщина базы, tu — среднее время жизни неосновных носителей) Рис 3 Полная эквивалентная схема варактора На рис. 2 штриховой линией показано изменение добротности с частотой, вытекающее из (5). Расхождение между сплошной и штриховой кривыми характеризует погрешность, которая возникает при замене точного выражения у(р) приближенным. С помощью (5) можно установить:
Уравнениям (4) и (5) соответствует эквивалентная схема открытого перехода, показанная на рис. 3 справа от точек аб. Она содержит два нелинейных сопротивления r, R и нелинейную С, для которых справедливы соотношения:
Если воспользоваться этими соотношениями и проанализировать закрывание перехода, находившегося в открытом состоянии, то обнаружится, что tвыкл — время нарастания напряжения при переключении — выражается через постоянную времени t0: tвыкл =2,2 t0. Тем самым
Теперь условия малых потерь в варакторе при открывании перехода записывается в виде: , (6) Таким образом, в диапазоне частот, определяемом (6), ДНЗ в отличие от варактора, работающего с закрытым переходом (назовем его для краткости диодом с нелинейной емкостью — ДНЕ), ведет себя как нелинейная емкость с малыми потерями не только в закрытом, но и в открытом состоянии за счет создания в базе тормозящего поля и уменьшения ее толщины. При этом зависимость емкости от напряжения более резкая, чем в ДНЕ. Эквивалентная схема на рис. 3 позволяет достаточно точно описать процессы в варакторе в широком диапазоне частот и любом режиме работы перехода. Но это существенно усложняет анализ, который невозможно провести без ЭВМ. Следовательно, для создания методики, опирающейся на аналитические соотношения, необходимы упрощения. Положим в их основу следующие соображения. В ДНЕ Qдоткр< 1, и, как показывают эксперименты, наилучшие энергетические характеристики получаются либо при полностью закрытом переходе, либо при открывании его на малый интервал времени по сравнению с периодом входного сигнала. Будем считать, что в подобных случаях переход варактора полностью закрыт и справедлива модель на рис. 1. ДНЗ, работающий в умножителе, частоты fBX и которого подчиняются соотношениям (6), обладает малыми потерями при открывании. Предположим, что полные потери определяются сопротивлением rпос. Тогда в эквивалентной схеме на рис. 3 можно принять r = 0, R=oo. Оставшиеся емкости по-разному зависят от напряжения: Спер описывается (1), а диффузионная Сдиф — экспонентой с показателем —и / . Поскольку 1 / >> 1 (при температуре 200 С1/ 40В-1), то возможно дальнейшее весьма распространенное упрощение:
В итоге при выполнении (6) ДНЗ описывается эквивалентной схемой на рис. 1, причем сопротивление rпос постоянно и равно паспортному значению. Вольт-кулоновая характеристика емкости (7) где Сзакр = qmax / Uдоп, Uдоп - допустимое обратное напряжение на переходе; qmax — заряд в (2) при u = Uдоп. В дальнейшем используем именно эти модели варактора. Они с приемлемой для практики точностью позволяют рассматривать оба режима диода: его переход либо полностью закрыт, либо открыт на малую часть периода; переход варактора открыт в течение произвольной части периода, но потерн при открывании малы.
3-24. Изобразите функциональную схему прямого синтеза фильтрового типа. С помощью временных диаграмм и спектрограмм поясните принцип работы такого СЧ. Укажите его недостатки.
Рисунок 1
Высокостабильный кварцевый генератор ОГ формирует колебания с частотой f0, которые поступают на делители и умножители частоты ДЧ и УЧ. Делители частоты понижают частоту ОГ f0 в целое число раз (d), а умножители частоты увеличивают её в целое число раз (к). Частоты, полученные в результате деления и умножения частоты опорного генератора (f0), используются для формирования опорных частот в специальных устройствах, которые называют датчиками опорных частот ДОЧ. Общее количество датчиков опорных частот в синтезаторе частот СЧ зависит от диапазона формируемых синтезатором частот и интервала между соседними частотами: чем шире диапазон частот СЧ и меньше интервал, тем больше количество ДОЧ требуется. При декадной установке частоты каждый ДОЧ формирует десять опорных частот с определённым интервалом между соседними частотами. Общее количество необходимых датчиков определяется количеством цифр (разрядов) в записи максимальной частоты синтезатора. Например, максимальная частота синтезатора, формирующего сетку частот с интервалом Δf = 1 кГц, 5 МГц = 5000 кГц, т. е. содержит четыре разряда. Поэтому синтезатор должен иметь четыре датчика опорных частот: ДОЧ I, формирующий десять частот с интервалом Δf1 = 1 кГц, ДОЧ II − десять частот с интервалом Δf2 = 10Δf1 = 10 кГц, ДОЧ III − десять частот с интервалом Δf3 = 10Δf2 = 100 кГц, ДОЧ IV формирует частоты с интервалом Δf4 = 10Δf3 = 1000 кГц = 1 МГц. Количество опорных частот с интервалом 1 МГц в данном примере только пять. Опорные частоты, сформированные в датчиках, подаются на смесители. Полосовые переключаемые фильтры, включённые на выходе смесителей, выделяют в данном примере суммарную частоту: на выходе первого f1 + f2, на выходе второго f1 + f2 + f3, на выходе третьего f1 + f2 + f3 + f4. Частота на выходе возбудителя при декадной установке определяется положениями переключателей каждой декады. Относительная нестабильность частоты на выходе синтезатора равна нестбильности ОГ. Недостатком такого типа синтезаторов является наличие на его выходе большого числа комбинационных частот, что объясняется широким использованием смесителей. Основные характеристики синтезатора ADF4156 Полоса частот радиосигнала – до 6 ГГц Напряжение питания от 2,7 до 3,3 В Отдельный VP позволяет расширить настроечное напряжение Программируемые токи зарядовой помпы 3-проводный последовательный интерфейс Цифровой детектор захвата Режим выключения питания Выводы совместимы с интегральными схемами синтезаторов ADF4110/ADF4111/ADF4112/ADF4113/ADF4106/ ADF4153 and ADF4154 Программируемая фаза выходного радиосигнала Проектирование контурного фильтра возможно с помощью ADISimPLL Ускоренное время захвата
Общее описание ADF4156 – синтезатор с дробным делителем, предназначен для выполнения местных генераторов с преобразованием вверх или вниз для приёмников и передатчиков. Содержит малошумящий цифровой фазочастотный детектор, прецизионную зарядовую помпу, программируемый опорный делитель. Программируемый дробный N-делитель основан на использовании сигма-дельта (Σ-Δ) дробного интерполятора. Регистры INT, FRAC, и MOD определяют полный коэффициент деления N = INT + (FRAC/MOD). ADF4156 содержит также схему сокращения времени переходного процесса cycle slip reduction circuitry -CSR. ADF4156 может быть оптимизирована по шумовым характеристикам. Однако в случае применения в системе с быстрым захватом полоса контурного фильтра должна быть широкой и, следовательно, фильтр не обеспечивает большое ослабление паразитных сигналов. Использование CSR позволяет поддерживать узкую полосу фильтра для уменьшения спура и получить быстрое время захвата. Проскальзывание цикла происходит в случаях, когда полоса фильтра меньше частоты фазочастотного детектора. Фазовая ошибка на входе детектора накапливается слишком быстро для коррекции PLL и зарядовая помпа работает временами в неправильном направлении. Это существенно увеличивает время захвата. ADF4156 содержит схему устранения проскальзывания цикла для расширения линейного диапазона PFD без изменения полосы частот фильтра. Когда ADF4156 обнаруживает, что может произойти проскальзывание цикла, она резко увеличивает ток зарядовой помпы. При этом добавляется или устраняется постоянный ток на входе контурного фильтра в зависимости от того, что необходимо - увеличить или уменьшить частоту. Эффект проявляется в увеличении линейного диапазона фазочастотного детектора. Если фазовая ошибка снова увеличивается до величины, при которой возможно новое проскальзывание цикла, ИС снова обращается к зарядовой помпе. Это происходит до тех пор, пока не установится новое значение частоты. Положительный эффект применения схемы сокращения переходного процесса показан на рис. П7.3
Литература 1 Гарбер И.С. Магнитные импульсные модуляторы. – М.: Изд–во «Советское радио». 1964. 2 Голомедов А.В. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. / Под ред. А.В. Голомедова. – М.:Изд–во «Радио и связь», 1989. 3 Дивеев В.Н. Пособие к курсовому проектированию по дисциплине “Формирование и передача сигналов”. Изд–во «РИО МГТУГА», 2000. 4 Кацнельсон В.В. и др. Электронно–вакуумные и газоразрядные приборы. Справочник. – М.: Изд–во «Энергия». 1985. 5 Манаев М.И. Радиопередающие устройства СВЧ. – Минск: Изд–во «Высшая школа», 1978. 6 Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. – М.: Изд–во «Высшая школа», 1989. 7 Уткин Г.М. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ. / Под ред. Г.М. Уткина. – М.: Изд–во «Советское Радио», 1979. 8 Шахгильдян В.В. Проектирование радиопередатчиков. / Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Изд–во «Радио и связь», 2000.
