Стабилизация частоты ГПД. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Узлы радиолюбительской техники. Генераторы, гетеродины

 Комментарии к статье

Пожалуй, самым ответственным узлом в трансивере является ГПД, который определяет стабильность частоты и шумовые характеристики. Настоящая статья является попыткой в популярной форме изложить то, что прекрасно описано в учебнике [1].

При этом весь математический аппарат опущен, чтобы не пугать неподготовленных читателей формулами и векторными диаграммами.

Нестабильность частоты автогенераторов имеет много причин. Условно можно поделить все причины нестабильности на два направления:

• причины, которые влияют на частоту настройки задающего контура;
• причины, которые влияют на частоту из-за изменения режима активного элемента.

Самой простой причиной первого направления является механическая непрочность конструкции. Следующая очевидная причина того же направления - температурная нестабильность. Нагрев деталей автогенератора вызывает изменения индуктивности и емкости. Например нагрев катушки, намотанной медным проводом на керамическом каркасе, вызывает расширение меди, увеличение длины провода, увеличение диаметра намотки. Это влечет за собой увеличение индуктивности и понижение частоты. Такой же нагрев катушки, намотанной на фторопластовом каркасе, вызывает увеличение диаметра витков, но из-за чрезмерно большого линейного расширения фторопласта катушка растягивается в длину настолько сильно, что с лихвой перекрывает увеличение диаметра, и в итоге индуктивность не увеличивается, а уменьшается, и частота повышается. По этой причине фторопласт совершенно непригоден для высокостабильных контуров.

Магнитная проницаемость большинства ферромагнитных материалов при нагреве увеличивается. Увеличиваются при нагреве и емкости варикапов. Емкость конденсаторов при нагреве может как увеличиваться, так и уменьшаться - в зависимости от материалов обкладок и диэлектрика. Иногда (к сожалению, не всегда) на конденсаторах пишут величину температурного коэффициента емкости (ТКЕ), который показывает, на сколько миллионных долей изменяется емкость конденсатора при его нагреве на 1°С. Знак изменения (минус или плюс) обозначается буквами "М" или "П".

Обозначение М750 означает, что при нагреве на каждый градус емкость уменьшается на 750х10-6. Обозначение П33 означает увеличение при нагреве на каждый градус на 33х10-6. Если конденсатор с ТКЕ М750 имел при номинальной температуре емкость 1500 пФ, то при его дополнительном нагреве на 20°С емкость станет равной 1500-1500x750xl0-6x20 =1500-22,5=1477,5 пФ. Если автогенератор работал например на частоте 500 кГци его частота определялась только этим конденсатором, то отклонение частоты при этом составит 3,79 кГц, что явно много.

Радикальным методом в этом случае является термостатирование. Но более простым и дешевым - выбор деталей с наименьшими температурными отклонениями. Так называемая термокомпенсация позволяет уменьшить до некоторых пределов температурную нестабильность, но не позволяет устранить ее полностью. Здесь две причины. Во-первых, контур ГПД является перестраиваемым, и процентное соотношение постоянных и переменных конденсаторов при перестройке меняется. Поэтому компенсация, достигнутая на одной частоте, на другой частоте нарушается. Во-вторых, изменения емкостей и индуктивностей при нагреве происходят по разным законам. Поэтому компенсация, достигнутая при нагреве на 10°С, нарушится, если мы нагреем генератор еще на 10°С.

В качестве деталей для ГПД можно рекомендовать катушки, намотанные нагретым при намотке посеребренным проводом на ребристом керамическом каркасе. Конденсаторы можно использовать КМ5 (пятислойные, малогабаритные) с ТКЕ М47 или М75. Если для настройки ГПД применяются варикапы, то ТКЕ конденсаторов должен быть еще больше, т.к. ТКЕ варикапов положительны и в зависимости от смещения (т.е. от частоты настройки) изменяются от 70...80х10'6 при больших напряжениях до 500х10"6 при малых. Поэтому недопустимо использовать варикапы при напряжении смещения менее 8...9 В. Если емкости варикапов недостаточно для данного контура, необходимо либо использовать варикапы с большими емкостями (например KB 105), либо ставить по два-три варикапа в параллель. Автор не рекомендует использовать катушки с вожженным серебром. Да, они имеют хорошую температурную стабильность, но... невысокую добротность. А добротность важнее.

Следующей причиной, воздействующей на частоту контура, является нестабильность паразитных емкостей активных элементов, которые подключаются к контуру и служат составными частями его емкости. Во время работы эти паразитные емкости изменяются, и напрямую уводят частоту контура. Рассматривавшиеся ранее температурные уходы частоты происходят медленно, их можно подкорректировать по цифровой шкале либо компенсировать. Влияние же нестабильности паразитных емкостей происходит быстро, чаще всего в такт с модуляцией, и сопровождается характерными искажениями сигнала. Паразитные межэлектродные емкости в транзисторах представляют собой обычные барьерные емкости p-n переходов, перестраивающиеся при изменении приложенного к ним напряжения. Влияние паразитных емкостей можно в той или иной мере уменьшить, но не устранить совсем.

Для уменьшения их влияния надо добиваться, чтобы процентное содержание паразитных емкостей в общей емкости контура было по возможности меньшим, чтобы на фоне большой общей емкости контура несколько пикофарад паразитных емкостей имели меньшее влияние. Здесь, правда, существуют два ограничения. Во-первых, слишком большая емкость при малой индуктивности ведет к снижению добротности контура. Во-вторых, слишком большая постоянная емкость требует пропорционального увеличения переменной емкости, иначе не будут обеспечиваться пределы перестройки контура. В любом случае нельзя делать ГПД на почти одних только паразитных емкостях, как это сделано в [2], где в контуре на 1,8...7 МГц применен варикап КВС111 с малой емкостью. И чтобы получить перестройку, автор применил большую индуктивность и маленькую постоянную емкость. При этом паразитная входная емкость транзистора составила 20%(!!) от обшей емкости контура. Паразитные емкости мало влияли бы на частоту, если бы напряжения питания и режим работы генератора были идеально стабильными, что реально недостижимо.

Одним из методов, решающих в той или иной мере проблему, является применение развязывающих каскадов между контуром ГПД и активным элементом. На рис.1 приведена простейшая схема индуктивной трехточки, а на рис.2 - трехточки с добавлением развязывающего истокового повторителя.

Рис.1

Разность напряжений "между затвором и истоком в 10 раз меньше, чем само входное напряжение. А если разность напряжений мала, то через входную емкость повторителя течет переменный ток в 10 раз меньше, что эквивалентно уменьшению в 10 раз входной емкости.

Но это еще не все. Повторитель (рис.2) имеет глубокую ООС по постоянному току. Когда напряжение питания меняется, ток в транзисторе меняется во много раз меньше, чем он изменялся бы без истокового резистора, т.е. паразитные емкости более стабильны.

В первом случае (рис.1) генерирующий транзистор берет ток для создания автоматического смещения от контура, ухудшая его добротность. Во втором случае (рис.2) этот ток берется из повторителя и на добротности не сказывается. Из-за большого усиления по мощности исток генерирующего транзистора подключен к меньшей части витков контура (1/10...1/20) и меньше влияет на контур. Лучшие результаты получаются, если в качестве повторителя используется полевой транзистор с левой характеристикой, без подачи на затвор смещения. Можно рекомендовать КП305И. Параметры схемы должны выбираться так, чтобы повторитель передавал амплитуду колебаний или без искажений, или с равномерным ограничением сверху и снизу. Есть еще один механизм дестабилизации частоты, не столь очевидный. Автогенератор работает непрерывно за счет того, что его высокодобротный контур "звенит" и поддерживает колебания. Энергия же в контуре пополняется толчками только при пиках положительных полуволн на затворе.

Для стабильной работы в генераторе необходимо поддерживать баланс амплитуд и баланс фаз. Первое требует, чтобы за каждый период колебания в контуре пополнялось энергии столько, сколько ее из контура расходуется (на затворные токи, потери в конденсаторах и резисторах, излучение в окружающее пространство). Этот баланс поддерживается за счет автоматического смещения. Как только амплитуда колебаний чуть уменьшается, уменьшается и смещение, транзистор приоткрывается чуть больше, и порции подкачивающей энергии возрастают. И наоборот.

Второе требует, чтобы подкачивающие импульсы тока приходили в контур строго в такт с существующими колебаниями - не раньше и не позже. Баланс фаз тоже поддерживается автоматически, но понять этот процесс сложнее. Для простоты опишем его в случае автогенератора на вакуумном триоде. При открывании лампы пачка электронов начинает двигаться от катода к аноду. Тока в анодной цепи в это время нет. Импульс тока пойдет по анодной цепи только после того как пачка электронов достигнет анода. За это, в общем-то, ничтожное время фаза колебания на контуре изменится, и подталкивающий импульс тока будет отставать от импульса напряжения на сетке. Это отставание выражается в фазовом угле в несколько градусов. Это так называемый угол крутизны (не путать с крутизной вольт-амперной характеристики!). Угол крутизны, показывающий величину запаздывания сигнала, зависит от расстояния между электродами и скорости движения электронов, которая, в свою очередь, зависит от величины анодного напряжения.

Итак, импульсы попадают в контур с опозданием. Как же генератор приспосабливается к этому? Оказывается, он генерирует не точно на частоте контура, а чуть ниже этой частоты.

Если через колебательный контур протекает переменный ток, то напряжение на контуре точно совпадает по фазе с током в одном случае: когда ток находится точно в резонансе с частотой контура. Во всех остальных случаях напряжение на контуре либо опережает ток, либо отстает от него. Так вот, автогенератор автоматически выбирает такую частоту, при которой напряжение на контуре опережает подкачивающие импульсы тока точно на такую величину, которую затем задерживает лампа. Известно, что высокодобротный контур очень резко реагирует на отклонения частоты. Очень малое отклонение частоты вызывает большие отклонения фазы. Соответственно, чтобы компенсировать задержку фазы в лампе, генератору достаточно лишь чуть-чуть отойти от резонансной частоты контура. Если анодное напряжение изменилось, то изменилась и задержка в лампе. Генератор перейдет на другую частоту, при которой опять соблюдался бы баланс фаз. Сдвиг частоты будет незначительным, если добротность контура высокая. При низкодобротном контуре генератору для компенсации такой же задержки надо изменить частоту значительно сильнее.

Задержки сигнала существуют не только в лампах, но и в транзисторах, и в микросхемах. Только там их физика не столь очевидна. Таким образом, изменяя режим работы лампы или транзистора, мы можем менять частоту генерации, это даже используется для частотной модуляции. Но что делать, если не только не можем, но и не хотим - а частота "плавает"! Во-первых, следует по возможности стабилизировать питание, а во-вторых, использовать колебательный контур максимально возможной добротности, для чего катушку мотать достаточно толстым посеребренным проводом на ребристом каркасе из радиофарфора или полистирола. Если каркас не имеет принудительной насечки, то мотать надо обязательно с подогревом провода от понижающего трансформатора. После охлаждения провод дает усадку и плотно облегает каркас, фиксируя витки.

Покрытие катушки с этой целью лаками, красками, и т.п. совершенно недопустимо. Если автогенератор работает на частотах выше 10 МГц, то элементы контура не следует паять в печатную плату. Применяющиеся в контуре конденсаторы и варикапы следует паять непосредственно на концы катушки, без дополнительных монтажных проводов. Если частота генерации высокая - и паразитные емкости транзистора неизбежно составляют значительную часть емкости контура, то и сам транзистор надо паять на катушку навесным монтажом. В-третьих, необходимо использовать для ГПД транзисторы с минимальными паразитными емкостями. Часто для предотвращения самовозбуждения автогенератора на УКВ применяют антипаразитные резисторы в цепи затвора или базы. Наряду с демпфированием паразитных колебаний, они снижают добротность основного контура. Поэтому резисторы, даже если они схемой предусмотрены, сначала ставить не нужно. Если паразитные колебания все же возникают, то необходимо поискать другие пути их устранения, а если это не даст эффекта, то только тогда поставить антипаразитный резистор минимальной величины, начиная с нескольких Ом. Паразитное возбуждение на УКВ не только создает дополнительные каналы приема и паразитного излучения, но и нарушает стабильность основной генерации. Паразитный контур может иметь низкую добротность, паразитные колебания при этом имеют неустойчивую амплитуду. Режим автогенератора непрерывно меняется, вызывая изменения основной частоты и приводя в недоумение своих создателей.

Нестабильность частоты может быть вызвана так называемым "затягиванием". Если автогенератор плохо экранирован, то при передаче на контур воздействуют большие наводки, которые, складываясь с основными колебаниями, приводят в полный беспорядок фазу на входе транзистора. Соответственно начинает "гулять" частота генерации. Меры борьбы - экранирование. развязки по питанию и соблюдение диаграммы уровней, при которой амплитуда собственных колебаний во много раз превосходила бы амплитуду наводок.

Мне могут возразить, что многое из сказанного здесь нс так уж и важно. Ведь работают же трансиверы, у которых ГПД сделан вопреки многим высказанным здесь мыслям. Да, работают. Но как? Возьмите тот или иной ГПД, измените напряжение питания на 10% и посмотрите сдвиг частоты по частотомеру. Конечно, при реальной работе оно изменяется не на 10%, а гораздо меньше, но так удобнее для большей наглядности. Тогда вы увидите все свои промахи - какую нестабильность частоты дает покрытие катушки лаком, сколько дает распайка конденсаторов и варикапов на печатную плату и т.д.

Генератор с высокой электронной стабильностью частоты имеет соответственно и малые фазовые шумы. Это не относится, однако, к случаю, когда стабильность достигнута с помощью цифровой шкалы и ЦАПЧ, а не хорошей схемой самого ГПД.

Литература

1. Дробов С., Бычков С. Радиопередающее устройство. - М.: Советское радио,1969.
2. Зирюкин Ю. (EU3AS). ГПД трехдиапазонного трансивера. - Радиолюбитель. KB и УКВ, 1996, №7.

Автор: Г.Гончар (EW3LB), г.Барановичи; Публикация: Н. Большаков, rf.atnn.ru

Смотрите другие статьи раздела Узлы радиолюбительской техники. Генераторы, гетеродины.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Микропластик в атмосфере - скрытый ускоритель глобального потепления 31.05.2026

Микропластик уже давно признан одним из самых масштабных загрязнителей планеты. Он проникает в океаны, почву, организмы животных и даже в тело человека. Однако до недавнего времени мало кто задумывался о его влиянии на климатические процессы. Новое исследование показало, что микро- и нанопластик в атмосфере способен поглощать тепло, тем самым внося дополнительный вклад в глобальное потепление. Ученые обнаружили, что воздействие пластиковых частиц на климат зависит от их цвета. Светлые частицы отражают солнечный свет и способствуют некоторому охлаждению, в то время как более темные - активно поглощают тепло и излучение. Со временем пластик в атмосфере темнеет под воздействием ультрафиолета, что усиливает его согревающий эффект. Этот процесс напоминает пожелтение пластиковых парковочных талонов, оставленных на солнце. Соавтор исследования, заслуженный профессор наук о Земле в Университете Дьюка Дрю Шинделл отметил, что влияние микропластика на изменение климата пока относительно не ...>>

Универсальный бытовой робот-гуманоид GigaAI SeeLight S1 31.05.2026

Развитие робототехники постепенно переносит сложные машины из промышленных цехов прямо в повседневную жизнь людей. Китайская компания GigaAI сделала важный шаг в этом направлении, представив SeeLight S1 - первую в стране модель универсального бытового робота-гуманоида. Эта разработка призвана взять на себя рутинные домашние дела и стать настоящим помощником в повседневной жизни. Уже в конце текущего месяца сотня роботов SeeLight S1 начнет проходить испытания в специализированном жилом комплексе, предназначенном для работников высокотехнологичных отраслей. По словам генерального директора GigaAI Чжу Чжэна, в первой половине 2027 года роботы будут переданы для бесплатного тестирования обычным семьям в Ухане - столице провинции Хубэй. Такой подход позволит собрать реальные данные о работе устройства в домашних условиях. В демонстрационном видео робот, передвигающийся на колесах, уверенно справляется с множеством бытовых задач. Он нарезает овощи, жарит яйца, загружает стиральную маши ...>>

Вкусовые пристрастия формируются еще в утробе 30.05.2026

Предпочтения человека к еде закладываются задолго до первого прикорма. Современная наука подтверждает, что ребенок начинает знакомиться с ароматами и вкусами пищи еще до рождения, через околоплодные воды. Новое международное исследование показало, что регулярное потребление определенных продуктов беременной женщиной может формировать долгосрочные пищевые предпочтения у ребенка, сохраняющиеся даже спустя годы после появления на свет. Ученые из университетов Великобритании, Франции и Нидерландов провели эксперимент с участием беременных женщин. Одной группе будущих мам давали капсулы с порошком капусты кейл, другой - с порошком моркови. Реакцию детей на эти запахи проверяли в три этапа: сначала в утробе матери с помощью 4D-УЗИ на поздних сроках беременности, затем в возрасте трех месяцев и, наконец, когда детям исполнилось три года. Результаты оказались весьма убедительными. Дети женщин, принимавших порошок кейла, положительно реагировали на запах этой капусты, но негативно - на ар ...>>

Случайная новость из Архива Модернизация аккумуляторов с помощью белка кукурузы 28.04.2025 Одной из самых перспективных альтернатив традиционным литий-ионным аккумуляторам являются литий-серные батареи. Они обладают рядом значительных преимуществ: легче, дешевле и способны содержать больше энергии. Кроме того, в их конструкции не используются токсичные металлы, такие как кобальт или никель. Однако на пути к массовому применению литий-серных аккумуляторов стоит серьезная преграда - ограниченный срок службы. Основная проблема заключается в так называемом "шаттл-эффекте", когда сера проникает через электролит и разрушает структуру батареи, что сокращает ее эффективность. Недавние исследования, проведенные учеными, предложили решение этой проблемы с использованием кукурузного белка. В ходе эксперимента было установлено, что создание защитного барьера из этого белка в сочетании с гибким полимером значительно повышает работоспособность аккумуляторов. Такой подход позволил увеличить число рабочих циклов батарей до 500 без существенной потери заряда, что является значительным достижением. Кэти Чжун, автор исследования, подчеркнула, что разработанный метод является одновременно простым и эффективным для улучшения работы литий-серных батарей. Белок кукурузы, состоящий из аминокислот, взаимодействует с материалами батареи, что способствует лучшему движению литиевых ионов и снижает негативные последствия "шаттл-эффекта". Важно отметить, что для придания белку необходимой стабильности и эффективности, ученые использовали полимер, который разгладил его естественную сложную структуру. Джин Лю, соавтор работы, отметил, что кукурузный белок является природным, доступным и прочным материалом, идеально подходящим для использования в аккумуляторах. Он подчеркнул, что это открытие откроет новые горизонты для создания более долговечных и экологически чистых источников энергии. На текущий момент команда ученых планирует продолжить исследования и более детально изучить, как аминокислоты взаимодействуют с другими компонентами батарей. Одной из ключевых задач остается поиск оптимальной структуры белка, которая максимально эффективно борется с проблемами, такими как утечка серы и образование дендритов, что также способствует увеличению срока службы батарей. Это открытие может стать важным шагом в создании более устойчивых и экологичных аккумуляторов. Благодаря использованию кукурузного белка, который является доступным и дешевым материалом, литий-серные батареи смогут стать реальной альтернативой более дорогим и загрязняющим технологиям. В будущем мы, вероятно, увидим значительно улучшенные батареи, которые будут использоваться не только в мобильных устройствах, но и в других сферах, таких как электромобили и хранение энергии для возобновляемых источников.

Другие интересные новости:

▪ Очиститель воздуха Huawei Smart Life Air Purifier 1Pro

▪ NXP готовит ультракомпактный чип Wi-Fi

▪ LG запатентовала смартфон с тройной селфи-камерой

▪ Умный материал на основе кожи акул

▪ Глубокое размеренное дыхание помогает успокоиться

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Цифровая техника. Подборка статей

▪ статья Ты за большевиков аль за коммунистов? Крылатое выражение

▪ статья При производстве какого оружия погибло больше людей, чем от его применения? Подробный ответ

▪ статья Облицовщик деталей мебели, занятый прессованием в многоэтажных прессах. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья TDS-Метр - приставка к мультиметру. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Меднение гвоздей. Химический опыт

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026