Мабуть, самим відповідальним вузлом в трансивері є ЦПД, який визначає стабільність частоти і шумові характеристики. Дана стаття є спробою в популярній формі викласти те, що чудово описано в підручнику [1].
При цьому весь математичний апарат опущений, щоб не лякати непідготовлених читачів формулами і векторними діаграмами.
Нестабільність частоти автогенераторів має багато причин. Умовно можна поділити всі причини нестабільності на два напрямки:
- причини, які впливають на частоту настройки задаючого контуру;
- причини, які впливають на частоту з-за зміни режиму активного елемента.
Найпростішою причиною першого напряму є механічна неміцність конструкції. Наступна очевидна причина того ж напряму - температурна нестабільність. Нагрів деталей автогенератора викликає зміни індуктивності і ємності. Наприклад нагрівання котушки, намотаною мідним дротом на керамічному каркасі, викликає розширення міді, збільшення довжини дроту, збільшення діаметру намотки. Це тягне за собою збільшення індуктивності та зниження частоти. Такий же нагрівання котушки, намотаної на фторопластовом каркасі, викликає збільшення діаметра витків, але із-за надмірно великого лінійного розширення фторопласту котушка розтягується в довжину настільки сильно, що з лишком перекриває збільшення діаметру, і в підсумку індуктивність не збільшується, а зменшується, і частота підвищується. З цієї причини фторопласт абсолютно непридатний для високостабільних контурів.
Магнітна проникність більшості феромагнітних матеріалів при нагріванні збільшується. Збільшуються при нагріванні і ємності варикапів. Ємність конденсаторів при нагріванні може як збільшуватися, так і зменшуватися в залежності від матеріалів обкладок і діелектрика. Іноді (на жаль, не завжди) на конденсаторах пишуть величину температурного коефіцієнта ємності (ТКЕ), який показує, на скільки мільйонних часток змінюється ємність конденсатора при його нагріванні на 1°С. Знак зміни (мінус або плюс) позначається літерами "М" або "П". Позначення М750 означає, що при нагріванні на кожен градус ємність зменшується на 750х10-6. Позначення П33 означає збільшення при нагріванні на кожен градус на 33х10-6. Якщо конденсатор з ТКЕ М750 мав при номінальній температурі ємність 1500 пФ, то при його додатковому нагріванні на 20°С ємність стане рівною 1500-1500x750xl0-6x20 =1500-22,5=1477,5 пФ. Якщо автогенератор працював наприклад на частоті 500 кГци його частота визначалася тільки цим конденсатором, то відхилення частоти при цьому складе 3,79 кГц, що явно багато.
Радикальним методом у цьому випадку є термостатування. Але більш простим і дешевим - вибір деталей з найменшими температурними відхиленнями. Так звана термокомпенсация дозволяє зменшити до деяких меж температурну нестабільність, але не дозволяє усунути її повністю. Тут дві причини. По-перше, контур ГПД є перестраиваемым, і процентне співвідношення постійних і змінних конденсаторів при перебудові змінюється. Тому компенсація, досягнута на одній частоті, на іншій частоті порушується. По-друге, зміни ємностей і індуктивностей при нагріванні відбуваються за різними законами. Тому компенсація, досягнута при нагріванні на 10°С, порушиться, якщо ми нагріємо генератор ще на 10°С.
В якості деталей для ГПД можна рекомендувати котушки, намотані нагрітим при намотуванні посрібленим проводом на ребристому керамічному каркасі. Конденсатори можна використовувати КМ5 (п'ятишарові, малогабаритні) з ТКЕ М47 або М75. Якщо для налаштування ЦПД застосовуються варикапы, то ТКЕ конденсаторів повинен бути ще більше, т. к. ТКЕ варикапів позитивні і залежно від зсуву (тобто від частоти настроювання) змінюються від 70…80х10'6 при великих напругах до 500х10"6 при малих. Тому неприпустимо використовувати варикапы при напрузі зміщення менше 8…9 В. Якщо ємності варикапів недостатньо для даного контуру, необхідно або використовувати варикапы з великими ємностями (наприклад KB 105), або ставити по два-три варикапа в паралель. Автор не рекомендує використовувати котушки з вожженным сріблом. Так, вони мають гарну температурну стабільність, але… невисоку добротність. А добротність важливіше.
Наступною причиною, що впливає на частоту контуру, є нестабільність паразитних ємностей активних елементів, які підключаються до контура і служать складовими частинами його ємності. Під час роботи ці паразитні ємності змінюються, і безпосередньо ведуть частоту контуру. Розглядалися раніше температурні відходи частоти відбуваються повільно, їх можна подкорректи-ками за цифровою шкалою або компенсувати. Вплив же нестабільності паразитних ємностей відбувається швидко, найчастіше в такт з модуляцією, і супроводжується характерними спотвореннями сигналу. Паразитні міжелектродні ємності в транзисторах являють собою звичайні бар'єрні ємності p-n переходів, перестраивающиеся при зміні прикладеного до них напруги. Вплив паразитних ємностей можна в тій чи іншій мірі зменшити, але не усунути зовсім.
Для зменшення їх впливу треба домагатися, щоб процентний вміст паразитних ємностей в загальній ємності контуру було по можливості меншим, щоб на тлі великої загальної ємності контуру кілька пікофарад паразитних ємностей мали менший вплив. Тут, правда, існують два обмеження. По-перше, занадто велика ємність при малій індуктивності веде до зниження добротності контуру. По-друге, занадто велика постійна ємність вимагає пропорційного збільшення змінної ємності, інакше не будуть забезпечуватися межі перебудови контуру. У будь-якому разі не можна робити ЦПД на майже одних тільки паразитних ємностях, як це зроблено в [2], де в контурі на 1,8…7 МГц застосований ва-рикап КВС111 з малою ємністю. І щоб отримати перебудову, автор застосував велику індуктивність і маленьку постійну ємність. При цьому паразитна вхідна ємність транзистора склала 20%(!!) від загальної ємності контуру. Паразитні ємності мало впливали б на частоту, якби напруги живлення і режим роботи генератора були ідеально стабільними, що реально недосяжно.
Одним з методів, що вирішують у тій чи іншій мірі проблему, є застосування развязывающих каскадів між контуром ГПД і активним елементом. На рис.1 наведена найпростіша схема індуктивного трехточкі, а на рис.2 - трехточкі з додаванням розв'язує истокового повторювача.
Рис.1
Різниця напруги між затвором і витоком в 10 разів менше, ніж сама вхідна напруга. А якщо різниця напруг мала, то через вхідну ємність повторювача тече змінний струм в 10 разів менше, що еквівалентно зменшенню в 10 разів вхідний ємності.
Але це ще не все. Повторювач (рис.2) має глибоку ООС по постійному струму. Коли напруга живлення змінюється, струм в транзисторі змінюється у багато разів менше, ніж він змінювався б без истокового резистора, тобто паразитні ємності більш стабільні.
У першому випадку (рис.1) генерує транзистор бере струм для створення автоматичного зміщення контуру, погіршуючи його добротність. У другому випадку (рис.2) цей струм береться з повторювача і на добротності не позначається. З-за великого підсилення по потужності істок генеруючого транзистора підключений до меншої частини витків контуру (1/10…1/20) і менше впливає на контур. Кращі результати виходять, якщо в якості повторювача використовується польовий транзистор з лівої характеристикою, без подачі на затвор зміщення. Можна рекомендувати КП305И. Параметри схеми повинні вибиратися так, щоб повторювач передавав амплітуду коливань або без спотворень, або з рівномірним обмеженням зверху і знизу. Є ще один механізм дестабілізації частоти, не настільки очевидний. Автогенератор працює безперервно за рахунок того, що його высокодобротный контур "дзвенить" і підтримує коливання. Енергія ж в контурі поповнюється поштовхами тільки при піках позитивних напівхвиль на затворі. Для стабільної роботи в генераторі необхідно підтримувати баланс баланс амплітуд і фаз. Перше вимагає, щоб за кожен період коливання в контурі поповнювалося стільки енергії, скільки її з контуру витрачається (на затворні струми, втрати в конденсаторах і резисторах, випромінювання в навколишній простір). Цей баланс підтримується за рахунок автоматичного зміщення. Як тільки амплітуда коливань трохи зменшується, зменшується і зміщення, транзистор відкривається трохи більше, і порції підкачувальної енергії зростають. І навпаки.
Друге вимагає, щоб підкачуючі імпульси струму приходили в контур строго в такт з існуючими коливаннями - не раніше і не пізніше. Баланс фаз теж підтримується автоматично, але зрозуміти цей процес складніший. Для простоти опишемо його в разі автогенератора на вакуумному тріоді. При відкриванні лампи пачка електронів починає рухатися від катода до анода. Струму в анодному ланцюзі в цей час немає. Імпульс струму піде анодному ланцюзі тільки після того, як пачка електронів досягне анода. За це, загалом-то, нікчемне час фаза коливання на контурі зміниться, і підштовхує імпульс струму буде відставати від імпульсу напруги на сітці. Це відставання виражається у фазовому куті в кілька градусів. Це так званий кут крутизни (не плутати з крутизною вольт-амперної характеристики!). Кут крутизни, що показує величину запізнювання сигналу, що залежить від відстані між електродами і швидкості руху електронів, яка, в свою чергу, залежить від величини анодної напруги.
Отже, імпульси потрапляють в контур із запізненням. Як же генератор пристосовується до цього? Виявляється, він генерує не точно на частоті контуру, а трохи нижче цієї частоти.
Якщо через коливальний контур протікає змінний струм, то напруга на контурі точно збігається за фазою із струмом в одному випадку: коли струм знаходиться точно в резонанс з частотою контура. У всіх інших випадках напруга на контурі або випереджає струм, або відстає від нього. Так от, автогенератор автоматично вибирає таку частоту, при якій напруга на контурі випереджає підкачуючі імпульси струму точно на таку величину, яку потім затримує лампа. Відомо, що высокодобротный контур дуже різко реагує на відхилення частоти. Дуже мале відхилення частоти викликає великі відхилення фази. Відповідно, щоб компенсувати затримку фази в лампі, генератору достатньо лише трохи відійти від резонансної частоти контуру. Якщо анодна напруга змінилося, змінилася і затримка в лампі. Генератор перейде на іншу частоту, при якій знову дотримувався б баланс фаз. Зсув частоти буде незначним, якщо добротність контуру висока. При низкодобротном контурі генератора для компенсації такої ж затримки треба змінити частоту значно сильніше.
Затримки сигналу існують не тільки в лампах, але і в транзисторах, і в мікросхемах. Тільки там їх фізика не настільки очевидна. Таким чином, змінюючи режим роботи лампи або транзистора, ми можемо змінювати частоту генерації, це навіть використовується для частотної модуляції. Але що робити, якщо не тільки не можемо, але не хочемо - а частота "плаває"! По-перше, слід по можливості стабілізувати харчування, а по-друге, використовувати коливальний контур максимально можливої добротності, для чого котушку мотати досить товстим посрібленим проводом на ребристому каркасі з радиофарфора або полістиролу. Якщо каркас не має примусової насічки, то мотати треба обов'язково з підігрівом дроти від понижуючого трансформатора. Після охолодження провід дає усадку і щільно облягає каркас, фіксуючи витки.
Покриття котушки з цією метою лаками, фарбами, і т. п. абсолютно неприпустимо. Якщо автогенератор працює на частотах вище 10 МГц, то елементи контуру не слідує паяти в друковану плату. Застосовуються в контурі конденсатори і варикапы слід паяти безпосередньо на кінці котушки, без додаткових монтажних проводів. Якщо частота генерації висока - і паразитні ємності транзистора неминуче складають значну частину ємності контуру, то і сам транзистор треба паяти на котушку навісним монтажем. По-третє, необхідно використовувати для ЦПД транзистори з мінімальними паразитними ємностями. Часто для запобігання самозбудження автогенератора на УКХ застосовують антипаразитные резистори в ланцюзі затвора або бази. Поряд з демпфіруванням паразитних коливань, вони знижують добротність основного контуру. Тому резистори, навіть якщо вони передбачені схемою, спочатку ставити не потрібно. Якщо паразитні коливання все ж таки виникають, то необхідно пошукати інші шляхи їх усунення, а якщо це не дасть ефекту, то тільки тоді поставити антипаразитный резистор мінімальної величини, починаючи з декількох Ом. Паразитне збудження на УКХ не тільки створює додаткові канали прийому та паразитного випромінювання, але і порушує стабільність основний генерації. Паразитний контур може мати низьку добротність, паразитні коливання при цьому мають нестійку амплітуду. Режим автогенератора безперервно змінюється, викликаючи зміни основної частоти і приводячи в здивування своїх творців.
Нестабільність частоти може бути викликана так званими "затягуванням". Якщо автогенератор погано екранований, то при передачі на контур впливають великі наведення, які, складаючись з основними коливаннями, приводять в повний безлад фазу на вході транзистора. Відповідно починає "гуляти" частота генерації. Заходи боротьби - екранування. розв'язки з харчування та дотримання діаграми рівнів, при якій амплітуда власних коливань у багато разів перевершувала б амплітуду наведень.
Мені можуть заперечити, що багато що зі сказаного тут нс так вже й важливо. Адже працюють же трансивери, у яких ЦПД зроблено всупереч багатьом висловлених тут думок. Так, працюють. Але як? Візьміть той чи інший ЦПД, змініть напруга живлення на 10% і подивіться зсув частоти за частотомеру. Звичайно, при реальній роботі воно змінюється не на 10%, а значно менше, але так зручніше для більшої наочності. Тоді ви побачите всі свої промахи - яку нестабільність частоти дає покриття котушки лаком, скільки дає розпаювання конденсаторів і варикапів на друковану плату і т. д.
Генератор з високою електронною стабільністю частоти має відповідно і малі фазові шуми. Це не відноситься, однак, до випадку, коли стабільність досягнута за допомогою цифрової шкали і ЦАПЧ, а не доброю схемою самого ЦПД.
Література
Автор: Р. Гончар (EW3LB), р. Барановичі; Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru