Цифровая и вычислительная техника
Микропроцессоры и цифровая обработка сигналов
Устройства приема и обработки радиосигналов в системах подвижной радиосвязи
Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной связи
Осцилляторные схемы гетеродинов
Генератор может быть построен на любом усилительном элементе, охваченном положительной обратной связью. Обобщенная схема генератора незатухающих колебаний приведена на рис. 1.
Рисунок 1. Обобщенная схема генератора
Для самовозбуждения колебаний в такой схеме необходимо выполнить два условия:
- Баланс амплитуд.
- Баланс фаз.
Баланс амплитуд выполняется, если произведение коэффициента усиления усилителя K и коэффициента передачи цепи обратной связи
будет больше единицы:
Баланс фаз выполняется, если сумма фазового сдвига усилителя 
и фазового сдвига цепи обратной связи
будет
равна нулю или кратна 360°:
где n — целое число
В качестве усилительного элемента можно использовать любой активный элемент, обладающий усилением. В случае проектирования гетеродина удобнее всего применять транзистор. Известно, что для построения генератора на транзисторах применяются схемы индуктивных и емкостных трехточек, получившие общее название осцилляторные схемы. В настоящее время схема индуктивной трехточки практически не применяется. Это обусловлено высокой стоимостью индуктивностей.
Емкостные трехточки тоже имеют три варианта включения колебательного контура. Эти варианты в англоязычной литературе имеют свои названия. Их схемы приведены на рисунках 2 … 4.
Рисунок 2. Схема Пирса
Рисунок 3. Схема Клаппа
Рисунок 4. Схема Колпитца
Любую из этих схем можно использовать для построения схемы гетеродина. На рисунке 5 для примера приведена схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе.
Рисунок 5. Схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе
В этой схеме усилительный элемент (транзистор VT1) включен в схему контура L1 C1 C2, резонансная частота которого и задаёт частоту генерации схемы. Глубина обратной связи задаётся соотношением ёмкостей C2 и C3 контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте самовозбуждения. Настройка гетеродина на требуемую частоту производится при помощи постоянного напряжения, поступающего на варикап VD1.
Развязывающий конденсатор C3 не дает индуктивности L1 закоротить базу транзистора VT1 на корпус схемы по постоянному току, поэтому цепи стабилизации тока транзистора по постоянному току можно рассматривать независимо.
В данной схеме применена схема эмиттерной стабилизации. Как известно, в эмиттерной стабилизации ток через резисторный делитель напряжения R1, R2 выбирается больше тока базы транзистора VT1 (как минимум в пять раз). В этом случае напряжение на базе транзистора не будет зависеть от температуры. При увеличении коллекторного, а, значит, и эмиттерного, тока транзистора VT1 (например, из-за увеличения температуры) увеличивается падение напряжения на резисторе R3. Это приводит к уменьшению напряжения Uкэ, т.к. по закону Киргофа напряжение на базе может быть описано следующим образом:
откуда можно выразить напряжение Uкэ:
Уменьшение напряжения Uкэ приводит к уменьшению тока базы транзистора и в конечном итоге к стабилизации тока покоя транзистора VT1.
Варикап VD1 в этой схеме предназначен для перестройки гетеродина в заданном диапазоне частот. Конденсатор C1 не позволяет индуктивности L1 замкнуть напряжение настройки гетеродина на корпус и, кроме того, может быть использован для уменьшения диапазона перестройки частот гетеродина.
В качестве еще одного примера принципиальной схемы гетеродина, на рисунке 6 приведена схема Клаппа, выполненная на биполярном транзисторе
Рисунок 6. Схема Клаппа, выполненная на биполярном транзисторе
В этой схеме, как и в схеме, приведенной на рисунке 5, применена схема эмиттерной стабилизации по постоянному току. В ней базовый делитель напряжения собран на резисторах R2 и R3, а эмиттерный резистор — это R1. В остальном схема включения транзистора по постоянному току не отличается от схемы включения транзистора, приведенной на рисунке 5.
В схеме гетеродина, приведенной на рисунке 6, транзистор включен по схеме с общей базой. Как и в схеме включения транзистора с общим коллектором, она не инвертирует входной сигнал, поэтому для самовозбуждения колебаний достаточно подать на вход часть энергии колебаний из выходного контура. Частотно-задающий параллельный контур в данной схеме составляют элементы L1, C1, C2. Глубина обратной связи определяется соотношением емкостей конденсаторов C1 и C2. Развязывающий конденсатор большой емкости C4 обеспечивает заземление верхнего по схеме конца индуктивности L1. Конденсатор C3 обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току.
Для гетеродинов очень важно обеспечить стабильность генерируемой частоты. В этом случае воздействие мощной помехи, действующей на выход генератора, может привести к захвату его частоты или к паразитной частотной модуляции помехой. Именно поэтому очень важно обеспечить минимальное влияние нагрузки на частоту генерируемого колебания.
Развязку выходной и входной цепи обычно выполняют при помощи усилителя на транзисторе или интегральной микросхеме. Заодно и энергии от генератора можно забирать поменьше, что уменьшит вносимые потери в частотозадающий контур и, в конечном итоге, повысит стабильность частоты гетеродина.
В качестве развязывающего устройства может подойти любой усилитель, однако чаще всего применяется транзисторный усилитель с общим коллектором (эмитерный повторитель). Подобная схема гетеродина с развязкой от смесителя при помощи эмитерного повторителя с гальванической связью между каскадами приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Гетеродин с развязкой от нагрузки при помощи эмитерного повторителя
В настоящее время в качестве буферного усилителя применяются интегральные микросхемы, позволяющие получить нормированное усиление и развязку входа микросхемы от ее выхода во всем диапазоне рабочих частот. В качестве примера можно назвать буферизирующую микросхему MAX2470 фирмы MAXIM. Благодаря своим малым размерам эта микросхема занимает площадь, меньшую, чем схема, собранная на отдельных элементах.
Существуют микросхемы, в которых для реализации гетеродина достаточно подключить только внешнюю индуктивность. В качестве подобной микросхемы можно назвать микросхему MAX2605. Тем не менее, для получения качественных характеристик очень важна конструкция гетеродина и ряд фирм, таких как Mini-Circuits или Sirenza microdevices, выпускают готовые модули гетеродинов, предназначенные для работы в определенном диапазоне частот.
Рисунок 8. Схема гетеродина, реализованная на специализированной микросхеме MAX2620
На стабильность частоты гетеродина оказывает большое влияние стабильность и шумовые параметры источника питания, поэтому при реализации гетеродинов большое внимание уделяется схемам питания гетеродинов.Литература:
- "Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса - М.: "Высшая школа" 1976 стр. 339 - 353
- Микросхемы генераторов фирмы MAXIM
- http://www.synergymwave.com
