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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Stabilizzazione della frequenza GPA. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Nodi di apparecchiature radioamatoriali. Generatori, eterodine Forse il nodo più responsabile del ricetrasmettitore è il VFO, che determina la stabilità della frequenza e le caratteristiche del rumore. Questo articolo è un tentativo di presentare in una forma popolare ciò che è magnificamente descritto nel libro di testo [1]. Allo stesso tempo, l'intero apparato matematico viene omesso per non spaventare i lettori impreparati con formule e diagrammi vettoriali. L'instabilità di frequenza degli auto-oscillatori ha molte ragioni. È condizionatamente possibile dividere tutte le cause di instabilità in due direzioni:
Il motivo più semplice della prima direzione è la fragilità meccanica della struttura. La prossima ragione ovvia per la stessa tendenza è l'instabilità della temperatura. Il riscaldamento delle parti dell'oscillatore provoca variazioni di induttanza e capacità. Ad esempio, il riscaldamento di una bobina avvolta con filo di rame su un telaio in ceramica provoca l'espansione del rame, un aumento della lunghezza del filo e un aumento del diametro dell'avvolgimento. Ciò comporta un aumento dell'induttanza e una diminuzione della frequenza. Lo stesso riscaldamento di una bobina avvolta su un telaio fluoroplastico provoca un aumento del diametro delle spire, ma a causa dell'eccessiva espansione lineare del fluoroplastico, la bobina si allunga in lunghezza tanto da coprire più che l'aumento di diametro e, di conseguenza, l'induttanza non aumenta, ma diminuisce e la frequenza aumenta. Per questo motivo il PTFE è del tutto inadatto per circuiti altamente stabili. La permeabilità magnetica della maggior parte dei materiali ferromagnetici aumenta quando viene riscaldata. Aumento con il riscaldamento e la capacità delle varici. Quando riscaldato, la capacità dei condensatori può aumentare o diminuire, a seconda dei materiali delle piastre e del dielettrico. A volte (purtroppo, non sempre) il valore del coefficiente di temperatura della capacità (TKE) è scritto sui condensatori, che mostra quante parti per milione cambia la capacità del condensatore quando viene riscaldato di 1 ° C. Il segno del cambiamento (meno o più) è indicato dalle lettere "M" o "P". La designazione M750 significa che quando riscaldata per ogni grado, la capacità diminuisce di 750x10-6. La designazione P33 indica un aumento del riscaldamento per ogni grado di 33x10-6. Se un condensatore con TKE M750 aveva una capacità di 1500 pF a una temperatura nominale, quando viene ulteriormente riscaldato di 20 ° C, la capacità diventerà pari a 1500-1500x750xl0-6x20 \u1500d 22,5-1477,5 \u500d 3,79 pF. Se l'oscillatore funzionasse, ad esempio, a una frequenza di XNUMX kHz e la sua frequenza fosse determinata solo da questo condensatore, la deviazione di frequenza sarebbe di XNUMX kHz, che è chiaramente molto. Il metodo radicale in questo caso è la termostatazione. Ma più semplice ed economico: la scelta di parti con le più piccole deviazioni di temperatura. La cosiddetta compensazione termica permette di ridurre l'instabilità della temperatura fino ad alcuni limiti, ma non la elimina del tutto. Ci sono due ragioni. In primo luogo, il circuito GPA è sintonizzabile e la percentuale di condensatori costanti e variabili cambia durante l'ottimizzazione. Pertanto, la compensazione ottenuta su una frequenza viene violata su un'altra frequenza. In secondo luogo, le variazioni di capacità e induttanze durante il riscaldamento si verificano secondo leggi diverse. Pertanto, la compensazione ottenuta con il riscaldamento di 10°C verrà violata se riscaldiamo il generatore di altri 10°C. Come parti per il GPA, possiamo consigliare bobine avvolte con filo argentato riscaldato durante l'avvolgimento su un telaio in ceramica nervata. I condensatori possono essere utilizzati KM5 (cinque strati, di piccole dimensioni) con TKE M47 o M75. Se i varicap vengono utilizzati per regolare il GPA, dovrebbero esserci ancora più condensatori TKE, perché. I TKE dei varicap sono positivi e, a seconda del bias (cioè della frequenza di sintonizzazione), variano da 70 ... 80x10'6 ad alte tensioni a 500x10 "6 a basse tensioni. Pertanto, è inaccettabile utilizzare varicap con una tensione di polarizzazione inferiore a 8 ... 9 V Se la capacità dei varicap è insufficiente per un dato circuito, utilizzare varicap con capacità elevate (ad esempio KB 105) o mettere due o tre varicap in parallelo. L'autore fa non è consigliabile utilizzare bobine d'argento bruciate. Sì, hanno una buona stabilità della temperatura, ma ... un fattore di bassa qualità e il fattore di qualità è più importante. Il motivo successivo che influenza la frequenza del circuito è l'instabilità delle capacità parassite degli elementi attivi che sono collegati al circuito e fungono da componenti della sua capacità. Durante il funzionamento, queste capacità parassite cambiano e allontanano direttamente la frequenza del circuito. Le derive di frequenza della temperatura precedentemente considerate si verificano lentamente, possono essere corrette su una scala digitale o compensate. L'influenza dell'instabilità delle capacità parassite si verifica rapidamente, molto spesso nel tempo con la modulazione, ed è accompagnata da caratteristiche distorsioni del segnale. Le capacità interelettrodi parassite nei transistor sono le solite capacità di barriera delle giunzioni pn, che vengono ricostruite quando la tensione applicata ad esse cambia. L'influenza delle capacità parassite può essere ridotta in una certa misura, ma non completamente eliminata. Per ridurre la loro influenza, è necessario garantire che la percentuale di capacità parassite nella capacità totale del circuito sia la più piccola possibile, in modo che sullo sfondo di una grande capacità totale del circuito, diversi picofarad di capacità parassite abbiano meno effetto. Ci sono, tuttavia, due limitazioni qui. Innanzitutto, troppa capacità con bassa induttanza porta a una diminuzione del fattore di qualità del circuito. In secondo luogo, una capacità costante troppo grande richiede un aumento proporzionale della capacità variabile, altrimenti i limiti di regolazione del loop non saranno rispettati. In ogni caso, è impossibile fare un GPA su quasi solo capacità parassite, come è stato fatto in [2], dove un varicap KVS1,8 con una bassa capacità è utilizzato nel circuito 7 ... 111 MHz. E per ottenere l'accordatura, l'autore ha applicato una grande induttanza e una piccola capacità costante. In questo caso, la capacità parassita di ingresso del transistor era il 20% (!!) della capacità totale del circuito. Le capacità parassite avrebbero scarso effetto sulla frequenza se le tensioni di alimentazione e la modalità operativa del generatore fossero idealmente stabili, il che è davvero irraggiungibile. Uno dei metodi che risolvono in una certa misura il problema è l'uso di cascate di disaccoppiamento tra il circuito GPA e l'elemento attivo. La Figura 1 mostra il circuito più semplice di un tre punti induttivo e la Figura 2 mostra tre punti con l'aggiunta di un inseguitore di sorgente di disaccoppiamento.
La differenza di tensione "tra il gate e la sorgente è 10 volte inferiore alla tensione di ingresso stessa. E se la differenza di tensione è piccola, la corrente alternata scorre 10 volte meno attraverso la capacità di ingresso del follower, che equivale a una diminuzione di capacità di ingresso di un fattore 10.
Ma non è tutto. Il ripetitore (Fig. 2) ha una profonda retroazione DC. Quando la tensione di alimentazione cambia, la corrente nel transistor cambia molte volte meno di quanto cambierebbe senza un resistore sorgente, ad es. le capacità parassite sono più stabili. Nel primo caso (Fig. 1), il transistor generatore prende corrente per creare una polarizzazione automatica dal circuito, degradandone il fattore di qualità. Nel secondo caso (Fig. 2), questa corrente viene prelevata dal follower e non influisce sul fattore qualità. A causa dell'elevato guadagno di potenza, la sorgente del transistor generatore è collegata a una parte più piccola delle spire del circuito (1/10 ... 1/20) e ha un effetto minore sul circuito. I migliori risultati si ottengono se si utilizza un FET di sinistra come follower, senza bias applicato al gate. Possiamo consigliare KP305I. I parametri del circuito devono essere scelti in modo tale che il ripetitore trasmetta l'ampiezza dell'oscillazione senza distorsioni o con una limitazione uniforme dall'alto e dal basso. Esiste un altro meccanismo di destabilizzazione della frequenza, che non è così ovvio. L'oscillatore funziona continuamente grazie al fatto che il suo circuito di alta qualità "squilla" e mantiene le oscillazioni. L'energia nel circuito viene reintegrata dagli shock solo in corrispondenza dei picchi di semionde positive al gate. Per un funzionamento stabile nel generatore, è necessario mantenere un equilibrio di ampiezze e un equilibrio di fasi. Il primo richiede che per ogni periodo di oscillazione nel circuito, l'energia venga reintegrata tanto quanto viene consumata dal circuito (per correnti di gate, perdite in condensatori e resistori, radiazione nello spazio circostante). Questo equilibrio è mantenuto dalla distorsione automatica. Non appena l'ampiezza dell'oscillazione diminuisce leggermente, anche la polarizzazione diminuisce, il transistor si apre un po' di più e le porzioni dell'energia di pompaggio aumentano. E viceversa. Il secondo richiede che gli impulsi di corrente di aumento entrino nel circuito rigorosamente in tempo con le oscillazioni esistenti, non prima e non dopo. Anche il bilanciamento delle fasi viene mantenuto automaticamente, ma questo processo è più difficile da capire. Per semplicità lo descriviamo nel caso di un auto-oscillatore basato su un triodo a vuoto. Quando la lampada viene aperta, un fascio di elettroni inizia a spostarsi dal catodo all'anodo. Non c'è corrente nel circuito dell'anodo in questo momento. L'impulso di corrente attraverserà il circuito dell'anodo solo dopo che il fascio di elettroni avrà raggiunto l'anodo. Durante questo tempo, generalmente trascurabile, la fase dell'oscillazione sul circuito cambierà e l'impulso di corrente di spinta rimarrà indietro rispetto all'impulso di tensione sulla rete. Questo ritardo è espresso in un angolo di fase di diversi gradi. Questo è il cosiddetto angolo di pendenza (da non confondere con la pendenza della caratteristica corrente-tensione!). L'angolo di pendenza, che mostra l'entità del ritardo del segnale, dipende dalla distanza tra gli elettrodi e dalla velocità degli elettroni, che, a sua volta, dipende dall'entità della tensione anodica. Quindi, gli impulsi entrano nel circuito in ritardo. Come si adatta il generatore a questo? Si scopre che non genera esattamente alla frequenza del circuito, ma appena al di sotto di questa frequenza. Se una corrente alternata scorre attraverso un circuito oscillatorio, allora la tensione sul circuito è esattamente in fase con la corrente in un caso: quando la corrente è esattamente in risonanza con la frequenza del circuito. In tutti gli altri casi, la tensione sul circuito è in anticipo o in ritardo rispetto alla corrente. Pertanto, l'oscillatore seleziona automaticamente una frequenza alla quale la tensione sul circuito è in anticipo rispetto agli impulsi di corrente di aumento esattamente della stessa quantità che la lampada ritarda. È noto che un circuito ad alto Q reagisce molto bruscamente alle deviazioni di frequenza. Una deviazione di frequenza molto piccola provoca grandi deviazioni di fase. Di conseguenza, per compensare il ritardo di fase nella lampada, il generatore deve solo allontanarsi leggermente dalla frequenza di risonanza del circuito. Se la tensione dell'anodo è cambiata, è cambiato anche il ritardo nella lampada. Il generatore passerà a un'altra frequenza, alla quale verrà nuovamente osservato il bilanciamento di fase. Lo spostamento di frequenza sarà trascurabile se il fattore di qualità del circuito è elevato. Con un circuito a basso Q, l'oscillatore deve cambiare molto di più la frequenza per compensare lo stesso ritardo. I ritardi di segnale esistono non solo nelle lampade, ma anche nei transistor e nei microcircuiti. Solo che lì la loro fisica non è così ovvia. Pertanto, modificando la modalità di funzionamento di una lampada o di un transistor, possiamo modificare la frequenza di generazione, utilizzata anche per la modulazione di frequenza. Ma cosa fare se non solo non possiamo, ma non vogliamo - e la frequenza "fluttua"! In primo luogo, se possibile, stabilizzare l'alimentazione e, in secondo luogo, utilizzare un circuito oscillatorio del più alto fattore di qualità possibile, per il quale la bobina è avvolta con un filo argentato sufficientemente spesso su un telaio scanalato in radioporcellana o polistirolo. Se il telaio non ha una tacca forzata, è necessario avvolgerlo con fili riscaldati da un trasformatore riduttore. Dopo il raffreddamento, il filo si restringe e si adatta perfettamente al telaio, fissando le spire. Rivestire la bobina per questo scopo con vernici, pitture, ecc. completamente inaccettabile. Se l'oscillatore funziona a frequenze superiori a 10 MHz, gli elementi del circuito non devono essere saldati al circuito stampato. Condensatori e varicap utilizzati nel circuito devono essere saldati direttamente alle estremità della bobina, senza fili di montaggio aggiuntivi. Se la frequenza di generazione è elevata e le capacità parassite del transistor costituiscono inevitabilmente una parte significativa della capacità del circuito, il transistor stesso deve essere saldato alla bobina mediante montaggio superficiale. In terzo luogo, è necessario utilizzare transistor con capacità parassite minime per GPA. Spesso, per prevenire l'autoeccitazione dell'oscillatore su VHF, vengono utilizzati resistori antiparassitari nel gate o nel circuito di base. Insieme allo smorzamento delle oscillazioni parassite, riducono il fattore di qualità del circuito principale. Pertanto, i resistori, anche se forniti dal circuito, non devono essere installati prima. Se si verificano ancora oscillazioni parassitarie, è necessario cercare altri modi per eliminarle e, se ciò non dà effetto, inserire solo una resistenza antiparassitaria del valore minimo, a partire da pochi ohm. L'eccitazione parassita su VHF non solo crea canali aggiuntivi per la ricezione e la radiazione parassita, ma interrompe anche la stabilità della generazione principale. Il circuito parassita può avere un fattore di bassa qualità, mentre le oscillazioni parassite hanno un'ampiezza instabile. La modalità dell'oscillatore cambia costantemente, causando cambiamenti nella frequenza fondamentale e lasciando perplessi i suoi creatori. L'instabilità di frequenza può essere causata dal cosiddetto "tiro". Se l'oscillatore è scarsamente schermato, durante la trasmissione, i grandi pickup influenzano il circuito, che, sommandosi alle oscillazioni principali, portano a un completo disordine della fase all'ingresso del transistor. Di conseguenza, la frequenza di generazione inizia a "camminare". Misure di controllo - screening. disaccoppiamento di potenza e rispetto del diagramma di livello, in cui l'ampiezza delle oscillazioni naturali sarebbe molte volte maggiore dell'ampiezza dei pickup. Mi si potrebbe obiettare che gran parte di ciò che è stato detto qui non è così importante. Dopotutto, i ricetrasmettitori funzionano, in cui il GPA è contrariamente a molti dei pensieri qui espressi. Sì, funzionano. Ma come? Prendi questo o quel GPA, modifica la tensione di alimentazione del 10% e osserva lo spostamento di frequenza sul frequenzimetro. Certo, nel lavoro reale non cambia del 10%, ma molto meno, ma questo è più conveniente per una maggiore chiarezza. Quindi vedrai tutti i tuoi errori: che tipo di instabilità di frequenza dà il rivestimento della bobina con vernice, quanto saldano condensatori e varicap su un circuito stampato, ecc. Un oscillatore con un'elevata stabilità di frequenza elettronica ha un rumore di fase corrispondentemente basso. Ciò non si applica, tuttavia, al caso in cui la stabilità sia raggiunta con una bilancia digitale e un CAFC, e non con una buona progettazione del VPA stesso. Letteratura
Autore: G. Gonchar (EW3LB), Baranovichi; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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