Гетеродин - основа приемника (прямого преобразования или супергетеродина). От его параметров зависит не только стабильность приема по частоте, но и способность "отгородиться" от помех (динамический диапазон приемника). И если достичь "цифровой" стабильности LC- генератору простыми способами не под силу, то по спектральной чистоте - вполне. Ведь каким бы не был синтезатор частоты - он не генератор, а именно синтезатор (я не имею в виду схемы с ФАПЧ), который составляет синусоиду из ступенек. И сколько бы их не было, это все равно не чистая синусоида. НО, использование ключевых смесителей не требует синусоиды, а требует меандр. Ну, а тут соперников у цифровых синтезаторов не найдется. Опять же, всякие удобства ...:).
Поэтому эту статью я пишу для любителей синуса, количество которых, судя по публикациям в интернете, пока не уменьшается.
Что такое генератор, в смысле ВЧ? Это устройство, которое превращает постоянный ток в переменный. А для этого нужен нелинейный усилитель ( транзистор, туннельный диод), частотозадающий элемент (колебательный контур, фильтр) и элемент, создающий положительную обратную связь. Примерно вот так:
Основным условием возникновения незатухающих колебаний является подача части выходного сигнал через систему положительной обратной связи (ПОС) на вход усилителя. Этой части долно быть достаточно быть достаточно для компенсации потерь в избирательной цепи. Кроме того, фаза колебаний на входе усилителя должна быть одинакова.
А нелинейность усилителя нужна для стабилизации амплитуды возникающих колебаний: по мере нарастания амплитуды колебаний начинает проявляться нелинейность вольт-амперной характеристики усилительного элемента (транзистора или электронной лампы)и усиление уменьшается. При этом замедляется нарастание амплитуды колебаний до тех пор, когда усиление уменьшится до уровня, при котором усилитель передает в нагрузку энергию, равную энергии потерь.
Вот как это выглядит при моделировании в LTspice.
Еще одним важным фактором является полоса пропускания фильтра: чем она уже, тем чище полученные колебания. Перенося это на колебательный контур, получаем необходимость иметь как можно более высокую добротность контура.
Теперь перейдем к практике. Во-первых об организации ПОС. Рассмотрим фазы колебаний в транзисторном усилительном каскаде.
Видим, что сигнал на коллекторе транзистора противофазен сигналу на базе (сдвиг фазы 180 гр.). Если часть сигнала с коллектора транзистора подать на его базу, то он начнет гасить его - создается отрицательная обратная связь (ООС), коэффициент усиления каскада снижается и колебания не возникнут.
А вот на эмиттере сигнал синфазен с сигналом на базе, и если часть его подать на базу, то создается положительная обратная связь и коэффициент усиления каскада возрастет и при наличии в цепи ПОС фильтра - возникнут гармонические колебания.
К стати, все то же самое можно сделать если взять полевой транзистор или ламповый триод. Поэтому схемы транзисторных генераторов в большинстве повторяют схемы ламповых. Давайте рассмотрим простейшие схемы трехточек.
Красным выделены те самые три точки в обоих генераторах. Точка А соединена по переменному току с базой транзистора, точка В с эмиттером, а точка С ..... с коллектором (по переменному току через блокирующие резисторы С3 в схеме А и С5 в схеме Б).
В обоих схемах в качестве фильтра в цепи ПОС используются параллельные колебательные контуры L1C1, которые подключены к базам транзисторов через конденсаторы небольшой емкости С2. Сигнал ПОС из цепи эмиттера транзистора подается или в отвод катушки колебательного контура, и оттуда на базу транзистора (рис. 4А), или на емкостной делитель С3,С4 (рис. 4Б), а через него - на базу транзистора и в колебательный контур. Резистор R1 устанавливает ток транзистора, а резистор R2 в схеме Б осуществляет отрицательную обратную связь по постоянному и переменному току (да, с его верхнего вывода снимается сигнал ПОС, а он также осуществляет ООС).
А где же у этих генераторов выход, откуда снимать сигнал? А вот тут есть две возможности: можно с эмиттера транзистора, а можно - с колебательного контура.
В большинстве схем гетеродинов по схеме трехточки сигнал снимают именно с эмиттера транзистора. Да, этот способ позволяет снять сигнал с точки, где сопротивление переменному току невелико и даже может составлять заветные 50 Ом.
И ведь такие схемы работают и в трансиверах, и в приемниках. Я сам много раз ими пользовался. Но вот когда начал разбираться.... Давайте смоделируем емкостную трехточку в LTspice:
В контуре, как и должно быть, идеальная синусоида, а вот на эмиттере ..... Может это режим виноват? Пробовал по-разному, но синусоиду все-таки сумел получить. Для этого конденсатор С2 уменьшил до 20 пФ, а индуктивность L2 - до 0,06 мкГн.
Идеальная картина, но это получается буквально на пороге генерации, обратите внимание на амплитуду сигналов - микровольты!
И еще одна легенда, как мне кажется, этой схемы. Во многих источниках пишут, что температурная стабильность этой схемы страдает от того, что постоянный ток из эмиттера транзистора проходит по части витков катушки и разогревает ее. Это какой же должен быть ток, и каким проводом намотана катушка - 0,07 мм? А если катушка имеет 10 витков провода диаметром 1 мм, и отвод от 1/10 витков? Это какое сопротивление имеет один виток? Ну допустим, 1 мОм. А ток через него 5 мА (как в схеме рис.7). Давайте посчитаем, какая мощность будет греть катушку:
P = U x I; U = I x R; P = I x I x R = 0.005 x 0.005 x 0.001. Итого 25 нановатт. Даже если сопротивление витка будет 10 Ом (!!!), то мощность будет 250 мкВт. Так что, по-моему, разогрев катушки - это миф.
Другое дело, это стабильность по питанию: в емкостной трехточке в цепи эмиттера есть резистор, осуществляющий ООС по постоянному току, а в индуктивной - нет. Но "нет" - это совсем "не может быть". Еще как может.
Теперь все, как и у емкостной трехточки - резистор R2 создает ООС по постоянному току, а С4 убирает ООС по переменному току, так как его сопротивление токам ВЧ очень мало.
А как дело с формой сигнала на эмиттере транзистора в схеме емкостной трехточки? Да, намного лучше, чем у индуктивной, но не идеально.
И только буквально на пороге возникновения колебаний, также, как и у индуктивной трехточки, все становится идеально.
Напряжение сигнала при этом на порядок больше, чем у емкостной трехточки.
И какой же вывод? А очень простой: если вы хотите на выходе ГПД имет близкий к синусу сигнал, то снимать его нужно только с колебательного контура. Для этого можно или использовать катушку связи или, что лучше, эмиттерный повторитель, подключенный к контуру через конденсатор малой емкости.
На выходе - амплитуда около 1,5 В, которую можно легко изменять, меняя емкость конденсатора С5. И обратите внимание на емкость конденсатора связи С3 - всего 0,05 пФ, т.е. это может быть не конденсатор, а всего лишь "антенна" - кусочек провода от базы транзистора эмиттерного повторителя, проходящего около катушки. А если взять не биполярный, а полевой транзистор, то и емкость будет еще меньше. А ведь была еще в 90-х схема высокостабильного ГПД, в котором в качестве истокового повторителя использовался КП903 с антенной вдоль катушки генератора!
Но это теория, а вот практика что покажет. Посмотрим.
Всем здоровья и успехов!