Модуляторы на варикапах

Используют автотрансформаторную или емкостную связь модулятора с контуром автогенератора. Приводимые ниже формулы справедливы при следующих условиях:

а) динамическая составляющая емкости модулятора, пересчитанная в контур автогенератора, гораздо меньше контурной емкости автогенератора ; что соответствует относительно малой девиации частоты ЧМ-генератора ;

б) переход закрыт, т.е. сумма амплитуд модулирующего и высокочастотного напряжений, приложенных р-п- переходу, не превышает напряжения смещения на переходе ;

в) амплитуда модулирующего напряжения значительно меньше напряжения смещения на варикапе U_MO= (рис. 4.4), что соответствует условию получения малых нелинейных искажений,

;

г) частота модулирующего сигнала значительно меньше генерируемой частоты .

На рис. 4.4 показаны временные диаграммы постоянного U_MO= , модулирующего и высокочастотного напряжений, приложенных к варикапу.

Рис. 4.4. Вольт-фарадная и вольт-амперная характеристики варикапа и действующие на нем напряжения

 

· Амплитуда изменения емкости модулятора

.

· Резонансное сопротивление колебательного контура автогенератора при подключенном варикапе

,

где – резонансное сопротивление контура без варикапа;

– эквивалентное сопротивление варикапа, пересчитанное к контуру автогенератора.

Схема с емкостной связью частотного модулятора с контуром автогенератора показана на рис. 4.5.

· Емкость модулятора (варикапа), пересчитанная в контур автогенератора, равна

,

где – статическая емкость модулятора при смещении ;

Рис. 4.5. Емкостная связь частотного модулятора

с контуром автогенератора

 

– коэффициент включения модулятора;

– амплитуда изменения емкости модулятора.

· Крутизна модуляционной характеристики

.

· Коэффициенты нелинейных искажений по второй и третьей гармоникам сигнала при

; .

Два последних расчетных соотношения удобно использовать при экспериментальном определении коэффициента .

Так как варикапы являются элементами колебательной системы автогенератора, они, кроме полезного изменения частоты колебаний, вносят определенный вклад в температурную нестабильность частоты автогенератора и вызывают появление паразитной амплитудной модуляции (ПАМ), которая в этом случае наиболее опасна, так как непосредственно преобразуется в паразитную частотную модуляцию за счет сильного влияния амплитуды колебаний на частоту. Кроме того, нелинейная зависимость барьерной емкости варикапа от модулирующего напряжения приводит к появлению гармоник частот модуляции, т.е. нелинейных искажений.

Рассмотрим эти процессы подробнее. При подаче на варикап управляющего напряжения происходит изменение емкости варикапа и, соответственно, резонансной частоты контура с варикапом и частоты автоколебаний. Изменение резонансной частоты контура с варикапом неизбежно сопровождается изменением характеристического сопротивления контура и добротности варикапа , что приводит к изменениям резонансного сопротивления контура и, соответственно, к изменению амплитуды колебаний автогенератора т.е. ПАМ. Изменение амплитуды колебаний в свою очередь приводит к сдвигу частоты автогенератора, т.е. к паразитной частотной модуляции, которая проявляется как нелинейные искажения при ЧМ. Физически понижение частоты колебаний АГ с варикапом при увеличении амплитуды высокочастотного напряжения можно объяснить тем, что приращение средней емкости варикапа, вызываемое «отпирающей» полуволной , преобладает над уменьшением, вызванным «запирающей» полуволной (рис.4.4). Глубина ПАМ автогенератора сильно зависит от напряженности режима работы. При перенапряженном режиме ПАМ невелика, однако, нестабильность средней частоты колебаний сказывается больше. Поэтому стабильные АГ обычно работают в недонапряженном режиме. При этом частота колебаний АГ наиболее близка к собственной резонансной частоте его колебательной системы.

Одним из способов уменьшения влияния амплитуды на частоту автоколебаний является использование частотного модулятора на встречновключенных варикапах. Схема подключения такого модулятора показана на рис. 4.6. По высокой частоте варикапы включены последовательно, но напряжение высокой частоты приложено к вершинам VD1 и VD2 противофазно. В результате токи четных гармоник, возникающие за счет нелинейных свойств емкостей диодов, имеют разность фаз 180°. В идеальном случае полной симметрии схемы токи четных гармоник полностью компенсируют друг друга. Сравнительно слабое влияние амплитуды колебаний на частоту АГ в схеме рис. 4.6 можно также объяснить

Рис. 4.6. Частотный модулятор со встречновключенными варикапами

уменьшением в 2 раза амплитуды напряжения на каждом варикапе. По модулирующему напряжению варикапы в схеме включены параллельно. Поэтому эта схема не уменьшает уровня нелинейных искажений при модуляции, обусловленных сдвигом центральной части АГ под воздействием модулирующего напряжения, т.е. нелинейностью статической модуляционной характеристики (СМХ) управляемого по частоте автогенератора. Уменьшение коэффициента нелинейных искажений в принципе возможно, например, при использовании специальных корректоров модулирующего сигнала для внесения в него предыскажений, компенсирующих нелинейность СМХ.

 

4.2. Описание лабораторного стенда РПУ -1

Структурная схема стенда приведена на рис.4.7. Он состоит из стойки с источниками питания и измерительными приборами и сменного блока с исследуемым автогенератором и модуляторами, размещенными в правом отсеке блока. Модулятор с одним варикапом М1 может иметь три коэффициента включения в контур АГ (р=0, 6; 0, 4 и 0, 3), что соответствует положениям переключателя П1 – 1, 2 и 3. Модулятор М2 на встречновключенных варикапах имеет один коэффициент включения р=0, 4 (П1-4), такой же как для модулятора М1 в положении 2. В положении 5 к контуру подключена постоянная емкость, т.е. автогенератор не управляется по частоте.

На передней панели стойки размещены стрелочные измерительные приборы (см.рис. 4.8):

прибор №1 показывает величину амплитуды напряжения на контуре АГ. Вся шкала прибора соответствует 10 В;

прибор №2 показывает напряжение смещения на варикапе. Вся шкала прибора соответствует 10 В;

прибор №3 показывает величину амплитуды напряжения на варикапе. Вся шкала прибора соответствует 5 В;

прибор №5 показывает знак и величину постоянного тока, протекающего через модулятор (варикап). Вся шкала прибора соответствует мкА.

Показания приборов №1 и №3 позволяют экспериментально определить коэффициент включения модулятора в контур АГ . С помощью прибора №5 можно определить значение для варикапа, используемого в установке. При достижении этого напряжения обратный ток варикапа резко увеличивается (см. рис. 4.4).

Рис. 4.7. Структурная схема лабораторного стенда

Измерение частоты производится цифровым частотомером Ч3-33, Ч3-67 или другого типа. Звуковой генератор (ЗГ) типа Г3-33 используется для подачи гармонического модулирующего напряжения на варикапы. Оценка коэффициента ПАМ и наблюдение осциллограмм колебаний осуществляется с помощью осциллографа С1-55, С1-83 или другого типа.

Принципиальная схема стенда приведена на рис.4.8. Автогенератор собран по схеме Клаппа с заземленной базой. Частота автоколебаний выбрана близкой к 1 МГц.

Модулятор М2 со встречновключенными диодами выполнен на двух парах диодов того же типа, что использованы в модуляторе М1. В такой схеме средняя емкость модулятора М2 близка к средней емкости модулятора М1. Амплитуда колебаний АГ регулируется изменением напряжения смещения на базе транзистора. (E+10+…+25В).