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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK GPA-Frequenzstabilisierung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Knoten von Amateurfunkgeräten. Generatoren, Überlagerungen Der vielleicht kritischste Knoten im Transceiver ist der VFO, der die Frequenzstabilität und die Rauscheigenschaften bestimmt. Dieser Artikel ist ein Versuch, das, was im Lehrbuch [1] so schön beschrieben ist, in populärer Form darzustellen. Gleichzeitig wird auf den gesamten mathematischen Apparat verzichtet, um den unvorbereiteten Leser nicht mit Formeln und Vektordiagrammen zu erschrecken. Die Frequenzinstabilität von Selbstoszillatoren hat viele Ursachen. Es ist bedingt möglich, alle Ursachen der Instabilität in zwei Richtungen zu unterteilen:
Der einfachste Grund für die erste Richtung ist die mechanische Zerbrechlichkeit der Struktur. Der nächste offensichtliche Grund für denselben Trend ist die Temperaturinstabilität. Das Erhitzen von Teilen des Oszillators verursacht Änderungen in Induktivität und Kapazität. Beispielsweise bewirkt das Erhitzen einer mit Kupferdraht auf einem Keramikrahmen gewickelten Spule die Ausdehnung des Kupfers, eine Zunahme der Drahtlänge und eine Zunahme des Wicklungsdurchmessers. Dies hat eine Erhöhung der Induktivität und eine Verringerung der Frequenz zur Folge. Die gleiche Erwärmung einer auf einen Fluorkunststoffrahmen gewickelten Spule bewirkt eine Vergrößerung des Durchmessers der Windungen, aber aufgrund der zu großen Längenausdehnung des Fluorkunststoffs wird die Spule so stark gedehnt, dass sie die Durchmesserzunahme mehr als überdeckt , und als Ergebnis nimmt die Induktivität nicht zu, sondern ab und die Frequenz steigt an. Aus diesem Grund ist PTFE für hochstabile Schaltungen völlig ungeeignet. Die magnetische Permeabilität der meisten ferromagnetischen Materialien nimmt bei Erwärmung zu. Steigern Sie mit der Erwärmung und der Kapazität von Varicaps. Bei Erwärmung kann sich die Kapazität von Kondensatoren je nach Material der Platten und des Dielektrikums entweder erhöhen oder verringern. Manchmal (leider nicht immer) wird auf Kondensatoren der Wert des Temperaturkoeffizienten der Kapazität (TKE) geschrieben, der angibt, um wie viel Teile pro Million sich die Kapazität des Kondensators ändert, wenn er um 1 °C erhitzt wird. Das Vorzeichen der Änderung (Minus oder Plus) wird durch die Buchstaben „M“ oder „P“ angezeigt. Die Bezeichnung M750 bedeutet, dass bei Erwärmung um jedes Grad die Kapazität um 750 x 10-6 abnimmt. Die Bezeichnung P33 bedeutet eine Erwärmungserhöhung pro Grad um 33x10-6. Wenn ein Kondensator mit TKE M750 bei einer Nenntemperatur eine Kapazität von 1500 pF hätte, beträgt die Kapazität bei zusätzlicher Erwärmung um 20 °C 1500-1500x750xl0-6x20 = 1500-22,5 = 1477,5 pF. Wenn der Oszillator beispielsweise mit einer Frequenz von 500 kHz arbeiten würde und seine Frequenz nur durch diesen Kondensator bestimmt würde, dann würde die Frequenzabweichung 3,79 kHz betragen, was eindeutig viel ist. Die radikale Methode ist in diesem Fall die Temperierung. Aber einfacher und billiger - die Auswahl von Teilen mit den kleinsten Temperaturabweichungen. Die sogenannte thermische Kompensation ermöglicht es, die Temperaturinstabilität auf einige Grenzen zu reduzieren, aber nicht vollständig zu eliminieren. Es gibt zwei Gründe. Erstens ist die GPA-Schaltung abstimmbar, und der Prozentsatz der konstanten und variablen Kondensatoren ändert sich während des Abstimmens. Daher wird die bei einer Frequenz erzielte Kompensation bei einer anderen Frequenz verletzt. Zweitens treten Änderungen der Kapazitäten und Induktivitäten beim Erhitzen nach unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten auf. Daher wird die durch Erwärmung um 10°C erzielte Kompensation verletzt, wenn wir den Generator um weitere 10°C erwärmen. Als Teile für den GPA können wir Spulen empfehlen, die mit versilbertem Draht gewickelt sind, der während des Wickelns auf einem gerippten Keramikrahmen erhitzt wird. Kondensatoren können KM5 (fünfschichtig, klein) mit TKE M47 oder M75 verwendet werden. Wenn Varicaps zum Abstimmen des GPA verwendet werden, sollten noch mehr TKE-Kondensatoren vorhanden sein, da. Die TKE von Varicaps sind positiv und variieren je nach Vorspannung (d. H. Von der Abstimmfrequenz) von 70 ... 80 x 10'6 bei hohen Spannungen bis zu 500 x 10 "6 bei niedrigen Spannungen. Daher ist es nicht akzeptabel, Varicaps zu verwenden bei einer Vorspannung von weniger als 8 ... 9 V Wenn die Kapazität der Varicaps für eine bestimmte Schaltung nicht ausreicht, verwenden Sie entweder Varicaps mit großen Kapazitäten (z. B. KB 105) oder schalten Sie zwei oder drei Varicaps parallel. Der Autor tut es Es wird nicht empfohlen, gebrannte Silberspulen zu verwenden. Ja, sie haben eine gute Temperaturstabilität, aber ... einen niedrigen Qualitätsfaktor, und der Qualitätsfaktor ist wichtiger. Der nächste Grund, der die Schaltungsfrequenz beeinflusst, ist die Instabilität parasitärer Kapazitäten aktiver Elemente, die mit der Schaltung verbunden sind und als Komponenten ihrer Kapazität dienen. Während des Betriebs verändern sich diese parasitären Kapazitäten und beeinträchtigen direkt die Frequenz der Schaltung. Die zuvor betrachteten Temperaturdrifts der Frequenz erfolgen langsam, sie können digital korrigiert bzw. kompensiert werden. Der Einfluss der Instabilität parasitärer Kapazitäten erfolgt schnell, meist im Takt der Modulation, und geht mit charakteristischen Signalverzerrungen einher. Parasitäre Zwischenelektrodenkapazitäten in Transistoren sind die üblichen Barrierekapazitäten von pn-Übergängen, die sich wieder aufbauen, wenn sich die an sie angelegte Spannung ändert. Der Einfluss parasitärer Kapazitäten kann teilweise reduziert, aber nicht vollständig beseitigt werden. Um ihren Einfluss zu reduzieren, muss sichergestellt werden, dass der Anteil der parasitären Kapazitäten an der Gesamtkapazität des Stromkreises möglichst gering ist, sodass vor dem Hintergrund einer großen Gesamtkapazität des Stromkreises mehrere Pikofarad parasitäre Kapazitäten weniger wirken. Allerdings gibt es hier zwei Einschränkungen. Erstens führt eine zu große Kapazität bei geringer Induktivität zu einer Verschlechterung des Qualitätsfaktors der Schaltung. Zweitens erfordert eine zu große konstante Kapazität eine proportionale Erhöhung der variablen Kapazität, andernfalls werden die Schleifenabstimmungsgrenzen nicht eingehalten. Auf jeden Fall ist es unmöglich, einen GPA auf nahezu ausschließlich parasitären Kapazitäten zu erstellen, wie es in [2] durchgeführt wurde, wo ein KVS1,8-Varicap mit niedriger Kapazität in der 7 ... 111 MHz-Schaltung verwendet wird. Und um die Abstimmung zu erreichen, verwendete der Autor eine große Induktivität und eine kleine konstante Kapazität. In diesem Fall betrug die parasitäre Eingangskapazität des Transistors 20 % (!!) der Gesamtkapazität der Schaltung. Parasitäre Kapazitäten hätten kaum Auswirkungen auf die Frequenz, wenn die Versorgungsspannungen und die Betriebsart des Generators idealerweise stabil wären, was eigentlich unerreichbar ist. Eine der Methoden, die das Problem bis zu einem gewissen Grad lösen, ist die Verwendung von Entkopplungskaskaden zwischen der GPA-Schaltung und dem aktiven Element. Abbildung 1 zeigt die einfachste Schaltung eines induktiven Dreipunkts, und Abbildung 2 zeigt Dreipunkte mit dem Zusatz eines Entkopplungs-Source-Folgers.
Die Spannungsdifferenz "zwischen Gate und Source ist 10-mal geringer als die Eingangsspannung selbst. Und wenn die Spannungsdifferenz klein ist, fließt 10-mal weniger Wechselstrom durch die Eingangskapazität des Followers, was einer Abnahme entspricht Eingangskapazität um den Faktor 10.
Aber das ist nicht alles. Der Repeater (Bild 2) hat eine tiefe DC-Rückkopplung. Wenn sich die Versorgungsspannung ändert, ändert sich der Strom im Transistor um ein Vielfaches weniger, als er sich ohne Source-Widerstand ändern würde, d.h. parasitäre Kapazitäten sind stabiler. Im ersten Fall (Abb. 1) entnimmt der erzeugende Transistor Strom, um eine automatische Vorspannung aus dem Schaltkreis zu erzeugen, was seinen Qualitätsfaktor verschlechtert. Im zweiten Fall (Abb. 2) wird dieser Strom vom Follower entnommen und hat keinen Einfluss auf die Güte. Aufgrund der großen Leistungsverstärkung ist die Source des erzeugenden Transistors mit einem kleineren Teil der Windungen des Stromkreises verbunden (1/10 ... 1/20) und hat weniger Auswirkungen auf den Stromkreis. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn ein linksseitiger FET als Follower verwendet wird, ohne dass am Gate eine Vorspannung angelegt wird. Wir können KP305I empfehlen. Die Schaltungsparameter müssen so gewählt werden, dass der Repeater die Schwingungsamplitude entweder unverzerrt oder mit gleichmäßiger Begrenzung nach oben und unten überträgt. Es gibt einen weiteren Mechanismus der Frequenzdestabilisierung, der nicht so offensichtlich ist. Der Oszillator arbeitet kontinuierlich, da seine hochwertige Schaltung „klingelt“ und die Schwingungen aufrechterhält. Die Energie im Stromkreis wird durch Stöße nur bei Spitzen positiver Halbwellen am Gate wieder aufgefüllt. Für einen stabilen Betrieb des Generators ist es notwendig, ein Gleichgewicht der Amplituden und der Phasen aufrechtzuerhalten. Die erste erfordert, dass für jede Schwingungsperiode im Stromkreis so viel Energie nachgefüllt wird, wie vom Stromkreis verbraucht wird (für Gate-Ströme, Verluste in Kondensatoren und Widerständen, Strahlung in den umgebenden Raum). Dieses Gleichgewicht wird durch automatische Voreingenommenheit aufrechterhalten. Sobald die Schwingungsamplitude leicht abnimmt, nimmt auch die Vorspannung ab, der Transistor öffnet etwas mehr und die Anteile der Pumpenergie nehmen zu. Umgekehrt. Die zweite erfordert, dass die Booststromimpulse genau im Takt der vorhandenen Schwingungen in den Stromkreis eintreten – nicht früher und nicht später. Die Phasenbalance wird ebenfalls automatisch aufrechterhalten, aber dieser Vorgang ist schwieriger zu verstehen. Der Einfachheit halber beschreiben wir es im Fall eines Selbstoszillators auf der Basis einer Vakuumtriode. Wenn die Lampe geöffnet wird, beginnt ein Haufen Elektronen, sich von der Kathode zur Anode zu bewegen. Im Anodenkreis fließt zu diesem Zeitpunkt kein Strom. Der Stromimpuls geht erst durch den Anodenkreis, nachdem das Elektronenbündel die Anode erreicht hat. Während dieser im Allgemeinen vernachlässigbaren Zeit ändert sich die Phase der Schwingung auf der Schaltung, und der Schubstromimpuls wird dem Spannungsimpuls auf dem Gitter hinterherhinken. Diese Verzögerung drückt sich in einem Phasenwinkel von mehreren Grad aus. Dies ist der sogenannte Steigungswinkel (nicht zu verwechseln mit der Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie!). Der Steigungswinkel, der die Größe der Signalverzögerung anzeigt, hängt vom Abstand zwischen den Elektroden und der Geschwindigkeit der Elektronen ab, die wiederum von der Größe der Anodenspannung abhängt. Die Impulse treten also spät in den Stromkreis ein. Wie passt sich der Generator daran an? Es stellt sich heraus, dass es nicht genau auf der Frequenz der Schaltung generiert, sondern knapp unterhalb dieser Frequenz. Wenn ein Wechselstrom durch einen Schwingkreis fließt, dann ist die Spannung am Stromkreis in einem Fall genau in Phase mit dem Strom: wenn der Strom genau in Resonanz mit der Frequenz des Stromkreises ist. In allen anderen Fällen eilt die Spannung im Stromkreis dem Strom entweder voraus oder eilt ihm nach. Der Oszillator wählt also automatisch eine Frequenz, bei der die Spannung im Stromkreis den Verstärkungsstromimpulsen genau um den gleichen Betrag voraus ist, den die Lampe dann verzögert. Es ist bekannt, dass eine High-Q-Schaltung sehr stark auf Frequenzabweichungen reagiert. Eine sehr kleine Frequenzabweichung verursacht große Phasenabweichungen. Um die Phasenverzögerung in der Lampe zu kompensieren, muss sich der Generator daher nur geringfügig von der Resonanzfrequenz des Stromkreises entfernen. Wenn sich die Anodenspannung geändert hat, hat sich auch die Verzögerung in der Lampe geändert. Der Generator schaltet auf eine andere Frequenz um, bei der die Phasenbalance wieder eingehalten werden würde. Die Frequenzverschiebung ist vernachlässigbar, wenn der Gütefaktor der Schaltung hoch ist. Bei einer Schaltung mit niedrigem Q-Wert muss der Generator die Frequenz viel stärker ändern, um die gleiche Verzögerung auszugleichen. Signalverzögerungen gibt es nicht nur in Lampen, sondern auch in Transistoren und Mikroschaltungen. Nur dort ist ihre Physik nicht so offensichtlich. Durch Änderung der Betriebsart einer Lampe oder eines Transistors können wir also die Erzeugungsfrequenz ändern, dies wird sogar zur Frequenzmodulation verwendet. Doch was tun, wenn wir nicht nur nicht können, sondern auch nicht wollen – und die Frequenz „schwebt“! Erstens möglichst die Stromversorgung stabilisieren und zweitens einen möglichst guten Schwingkreis verwenden, bei dem die Spule mit ausreichend dickem versilbertem Draht auf einen gerippten Rahmen aus Radioporzellan oder Styropor gewickelt wird. Wenn der Rahmen keine Zwangskerbe hat, muss er mit beheizten Drähten von einem Abwärtstransformator gewickelt werden. Nach dem Abkühlen schrumpft der Draht und passt sich fest an den Rahmen an, wodurch die Windungen fixiert werden. Beschichten des Coils zu diesem Zweck mit Lacken, Farben etc. völlig inakzeptabel. Wenn der Oszillator bei Frequenzen über 10 MHz arbeitet, sollten die Schaltungselemente nicht auf die Leiterplatte gelötet werden. In der Schaltung verwendete Kondensatoren und Varicaps sollten ohne zusätzliche Montagedrähte direkt an die Enden der Spule angelötet werden. Wenn die Erzeugungsfrequenz hoch ist und die parasitären Kapazitäten des Transistors zwangsläufig einen erheblichen Teil der Kapazität der Schaltung ausmachen, muss der Transistor selbst durch Oberflächenmontage mit der Spule verlötet werden. Drittens ist es notwendig, für GPA Transistoren mit minimalen parasitären Kapazitäten zu verwenden. Um eine Selbsterregung des Oszillators auf VHF zu verhindern, werden häufig antiparasitäre Widerstände im Gate- oder Basiskreis verwendet. Sie dämpfen nicht nur Störschwingungen, sondern reduzieren auch die Güte des Hauptstromkreises. Daher müssen Widerstände, auch wenn sie von der Schaltung bereitgestellt werden, nicht zuerst installiert werden. Wenn weiterhin parasitäre Schwingungen auftreten, muss nach anderen Möglichkeiten gesucht werden, diese zu beseitigen. Wenn dies keine Wirkung zeigt, verwenden Sie nur einen antiparasitären Widerstand mit minimalem Wert, beginnend mit einigen Ohm. Parasitäre Anregung auf UKW schafft nicht nur zusätzliche Empfangskanäle und parasitäre Strahlung, sondern stört auch die Stabilität der Haupterzeugung. Der parasitäre Schaltkreis kann einen niedrigen Qualitätsfaktor aufweisen, während parasitäre Schwingungen eine instabile Amplitude haben. Der Oszillatormodus ändert sich ständig, was zu Änderungen in der Grundfrequenz führt und seine Ersteller verwirrt. Frequenzinstabilität kann durch sogenanntes „Ziehen“ verursacht werden. Wenn der Oszillator schlecht abgeschirmt ist, wirken beim Senden große Impulse auf die Schaltung, die zusammen mit den Hauptschwingungen zu einer vollständigen Störung der Phase am Eingang des Transistors führen. Dementsprechend beginnt die Erzeugungsfrequenz zu "laufen". Kontrollmaßnahmen - Screening. Leistungsentkopplung und Einhaltung des Pegeldiagramms, bei dem die Amplitude von Eigenschwingungen um ein Vielfaches größer wäre als die Amplitude von Pickups. Man könnte mir einwenden, dass vieles von dem, was hier gesagt wurde, nicht so wichtig ist. Schließlich funktionieren Transceiver, bei denen der GPA im Gegensatz zu vielen der hier geäußerten Gedanken gemacht wird. Ja, das tun sie. Aber wie? Nehmen Sie diesen oder jenen GPA, ändern Sie die Versorgungsspannung um 10 % und sehen Sie sich die Frequenzverschiebung auf dem Frequenzmesser an. Natürlich ändert es sich in der realen Arbeit nicht um 10 %, sondern um viel weniger, was aber aus Gründen der Übersichtlichkeit praktischer ist. Dann werden Sie alle Ihre Fehler sehen – welche Art von Frequenzinstabilität verursacht das Beschichten der Spule mit Lack, wie viel kostet es, Kondensatoren und Varicaps auf eine Leiterplatte zu löten usw. Ein Oszillator mit hoher elektronischer Frequenzstabilität hat entsprechend geringes Phasenrauschen. Dies gilt jedoch nicht für den Fall, dass die Stabilität mit einer digitalen Waage und einer CAFC erreicht wird, und nicht mit einem guten Design des VPA selbst. Literatur
Autor: G. Gonchar (EW3LB), Baranovichi; Veröffentlichung: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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