Диссертация (Диапазонные RC-автогенераторы гармонических колебаний)

ОГЛАВЛЕНИЕСПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..…………………………..6СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..……………………………………………..7ВВЕДЕНИЕ….……………………………………………………………81. RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫСПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИМ ФИЛЬТРОМ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙСВЯЗИ ……………………………………………………………...191.1 Схема и общее символическое уравнение………………………191.2 Условиесамовозбуждения,стационарныйрежимиустойчивость автоколебаний……………………………………201.3 Модель RC-автогенератора с источниками естественныхшумов……………………………………………………………...271.4 Спектральные характеристики флуктуаций амплитуды ифазы……………………………………………………………….311.5 Расчет и сравнение схем RC-автогенераторов………………….331.5.1 Классификация схем RC-автогенераторов с фильтрами вцепях положительной обратной связи…………………………..331.5.2 Спектральная плотность мощности фазовых шумовRC-автогенератора с учетом шумов дифференциальногоусилителя…….…………………………………………………....351.5.3 Результаты компьютерного моделирования в среде ADS.401.5.4Чувствительностьосновныххарактеристикавтогенератора к разбросу параметров цепи обратной связи ....1.5.5Сравнениенесколькихсхемавтогенераторовснеинвертирующими цепями обратной связи……………………1.6 Заключение к главе 1…………………………………………….2.

RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫС424647ПОЛОСНО-ЗАГРАЖДАЮЩИМ ФИЛЬТРОМ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙСВЯЗИ ……………………………………………………………….492.1 Схема и общее символическое уравнение………………………2.2 Условиесамовозбуждения,стационарныйрежим49иустойчивость автоколебаний…………………………………….532.3 Модель RC-автогенератора с источниками естественныхшумов……………………………………………………………...602.4 Спектральные характеристики флуктуаций амплитуды ифазы………………………………………………………………..652.5 Расчет и сравнение схем RC-автогенераторов………………….672.5.1 Режимные и флуктуационные характеристики для схемыRC-автогенератора с режекторным фильтром в виде двойногоТ-моста …………………………………………..………………..672.5.2 Результаты компьютерного моделирования в среде ADS.682.5.3Чувствительностьосновныххарактеристикавтогенератора к разбросу параметров цепи обратной связи….2.5.4Сравнениенесколькихсхемавтогенераторов69срежекторными фильтрами в цепях отрицательной обратнойсвязи ……………………………………………………………….712.5.5 Сравнение RC-автогенератора с режекторным фильтромв цепи отрицательной обратной связи с RC-автогенератором сполосно-пропускающим фильтром в цепи положительнойобратной связи……………………………………………….........722.5.6 Экспериментальные исследования………………………...842.6 Заключение к главе 2……………………………………………..853.

RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫСПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИМ ФИЛЬТРОМ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙСВЯЗИИСИСТЕМОЙАВТОМАТИЧЕСКОЙРЕГУЛИРОВКИ АМПЛИТУДЫ………………………………..863.1 Расчет системы автоматической регулировки амплитуды ……8923.1.1 Расчет функциональных узлов системы автоматическойрегулировки амплитуды………………………………….………893.1.1.1 Регулировочная характеристика автогенератора …….893.1.1.2 Детекторная характеристика……….…………………..913.1.1.3 Характеристика блока управления…………………….943.1.2 Расчет устойчивости и выбор емкости амплитудногодетектора в системе автоматической регулировки амплитуды .973.1.3 Оценка вклада шумов функциональных узлов системыавтоматической регулировки амплитуды в общий уровеньспектральной плотности мощности автогенератора………….3.2 Результатыкомпьютерного100моделированияRC-автогенератора с системой автоматической регулировкиамплитуды в среде ADS………………………………………….3.2.1Проверкадействиясистемы102автоматическойрегулировки амплитуды …………..…………………………….1023.2.2 Сравнение RC-АГ с режекторным фильтром с RC-АГ сполосно-пропускающимфильтромисистемойавтоматической регулировки амплитуды ……….……………..1073.2.3 Экспериментальное исследование………………………1083.3 Заключение к главе 3……………………………………………..1104.

RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ПО ЧАСТОТЕНАПРЯЖЕНИЕМ ………………………………………………….1114.1 Расчет схем RC-автогенераторов, управляемых по частотенапряжением……………………………………………………… 1124.1.1МодуляционныехарактеристикирассматриваемыхRC-автогенераторов, управляемых по частоте напряжением ...4.1.2Анализвлиянияперестройкипочастоте115нафлуктуационные характеристики автогенератора ……..……....

1164.2 Результаты компьютерного моделирования в среде ADS…….12134.3 Сравнение RC-автогенераторов, управляемых по частотенапряжением ..................................................................................1254.4 Заключение к главе 4……………………………………………..129ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………..… 130СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………….1324СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙj – мнимая единицаu – напряжение, как функция времениi – ток, как функция времениU – амплитуда напряженияI – амплитуда тока – циклическая частотаf – частота колебанияt – времяkБ – постоянная БольцманаT – температура в градусах КельвинаИНДЕКСЫб – базак – коллекторэ – эмиттерос – обратная связьш – шумаг – автогенератор5СПИСОК СОКРАЩЕНИЙАГ – автогенераторБТ – биполярный транзисторДУ – дифференциальный усилительСПМ – спектральная плотность мощностиФМ – фазовые шумыАМ – амплитудные шумыЦОС – цепь обратной связиПОС – положительная обратная связьООС – отрицательная обратная связьАРА – автоматическая регулировка амплитудыАД – амплитудный детекторРФ – режекторный фильтрФУ – функциональный узелПНН – преобразователь напряжения в напряжениеГУН – генератор, управляемый по частоте напряжениемТТ-мост – двойной Т мостБУ – блок управления6ВВЕДЕНИЕАвтогенераторы почти гармонических колебаний, в цепи обратныхсвязей (ОС) которых входят только сопротивления R и емкости С (далееRC-автогенераторы (RC-АГ)), известны с начала 30-х годов прошлогостолетия и до настоящего времени весьма широко используются врадиотехнике.Не имея в своем составе колебательного контура, такие генераторы, темне менее, позволяют формировать колебания, близкие к гармоническим,без использования индуктивных компонентов.

Это достоинство особенносущественнопри решении задач построения RC-АГ, работающих надостаточно низких частотах, где массогабаритные показатели АГ синдуктивными компонентами оказываются совершенно неприемлемыми.Другим важным достоинством RC-АГ является возможность получениязначительно бόльшей перестройки по частоте автоколебаний приизменении регулирующих частоту емкостей в цепях обратной связи посравнению с LC-автогенераторами. Наряду с этими достоинствами, RC-АГимеют ряд недостатков, влияние которых может быть ослабленоправильным выбором схемотехнических и конструкторских решений, атакже технологий их изготовления.В течение более чем 90-летней истории разработок и практическихприложенийправило,RC-АГ проблемы, возникавшие при их создании, какпреодолевалисьспомощьюновыхсхемотехническихитехнологических решений, многие из которых оформлялись в видепатентов.

Однако, если судить по числу публикаций, как по новымприложениям устройств сизученных их свойств,RC-АГ, так и по анализу недостаточновозможности совершенствования таких АГ ирасширения областей их практического использования к настоящемувремени далеко не исчерпаны.7Исторически первыми RC-АГ были генераторы на не инвертирующихфазу колебаний широкополосных усилителях с положительной обратнойсвязью через мост Вина. При этом в работах самого М.Вина [1] (1891 г.)такой мост использовался только для решения задач измерениякомплексных сопротивлений.Первыеработы,посвященныеразработкам,исследованиямипрактическому использованию RC-АГ с мостом Вина, были выполнены вСША и в Польше в 1933 – 1937 гг. (Ф.

Термен [2], Я.Грошковский [3],У.Хьюлетт [4], Г.Скотт [5]).В СССР первые работы по RC-АГ были выполнены В.И.Сифоровым в1935 – 1940 гг. [6 – 8]. Им были предложены и исследованы схемы наинвертирующих фазу широкополосных усилителях с RC-цепями обратнойсвязи, обеспечивающими на рабочих частотах в стационарных режимахсдвиг фазы на 180°. Такие схемы нашли в последующие годы достаточноширокое практическое применение.Уже наэтом этапе с использованием ламповой техники решалисьзадачи стабилизации амплитуды автоколебаний и снижения нелинейныхискажений при перестройке по частоте и изменении параметровокружающей среды.

К 50-м годам прошлого столетия ламповые RC-АГуже широко использовались в измерительной радиоаппаратуре. Былисозданы методики расчѐтов их параметров и режимов [9], описаниесвойствиосновырадиоинженероврасчѐтовтакихАГвошливучебникидля[10,11]. В 1958 году была издана монографияВ.Г.Криксунова [12], в которой были изложены и обобщены результатыисследованийиразработокметодовинженерногопроектированияламповых RC-АГ. Появились первые разработки медицинской аппаратуры[13, 14], в которых использовались такие АГ.Одновременно происходило быстрое развитие полупроводниковых имикроэлектронных технологий, которое, с одной стороны, открывало8новые возможности улучшения потребительских свойств RC-АГ, а сдругой–требовалоновыхзначительныхусилий,связанныхисследованиями свойств новых вариантов построения RC-АГснаполупроводниковых активных приборах и разработкой методик ихинженерного проектирования [15, 16,17].

Появились разработки RC-АГ,управляемых по частоте напряжением (RC-ГУН) [18]. Исследовалисьвозможности и ограничения RC-АГ, перестраиваемых по частоте толькоодним элементом [19].Результаты исследований и разработок RC-АГ на полупроводниковыхактивных приборах и с различными вариантами построения пассивныхцепей обратной связи, достигнутые к середине 70-х годов прошлогостолетия,былиобобщеныисистематизированывмонографииВ.Г.Бондаренко [20].

В ней подробно описаны и классифицированы схемыRC-автогенераторов с различными моделями активных приборов, а такжесхемы полупроводниковых RC-цепей обратной связи с сосредоточеннымии распределѐнными параметрами.Для большого числа схем даныосновные выражения для расчета режимных характеристик.

Предложеныметодики выбора параметров и расчѐта режимов нескольких основныхсхем RC-АГ на транзисторах и операционных усилителях, доступных ковремени подготовки этой монографии.Однако, несмотря на многообразие описанных схем,моделей ипримеров расчѐтов, ряд важных для практики характеристик RC-АГ в этойкниге не рассмотрен, а задача сравнения RC-автогенераторов посовокупности требуемых характеристик (амплитуда колебаний, полосаперестройки, отдаваемая мощность) и достижимых показателей качества(потребляемая мощность, стабильность амплитуды и стабильностьчастоты) не ставилась и не решалась.Не затронуты в ней и вопросы расчета фазовых и амплитудных шумоввыходных колебаний [21, 22], к которым в конце 1974 года статьями9А.Д.Василенко и Н.М.Маляревского с соавторами[21, 22] былопривлечено внимание радиоинженеров. Хотя в работах [21, 22] даныприближѐнные оценки ФМ и АМ шумов для конкретной схемы RC-АГ наМОП-транзисторе, использовать предложенный в них подход, чтобырешать аналогичные задачи для широкого класса[23,24], практическиневозможно.В типичных зарубежных публикациях начала 80-х годов, в основномрешались задачи систематизации известных к тому времени схемтранзисторных RC-АГ [23] или поиска путей дальнейшего снижениянелинейных искажений в структурно известных схемах [24].В то же время, с расширением областей использованияRC-АГнеобходимость в разработке систематического подхода к анализуфлуктуационных характеристик таких генераторов становилась всѐ болееострой, и задача разработки такого подхода была решена В.Н.Кулешовымв 1982 году в рамках Госбюджетной НИР [25].