RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/hand_book/documentation/gun.html

Компоненты синтезаторов стабильной частоты.Генераторы, управляемые напряжением

   В любом радиотехническом и электронном устройстве необходим источник опорных колебаний со стабильной частотой. Поскольку невозможно построить такой генератор на любую заданную частоту, используют синтезаторы стабильных частот (СЧ) -устройства преобразования частоты колебаний из одного значения в другое с малым шагом перестройки и низкими погрешностями. Схемы построения СЧ, в зависимости от конкретных технических требований, различны, однако в каждой из них используют набор типовых электронных компонентов: управляемые по частоте генераторы, умножители и делители частоты, смесители, частотные фильтры, элементы цифровой техники. Номенклатура этих электронных компонентов чрезвычайно разнообразна, так что их правильный выбор - задача достаточно сложная.

   Помочь разработчикам в столь непростом выборе призвана эта статья. Особое внимание в ней будет уделено выявлению основных технически значимых параметров электронных компонентов радиочастотных схем, сформулированы рекомендации по их выбору для генераторов стабильной частоты.

   В предлагаемой статье рассмотрены важнейшие характеристики генераторов, управляемых по частоте напряжением (ГУН).

Принципы построения ГУН

   Генератор, управляемый по частоте напряжением (Voltage Controlled Oscillator - VCO), представляет собой автоколебательную аналоговую схему (рис.1), которая питается от источника напряжения Eо, снабжена цепью управления частотой напряжением Еу и формирует на внешней нагрузке Rн напряжение u(t). Форма выходного напряжения ГУН близка к гармонической и описывается выражением u(t) = Uo[1 + µ(t)]sin[2πfгt + e(t)], где Uo - амплитуда; fг - частота; µ(t) - относительные изменения амплитуды (|µ(t)|<<1); e(t) - отклонения фазы от равномерного во времени закона, |e(t)|<<2π. Как правило, активный элемент автогенератора ГУН - транзистор с колебательной системой на LC-элементах, которая создает положительную обратную связь, компенсирующую потери и обеспечивающую генерацию на частоте fг.

Схема соединения ГУН с внешними электрическими цепями

Рис. 1. Схема соединения ГУН с внешними электрическими цепями

   В твердотельных ГУН миллиметрового диапазона (рис.2) в качестве активного элемента используется полупроводниковая структура на GaAs с отрицательным сопротивлением. Элементы L, С1, С2 и варикап VD1 образуют колебательную систему; Др1, Др2 и ДрЗ - блокировочные дроссели; Сбл1 C6л2, Сбл3, Сбл4 - блокировочные конденсаторы; R1 и R2 - цепь формирования отпирающего напряжения транзистора; R3 - резистор ограничения рабочего тока транзистора VT1. В СВЧ-диапазоне колебательная система и блокировочные элементы выполняются в виде микрополосковых линий или иных цепей с распределенными параметрами. Эквивалентная емкость С3экв варикапа VD1 зависит от управляющего напряжения Еу на входе управления. Для улучшения характеристик ГУН вместо одиночного варикапа применяют варикапные матрицы (встречно включенные варикапные пары).

Пример принципиальной схемы ГУН

Рис. 2. Пример принципиальной схемы ГУН

   В диапазоне ниже 20 МГц в качестве ГУН приемлемы функциональные генераторы - ИС на основе операционных усилителей с электронным управлением перестройкой частоты в 10-100 раз за счет изменения тока заряда RC-цепи. Однако по стабильности частоты такие ГУН существенно уступают LC-генераторам, а их более высокочастотная реализация проблематична.

   Без учета влияния инерционности транзистора и фазового сдвига в цепи обратной связи автогенератора частота генерации fг определяется реактивными элементами колебательной системы:

   где 1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3эквЕ(у).

   Амплитуда Uo установившихся выходных колебаний зависит от режима транзистора, параметров колебательной системы и сопротивления нагрузки. При повышении управляющего напряжения Еу эквивалентная емкость варикапа С3экв(Еу) уменьшается, емкость С падает, а частота генерации fг растет. При этом из-за изменения потерь в колебательной системе может происходить паразитное изменение амплитуды (мощности) генерации. Паразитное влияние на частоту и амплитуду генерации оказывают также вариации питающего напряжения Еу, температуры окружающей среды, модуля и фазы сопротивления нагрузки.

   Диапазон перестройки частоты и линейность зависимости частоты от напряжения смещения на варикапе в значительной степени определяются его вольт-фарадной характеристикой с учетом паразитных емкостей схемы. Для ГУН, перестраиваемых в широкой полосе частот, разрабатывают специальные варакторные диоды со сверхрезким рn-переходом, которые позволяют изменять емкость С более чем в четыре раза, а частоту, следовательно, - более чем в два раза. В таких ГУН оптимизируют номиналы колебательной системы и блокировочных элементов, дроссели заменяют резисторами, исключающими паразитные резонансы, используются балансные схемы активных элементов, снижающие влияние вариаций нагрузки и температуры окружающей среды на частоту и уровень фазового шума. Чтобы упростить схему управления частотой и уменьшить эффект изменения нагрузки, иногда собственно ГУН дополняют буферным усилителем и широкополосным удвоителем частоты.

Основные параметры ГУН

   Основные технические характеристики и параметры ГУН, которые надо учитывать при создании электронной аппаратуры на их основе, можно разделить на три группы: характеристики качества сигнала, характеристики управления частотой и параметры чувствительности к внешним воздействиям.

   Качество выходного сигнала ГУН характеризуют:

   К характеристикам управления частотой относятся:

   Чувствительность к влиянию внешних факторов характеризуют:

Номенклатура ГУН

   В мире свыше 35 фирм выпускают более 3500 моделей ГУН (табл. 1, 2). Выходная мощность ГУН обычно варьируется в пределах от -5 дБмВт до +16 дБмВт. Как правило, пониженный уровень Рвыхотносится к моделям, в которых встроен выходной буферный каскад, ослабляющий влияние нестабильной фазы нагрузки. С другой стороны, ГУН шведской фирмы Sivers IMA (см. табл.1) имеют выходную мощность до +28 дБмВт в диапазоне миллиметровых волн.

   ГУН на основе LC-генераторов предназначены для диапазона частот от 5 МГц до 26 ГГц. В интегральных схемах (ИС) ГУН миллиметрового диапазона длин волн иногда включают широкополосный буферный умножитель частоты на 2 или на 4, который играет роль развязывающего каскада для ослабления влияния нагрузки, а пониженная частота автогенератора облегчает построение колебательной системы с управлением частотой на варикапе. Именно так построена ИС HMC398QS16G (рис.3). Кроме того, она содержит направленный ответвитель (НО) и широкополосный предварительный делитель частоты (prescaier) на 4 с дополнительными выходами когерентных противофазных колебаний дециметрового диапазона, что облегчает организацию системы фазовой автоподстроики частоты (ФАПЧ) для стабилизации дискретной сетки частот.

Структурная схема ГУН миллиметрового диапазона HMC398QS16G

Рис. 3. Структурная схема ГУН миллиметрового диапазона HMC398QS16G

Таблица 1

ФирмаЧисло моделей ГУНДиапазон частот, МГцДиапазон мощностей, дБмВтИнтервал рабочих температур,°СИнтернет-адрес
Мин.Макс.
Hittite Microwave132000...15000-8....+10--40...+85www.hiltite.com
Sivers IMA103000... 26500+14...+280...+60-40...+85www.siversima.se
Micronetics Wireless20360... 6500-12..+120...+70-40...+85www.mwireless.com
Synergy Microwave14340... 61000...+15--30...+70www.synergymwave.com
Z-Communication42240... 6500-7...+130...+70-55...+85www.zcomm.com
Amplifonix4525... 5000+2...+10--55...+85www.amplifonix.com
Mini-Circuits12812... 30000...+13--55...+85www.miniciraiits.com
Magnum Microwave7325... 18000-2...+120...+85-55...+100www.remecmagnum
Universal Microwave38310... 81000...+12--40...+70www.vco1.com
Modco11965... 10000-1...+20--40...+85www.modcoinc.com

   Относительная ширина полосы перестройки частоты современных ГУН лежит в пределах от 1-10 % до октавы и более. Ее ограничивают такие факторы, как предел изменения емкости варикапа, недопустимые изменения выходной мощности, нелинейность модуляционной характеристики. Среди ГУН с октавным интервалом перестройки (kf= 2) можно выделить ИС POS-500W для диапазона 0,5 ГГц и М3500-0613 для диапазона 1,3 ГГц. Фирма Micronetics также разработала ИС MW500-1414 специально для сверхширокополосных систем диапазона 4 ГГц с kf = 2,3 при выходной мощности (+11+0,75) дБмВт. Электронную перестройку частоты с kf = 1,7 в 4-см диапазоне допускают и микросхемы VO3262C/00 с повышенной мощностью в нагрузке.

Таблица 2

Модель, фирмаЧастота fn МГцp дБмВтEу,ВSy, МГц/ВФазовый шум, дБ/Гц при отстройкеΔ+85 МГцSφ, МГц Р-РS0, МГц/ВА2,ДБFмодМГцПитание
1 кГц100 кГцE0I0, мА
JTOS-25, Mini-Circuits12,5...2581...111...4-95-1350,30,030,02-260,131220
POS-50P, Mini-Circuits24...29100...52...2,5-92-1340,40,060,04-180,051220
pOS-150, Mini-Circuits75...1509,51...184...6,8-80-12760,80,3-230,11220
POSA-138, Mini-Circuits118...13851...162,3-100-1450,90,070,03-4021225
§1500-1343, Micronetics128...16010,50...133-100-1321,273-20231250
JCOS-175LN, Mini-Circuits125...1753,71...173,5-95-1380,40,080,05-2421025
JTOS-300P, Mini-Circuits148...174100...57...10-82-122210,2-270,11220
POS-500W, Mini-Circuits250...500101 ...1617...23-79-12031,50,2-250,11225
JCOS-820WLN, Mini-Circuits780...86091...208-90-13234,50,3-132925
ZOS-1025, Mini-Circuits685... 102581 ...1630--112-0,0530-250,112140
POSA-960, Mini-Circuits800...960161. .1610...30-84-1303,5218-3021550
M3500-0613, Micronetics650... 13008,50...2020...60-69-1122151,51117,61222
JCOS-1100LN, Mini-Circuits1070...11158,51...204,5-88-13037,50,5-246825
POS-1605PV, Mini-Circuits1500...160500,5...540...50-74-1182460,8-1783,316
MAX2753, Maxim2400...2500-80...3150--9825---26-58,6
VC0191-2750U, Sirenza2700...2750-30,8...2,450...80--113-51-15-37
M500-1414, Micronetics1700...3900100,5...13150--107-125-14126,535
MW500-1262, Micronetics4900...65002,51...22100--108201010-15-1250
HMC398QS16G, Hittite14000...1500061...1030...80-75-11035430-12 520
VO3262K/00, Sivers IMA20000...24000286...15100...600 -726010,6-301315300

   Шумовые свойства ГУН различного диапазона можно сопоставить следующим образом. Допустим, надо определить, что с точки зрения шумов более предпочтительно в радиосистеме с несущей частотой fг = 1100 МГц и зоной отстроек на F = 1 МГц: ГУН JCOS-1100LN или ИС POSA-138 с выходной частотой 137,5 МГц и последовательным малошумящим умножителем частоты на 8. Шумовые характеристики некоторых ГУН представлены на рис. 4. Из графика видно, что при одинаковых отстройках (125 кГц) Sepf/7) для POSA-138 на 13 дБ лучше, чем для JCOS-1100LN. Однако при требуемой отстройке 1 МГц применение JCOS-1100LN обеспечивает Scp(1 МГц) = -150 дБ/Гц (точка А на рис.4). В то же время, при умножении несущей частоты после POSA-138 на N= 8 отношение уровня фазовых нестабильностей к несущей не изменится и останется таким же, как и при отстройках на 125 кГц. На выходе умножителя шум Scp(1 МГц) будет равен шуму ГУН POSA-138 &р(125 кГц) = -146 дБ/Гц (точки В и Б на рис.4, соответственно) без учета дополнительного шума при умножении. Таким образом, JCOS-1100LN по уровню шума предпочтительнее POSA-138 на 4-6 дБ.

 Шумовые характеристики ГУН

Рис. 4. Шумовые характеристики ГУН

   Типовые значения Sφбел составляют -120...-130 дБ/Гц для рабочих частот менее 500 МГц и -95...-102 дБ/Гц для ГУН с выходной частотой 2-3 ГГц. Среди малошумящих ГУН можно выделить MW500-1343 (Micronetics) с уровнем шума -147 дБ/Гц на частоте fr= 150 МГц при отстройке F= 100 кГц и -100 дБ/Гц при отстройке F= 1 кГц и JTOS-25 (Mini-circuits), величина СПМ фазового шума которого составляет -115 дБ/Гц при отстройке F= 10 кГц. Для указанных ИС зона белого частотного шума соответствует отстройкам F= 10-20 кГц, а уровень Sf бел существенно зависит от шумовых свойств источников напряжений E0 и Еу

   Содержание высших гармоник в выходном сигнале ГУН зависит от вида колебательной системы, режима активного элемента автогенератора и от рабочей точки варикапа. Уровень второй гармоники А2 изменяется в пределах от -7 дБ (HMC385LP4) до -35 дБ (JTOS-100) или -40 дБ (POSA-138). Для снижения уровня высших гармоник в выходную цепь некоторых ГУН встраивают фильтры нижних частот, подавляющие вторую и высшие гармоники. В результате этого в MW500-1343 уровень второй гармоники не более -20 дБ, а третьей менее -40 дБ; в VO3262K/00 благодаря такому фильтру А2 = -30 дБ. Нужно отметить, что при использовании встроенных умножителей и делителей частоты в спектре выходного колебания появляются дополнительные дискретные комбинационные компоненты на половинной и на полуторной частотах (у HMC398QS16G их уровень - -20 дБ и -30 дБ, соответственно).

   Питающие напряжения ГУН для большинства изделий составляют 3 В (POS-1605PV; VCO191-2750U), 5 или 12 В. Ток потребления обычно не превышает 20-30 мА. В ряде ГУН встроен буферный усилитель для увеличения развязки от вариаций нагрузки (например, ZOS-1025). В таких изделиях потребляемый ток достигает 140 мА. ГУН повышенной выходной мощности (VO3262K/00) потребляют до 300 мА. Для некоторых моделей ГУН нормируется время установления и спада мощности после коммутации питания: для МАХ2753 τвкл = 10 мкс,τвыкл = 8 мкс.

   Модуляционные характеристики ГУН монотонны и, как правило, достаточно линейны (рис.5). Для выбора рабочей точки по управляющему напряжению с точки зрения линейности модуляции удобно использовать зависимость SJEJ. На рис.6 видно, что у генератора JCOS-820WLN, оптимизированного разработчиком как малошумящий, крутизна модуляционной характеристики изменяется в заметных пределах 3,8-10 МГц/В. В ГУН ROS-150 приняты меры по линеаризации модуляционной характеристики, поэтому ее крутизна изменяется от 4,9 до 6,2 МГц/В.

Модуляционные характеристики октавного ГУН ROS-150. Сплошной линией показана зависимость fr(Ey), пунктиром - соответствующая Рвых(Еу)

Рис. 5 Модуляционные характеристики октавного ГУН ROS-150. Сплошной линией показана зависимость fr(Ey), пунктиром - соответствующая Рвых(Еу)

   У ГУН интервалы значений управляющего напряжения Еу могут быть различны. В качестве нижней границы Еу большинство производителей указывают 0,5 или 1 В. Дело в том, что при Еу, близком к нулю, рл-переход варикапа открывается положительной полуволной высокочастотного напряжения и через него начинает течь прямой ток. Поэтому значение Еу=0 обычно безопасно, но не соотвествует номинальному режиму. Однако есть модели, в которых Еу = 0 входит в рекомендуемые пределы (М3500-0613, ROS-900PV). Некоторые ИС ГУН разработаны для схем с напряжением управления не более 3 В (VCO191-2750U), не более 5 В (JTOS-300P) и свыше 20 В (MW500-1262). Можно выделить микросхему МАХ2753, у которой при низковольтной цепи управления высокая крутизна модуляционной характеристики Sy>150 МГц/В.

Зависимость модуляционной чувствительности ГУН от управляющего напряжения

Рис. 6. Зависимость модуляционной чувствительности ГУН от управляющего напряжения

   Полоса модулирующих частот в большинстве изделий не опускается ниже FMOД = 100 кГц. Но для низкочастотных ГУН, например POS-50P, она снижается до 50 кГц. Поскольку данный параметр ограничен только номиналами блокировочных цепей, то можно выбрать ГУН с заметно более широкой полосой по цепи управления. Так, в М3500-0613 полоса модулирующих частот достигает 17,6 МГц.

   Коэффициент чувствительности частоты к вариациям температуры окружающей среды изменяется в пределах от 20 МГцГС для М3500-0613 диапазона 6 ГГц до 0,02 МГцГС для MW500-1343 диапазона 160 МГц. Для ROS-900PV повышение температуры от 25° до 85°С приводит к снижению частоты на 5 МГц (0,6%) и мощности на 0,6 дБ, понижение же температуры до -55°С увеличивает частоту на 5 МГц, а мощность на 0,4 дБ. Типичная чувствительность ГУН к изменению температуры в широких пределах показана на рис. 7.

Изменения частоты в широком температурном интервале для МАХ2753

Рис. 7. Изменения частоты в широком температурном интервале для МАХ2753

   Если в ГУН встроены буферные широкополосные усилители или удвоители частоты, чувствительность к фазе коэффициента отражения уменьшается. Например, при ослаблении на 6 дБ в ИС MW500-1343 Δfφp-p снижается до 0,13 МГц на частоте 160 МГц, в ГУН HMC398QS16G - до 4 МГц на частоте 15 ГГц. Встроенный буферный усилитель позволяет в некоторых моделях (VO3262C/00) иметь два взаимно развязанных выхода для подключения нагрузки.

   В заключение отметим, что данные об основных мировых производителях ГУН, а также массу иной полезной информации, например таблицу соответствия единиц измерения мощности [Вт] и [дБмВт], можно найти на сайте www.radiocomp.ru.

Автор: Л.Белов