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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Estabilización de frecuencia GPA. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Nudos de equipos de radioaficionados. Generadores, heterodinos Quizás el nodo más crítico del transceptor es el VFO, que determina la estabilidad de frecuencia y las características del ruido. Este artículo es un intento de presentar de forma popular lo que se describe bellamente en el libro de texto [1]. Al mismo tiempo, se omite todo el aparato matemático para no asustar a los lectores no preparados con fórmulas y diagramas vectoriales. La inestabilidad de frecuencia de los autoosciladores tiene muchas causas. Es condicionalmente posible dividir todas las causas de inestabilidad en dos direcciones:
La razón más simple para la primera dirección es la fragilidad mecánica de la estructura. La siguiente razón obvia para la misma tendencia es la inestabilidad de la temperatura. Calentar partes del oscilador provoca cambios en la inductancia y la capacitancia. Por ejemplo, calentar una bobina enrollada con alambre de cobre en un marco de cerámica provoca la expansión del cobre, un aumento en la longitud del alambre y un aumento en el diámetro del devanado. Esto implica un aumento de la inductancia y una disminución de la frecuencia. El mismo calentamiento de una bobina enrollada en un marco de fluoroplástico provoca un aumento en el diámetro de las espiras, pero debido a la expansión lineal excesivamente grande del fluoroplástico, la bobina se estira tanto que cubre con creces el aumento de diámetro. , y como resultado, la inductancia no aumenta, sino que disminuye y la frecuencia aumenta. Por esta razón, el PTFE es completamente inadecuado para circuitos altamente estables. La permeabilidad magnética de la mayoría de los materiales ferromagnéticos aumenta cuando se calientan. La capacidad de los varicaps también aumenta con el calentamiento. Cuando se calientan, la capacitancia de los condensadores puede aumentar o disminuir, dependiendo de los materiales de las placas y del dieléctrico. A veces (desafortunadamente, no siempre) el valor del coeficiente de temperatura de capacitancia (TKE) está escrito en los capacitores, lo que muestra cuántas partes por millón cambia la capacitancia del capacitor cuando se calienta 1°C. El signo del cambio (menos o más) se indica con las letras "M" o "P". La designación M750 significa que con cada grado de calentamiento, la capacidad disminuye en 750x10-6. La designación P33 significa un aumento de 33x10-6 cuando se calienta por cada grado. Si un condensador con TKE M750 tenía una capacitancia de 1500 pF a temperatura nominal, cuando se calienta adicionalmente 20 °C, la capacitancia será igual a 1500-1500x750xl0-6x20 = 1500-22,5 = 1477,5 pF. Si el autooscilador funcionara, por ejemplo, a una frecuencia de 500 kHz, su frecuencia estuviera determinada únicamente por este condensador, entonces la desviación de frecuencia sería de 3,79 kHz, lo cual es claramente mucho. El método radical en este caso es la termostatización. Pero más simple y más barato: la elección de piezas con las desviaciones de temperatura más pequeñas. La llamada compensación térmica permite reducir la inestabilidad de la temperatura hasta algunos límites, pero no la elimina por completo. Hay dos razones. En primer lugar, el circuito GPA es sintonizable y el porcentaje de capacitores constantes y variables cambia durante la sintonización. Por lo tanto, la compensación lograda en una frecuencia se viola en otra frecuencia. En segundo lugar, los cambios en las capacitancias e inductancias durante el calentamiento ocurren según diferentes leyes. Por lo tanto, la compensación lograda con un calentamiento de 10 °C se violará si calentamos el generador otros 10 °C. Como piezas para el GPA, podemos recomendar bobinas enrolladas con alambre plateado calentado durante el bobinado en un marco de cerámica acanalado. Se pueden usar condensadores KM5 (cinco capas, tamaño pequeño) con TKE M47 o M75. Si se usan varicaps para ajustar el GPA, entonces debería haber aún más condensadores TKE, porque. Los TKE de los varicaps son positivos y, dependiendo del sesgo (es decir, de la frecuencia de sintonía), varían desde 70...80x10'6 en tensiones altas hasta 500x10"6 en tensiones bajas. Por tanto, es inaceptable el uso de varicaps con un voltaje de polarización de menos de 8 ... 9 V Si la capacidad de los varicaps es insuficiente para un circuito dado, use varicaps con grandes capacidades (por ejemplo, KB 105) o coloque dos o tres varicaps en paralelo. El autor no No recomiendo usar bobinas de plata quemada. Sí, tienen buena estabilidad de temperatura, pero... bajo factor de calidad, y el factor de calidad es más importante. La siguiente razón que afecta la frecuencia del circuito es la inestabilidad de las capacitancias parásitas de los elementos activos que están conectados al circuito y sirven como componentes de su capacitancia. Durante el funcionamiento, estas capacidades parásitas cambian y reducen directamente la frecuencia del circuito. Los cambios de frecuencia de temperatura discutidos anteriormente ocurren lentamente y pueden corregirse o compensarse en una escala digital. La influencia de la inestabilidad de las capacitancias parásitas ocurre rápidamente, más a menudo al mismo tiempo que la modulación, y se acompaña de distorsiones características de la señal. Las capacitancias entre electrodos parásitas en los transistores son capacitancias de barrera ordinarias de uniones pn, que cambian cuando cambia el voltaje que se les aplica. La influencia de las capacidades parásitas se puede reducir en un grado u otro, pero no eliminar por completo. Para reducir su influencia, es necesario asegurarse de que el porcentaje de capacidades parásitas en la capacidad total del circuito sea lo más pequeño posible, de modo que, en el contexto de una capacidad total del circuito grande, varios picofaradios de capacidades parásitas tengan menos influencia. Sin embargo, aquí existen dos limitaciones. En primer lugar, demasiada capacitancia con baja inductancia conduce a una disminución en el factor de calidad del circuito. En segundo lugar, una capacitancia constante demasiado grande requiere un aumento proporcional en la capacitancia variable; de lo contrario, no se garantizarán los límites de ajuste del circuito. En cualquier caso, es imposible hacer un GPA usando casi solo capacitancias parásitas, como se hizo en [2], donde se usó un varicap KVS1,8 con una pequeña capacitancia en el circuito de 7...111 MHz. Y para obtener la sintonización, el autor utilizó una inductancia grande y una capacitancia constante pequeña. En este caso, la capacitancia de entrada parásita del transistor ascendió al 20% (!!) de la capacitancia total del circuito. Las capacitancias parásitas tendrían poco efecto sobre la frecuencia si los voltajes de suministro y el modo de funcionamiento del generador fueran idealmente estables, lo cual es realmente inalcanzable. Uno de los métodos que resuelve en cierta medida el problema es el uso de cascadas de desacoplamiento entre el circuito GPA y el elemento activo. La Figura 1 muestra el circuito más simple de un inductivo de tres puntos, y la Figura 2 muestra tres puntos con la adición de un seguidor de fuente de desacoplamiento.
La diferencia de voltaje "entre la puerta y la fuente es 10 veces menor que el voltaje de entrada en sí. Y si la diferencia de voltaje es pequeña, entonces fluye 10 veces menos corriente alterna a través de la capacitancia de entrada del seguidor, lo que equivale a una disminución en la entrada capacitancia por un factor de 10.
Pero eso no es todo. El repetidor (Fig. 2) tiene una retroalimentación de CC profunda. Cuando cambia el voltaje de suministro, la corriente en el transistor cambia muchas veces menos de lo que cambiaría sin una resistencia de fuente, es decir Las capacidades parásitas son más estables. En el primer caso (Fig. 1), el transistor generador toma corriente para crear una polarización automática del circuito, empeorando su factor de calidad. En el segundo caso (Fig. 2), esta corriente se toma del repetidor y no afecta el factor de calidad. Debido a la alta ganancia de potencia, la fuente del transistor generador está conectada a una parte más pequeña de las vueltas del circuito (1/10...1/20) y tiene menos influencia en el circuito. Los mejores resultados se obtienen si se utiliza como repetidor un transistor de efecto de campo con característica izquierda, sin aplicar polarización a la puerta. Podemos recomendar KP305I. Los parámetros del circuito deben seleccionarse de modo que el repetidor transmita la amplitud de oscilación sin distorsión o con una limitación uniforme desde arriba y desde abajo. Existe otro mecanismo de desestabilización de frecuencia, que no es tan obvio. El autooscilador funciona continuamente debido a que su circuito de alta calidad "suena" y mantiene las oscilaciones. La energía en el circuito se repone mediante impulsos sólo en picos de medias ondas positivas en la puerta. Para un funcionamiento estable, es necesario mantener el equilibrio de amplitud y fase en el generador. El primero requiere que para cada período de oscilación en el circuito, se reponga tanta energía como la que se consume del circuito (para corrientes de compuerta, pérdidas en condensadores y resistencias, radiación al espacio circundante). Este equilibrio se mantiene mediante un sesgo automático. Tan pronto como la amplitud de las oscilaciones disminuye ligeramente, la polarización también disminuye, el transistor se abre un poco más y las porciones de energía de bombeo aumentan. Y viceversa. El segundo requiere que los pulsos de corriente de refuerzo ingresen al circuito estrictamente al mismo tiempo que las oscilaciones existentes, ni antes ni después. El balance de fase también se mantiene automáticamente, pero este proceso es más difícil de entender. Por simplicidad, lo describimos en el caso de un autooscilador basado en un triodo de vacío. Cuando se abre la lámpara, un grupo de electrones comienza a moverse del cátodo al ánodo. No hay corriente en el circuito del ánodo en este momento. El pulso de corriente pasará por el circuito del ánodo solo después de que el haz de electrones llegue al ánodo. Durante este tiempo, generalmente insignificante, la fase de la oscilación en el circuito cambiará, y el pulso de corriente de empuje se retrasará con respecto al pulso de voltaje en la red. Este retraso se expresa en un ángulo de fase de varios grados. Este es el llamado ángulo de pendiente (¡no debe confundirse con la pendiente de la característica corriente-tensión!). El ángulo de pendiente, que muestra la magnitud del retraso de la señal, depende de la distancia entre los electrodos y la velocidad de los electrones, que, a su vez, depende de la magnitud del voltaje del ánodo. Entonces, los impulsos entran tarde al circuito. ¿Cómo se adapta el generador a esto? Resulta que no genera exactamente a la frecuencia del circuito, sino justo por debajo de esta frecuencia. Si a través de un circuito oscilante fluye corriente alterna, entonces el voltaje en el circuito está exactamente en fase con la corriente en un caso: cuando la corriente está exactamente en resonancia con la frecuencia del circuito. En todos los demás casos, el voltaje en el circuito se adelanta a la corriente o se retrasa. Entonces, el autooscilador selecciona automáticamente una frecuencia a la cual el voltaje en el circuito hace avanzar los pulsos de corriente de bombeo exactamente en la misma cantidad, que luego la lámpara retrasa. Se sabe que un circuito de alta Q reacciona muy bruscamente a las desviaciones de frecuencia. Las desviaciones de frecuencia muy pequeñas provocan grandes desviaciones de fase. En consecuencia, para compensar el retraso de fase en la lámpara, el generador sólo necesita alejarse ligeramente de la frecuencia de resonancia del circuito. Si el voltaje del ánodo ha cambiado, entonces el retardo en la lámpara también ha cambiado. El generador cambiará a otra frecuencia, en la que se mantendrá nuevamente el equilibrio de fases. El cambio de frecuencia será insignificante si el factor de calidad del circuito es alto. Con un circuito de Q baja, el generador necesita cambiar la frecuencia mucho más para compensar el mismo retraso. Los retrasos en la señal existen no solo en las lámparas, sino también en los transistores y los microcircuitos. Solo que allí su física no es tan obvia. Así, al cambiar el modo de funcionamiento de una lámpara o un transistor, podemos cambiar la frecuencia de generación, esto incluso se usa para la modulación de frecuencia. Pero qué hacer si no solo no podemos, sino que no queremos, ¡y la frecuencia "flota"! En primer lugar, si es posible, estabilice la fuente de alimentación y, en segundo lugar, use un circuito oscilatorio del factor de calidad más alto posible, para lo cual la bobina se enrolla con un alambre plateado suficientemente grueso en un marco acanalado de radioporcelana o poliestireno. Si el marco no tiene una muesca forzada, es necesario enrollarlo con cables calentados de un transformador reductor. Después de enfriarse, el cable se encoge y se ajusta firmemente al marco, fijando las vueltas. Revestir la bobina para este fin con barnices, pinturas, etc. completamente inaceptable. Si el autooscilador funciona a frecuencias superiores a 10 MHz, entonces los elementos del circuito no deben soldarse en la placa de circuito impreso. Los condensadores y varicaps utilizados en el circuito deben soldarse directamente a los extremos de la bobina, sin cables de instalación adicionales. Si la frecuencia de generación es alta y las capacidades parásitas del transistor constituyen inevitablemente una parte importante de la capacidad del circuito, entonces el transistor en sí debe soldarse a la bobina mediante montaje en superficie. En tercer lugar, es necesario utilizar transistores con capacidades parásitas mínimas para el GPA. A menudo, para evitar la autoexcitación de un autooscilador en VHF, se utilizan resistencias antiparasitarias en la puerta o en el circuito base. Además de amortiguar las vibraciones parásitas, reducen el factor de calidad del circuito principal. Por lo tanto, no es necesario instalar resistencias, incluso si están incluidas en el circuito. Si aún se producen oscilaciones parásitas, entonces es necesario buscar otras formas de eliminarlas, y si esto no da efecto, entonces instale solo una resistencia antiparasitaria de un valor mínimo, a partir de unos pocos ohmios. La excitación parásita en VHF no sólo crea canales de recepción adicionales y radiación parásita, sino que también altera la estabilidad de la generación principal. El circuito parásito puede tener un factor de calidad bajo y las oscilaciones parásitas tienen una amplitud inestable. El modo del autooscilador cambia constantemente, provocando cambios en la frecuencia fundamental y dejando perplejos a sus creadores. La inestabilidad de frecuencia puede ser causada por el llamado "tirón". Si el oscilador está mal blindado, entonces, durante la transmisión, grandes captaciones afectan el circuito, lo que, al sumarse a las oscilaciones principales, conduce a un desorden completo de la fase en la entrada del transistor. En consecuencia, la frecuencia de generación comienza a "caminar". Medidas de control - tamizaje. desacoplamiento de potencia y cumplimiento del diagrama de nivel, en el que la amplitud de las oscilaciones naturales sería muchas veces mayor que la amplitud de las captaciones. Se puede objetar que mucho de lo que aquí se dice no es tan importante. Después de todo, los transceptores funcionan en los que el VFO está fabricado en contra de muchas de las ideas expresadas aquí. Ellos si. ¿Pero cómo? Tome uno u otro GPA, cambie el voltaje de suministro en un 10% y observe el cambio de frecuencia con un frecuencímetro. Por supuesto, durante el trabajo real no cambia en un 10%, sino mucho menos, pero esto es más conveniente para mayor claridad. Luego verá todos sus errores: qué inestabilidad de frecuencia se produce al recubrir la bobina con barniz, cuánto cableado de condensadores y varicaps a una placa de circuito impreso, etc. Un oscilador con alta estabilidad de frecuencia electrónica tiene un ruido de fase correspondientemente bajo. Sin embargo, esto no se aplica al caso en que la estabilidad se logra con una balanza digital y un CAFC, y no con un buen diseño del propio VPA. Literatura
Autor: G. Gonchar (EW3LB), Baranovichi; Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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