Принципы построения ГУН

Генератор, управляемый по частоте напряжением (Voltage Controlled Oscillator - VCO), представляет собой автоколебательную аналоговую схему, 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)| << 2 π. 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.

На рисунке 8 представлена схема соединения ГУН с внешними электрическими цепями.

В твердотельных ГУН миллиметрового диапазона (рисунок 9) 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).

В диапазоне ниже 20 МГц в качестве ГУН приемлемы функциональные генераторы - LC 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:

 (5)

, 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.