Энергетический расчёт автогенератора

Определим коэффициент Берга ?1 = 1 / GP и через него коэффициенты ?0 и ?1.

?1 = 1 / GP = 1 / 3 = 0.33; ? = 74?;

?0 = 0.18; ?0 = 0.25; ?1= 0.44.

Вычисляем амплитуду импульса коллекторного тока

ImK = IK0 / ?0(?) = 8.7 *10^-3 / 0.25 = 34.8 mA.

Проверяем условие ImK < ImK доп, 34.8 mA < 50 mA.

Определяем амплитуду первой гармоники коллекторного тока

IK1 =?1(?) *>ImK = 0.44 *34.8 *10^-3 = 15.3 mA.

Рассчитываем амплитуду напряжения на базе транзистора

UmБ = IK1 *Ry = 15.3 *10^-3 *9.3 = 0.2 B.

Вычисляем модуль коэффициента обратной связи

= = 0.7

Находим амплитуду напряжения на коллекторе

UmK = = 0.2 / 0.7 = 0.3 >B.

Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью

P0 = IK0 *EКЭ = 8.7 *10^-3 *10 = 87 мВт;

мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором

Pкв = 0.5 *( UmБ / >X3 ) ² *Rкв = 0.5 *( 0.2 / 9.1 ) ² *9 = 2.2 мВт;

Проверяем условие Pкв < Pкв доп, где Pкв доп - допустимая мощность рассеиваемая на кварцевом резонаторе, 2.2 мВт < 100 мВт.

мощность, рассеиваемая транзистором

PK = P0 – Pкв = 87 – 2.2 = 84.8 мВт;

Проверяем условие Pк < Pк доп, где Pк доп – допустимая мощность рассеиваемая транзистором, 84.8 мВт < 15 Вт.

Из условия, что будет потребляться мощность

Pн = 0.1 *>Pкв = 0.1 *2.2 = 0.22 мВт

найдем к.п.д. автогенератора

? =Pн / P0 = ( 0.22 / 87 ) *100% = 0,25 %.

В рабочей полосе частот невозможно получить требуемую стабильность радиочастоты в диапазонном АГ. Нестабильность частоты порядка 10^-7…10^-6 могут обеспечить только АГ, стабилизированные кварцем. Поэтому для получения множества высокостабильных несущих частот используют синтезаторы несущих сетки частот, стабилизированных колебаниями опорного генератора. В базовых станциях – это кварцевые АГ, в мобильных станциях в качестве опорных колебаний используют специальные сигналы, излучаемые базовыми станциями (в стандарте GSM по каналу частотной коррекции fCCH ).

В абонентских и базовых станциях систем подвижной связи и абонентского доступа стоят синтезаторы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты (ИФАПЧ). Структурная схема синтезатора приведена на рисунке 3.2.

Генератором радиочастоты является ГУН – генератор, управляемый напряжением. В контуре Гунна включен управляющий элемент УЭ: варикап или другая емкость, регулируемая напряжением Uупр. Из колебаний частоты ГУНа (как правило, гармонических) на выходе преобразователя "синусоида – импульс" получают последовательность коротких импульсов(в идеале, дельта-импульсов), частота следования которых равна выходной частоте ГУНа. Частоту этой последовательности делят в ДПКД – делителе с переменным коэффициентом деления в NДПКД раз и подают получившуюся последовательность импульсов на вход импульсно-фазового детектора ИФД. Перестройку ДПКД обеспечивает микроконтроллер МК.

На другой вход ИФД подают последовательность синхронизирующих импульсов, полученных с генератора опорной частоты ГОЧ (кварцевого АГ), после деления ее частоты в ДФКД – делителе с фиксированным коэффициентом деления NДФКД. Частоту, с которой следуют импульсы с ДФКД, называют частот ой сетки синтезатора fс.

Напряжение на выходе ИФД пропорционально разности фаз сигналов с ДПКД и ДФКД. В стационарном состоянии синтезатора напряжение на выходе ИФД должно быть постоянным. Это возможно только тогда, когда частота следования импульсов с ДПКД тоже равна fс. Только в случае равенства частот следования импульсов на входах ИФД возможна постоянная разность фаз между ними. Выходное напряжение ИФД после усиления и фильтрации в ФНЧ подают как Uупр на УЭ. В зависимости от величины Uупр меняется емкость УЭ, которая входит в контур АГ и изменяет его частоту. В установившемся режиме синтезатора выполняется соотношение

Для базовой станции необходим синтезатор частот диапазона 935…960 МГц с сеткой через 200 к Гц. Частота ГОЧ – 9 МГц.

1. Находим диапазон коэффициентов деления NДПКД

2. Находим коэффициент деления NДФКД

В таком синтезаторе можно получить частоты 935; 935.2; 935,4…959,6; 959,8; 960 МГц – всего 126 дискретную частоту. Перестройку частот производят переключением коэффициента деления NДПКД.

Основные характеристики синтезатора с ИФАПЧ получают из уравнения кольца ИФАПЧ. Синтезатор с ИФАПЧ является системой автоматического управления с замкнутым кольцом. Во временной области отклонение частоты ГУНа от номинального значения определяет начальное отклонение частоты и частотный сдвиг, вносимый в ГУН УЭ:

Отклонение частоты вызывает отклонение фазы колебаний АГ

Так как фаза колебаний ГУН и его частота связаны между собой интегральным соотношением (2), для удобства анализа представим уравнение кольца ИФАПЧ в операторном виде. Итак, используя оператор Лапласа P, получаем

Отклонение фазы напряжения на выходе ДПКД

Это изменение фазы вызывает следующее изменение напряжения на выходе ИФД:

Как было сказано, напряжение UИФД определяется разностью фаз последовательностей импульсов, поступающих с ДПКД и ДФКД. Обычно

ИФД имеют линейную характеристику с постоянной крутизной SИФД Величина UИФДmAx зависит от используемых логических схем (в пределах 2…5 В), так что

Рис.3.3. Характеристика ИФД

Изменение напряжения на управляющем элементе

- коэффициент передачи усилителя напряжения,

- коэффициент передачи ФНЧ.

Напряжение вызывает изменение вносимой расстройки в контур ГУНа

Крутизна имеет размерность [Гц/В] и зависит от частоты ГУНа, поскольку управление его нелинейно.

Обозначим в нем

- коэффициент передачи разомкнутого кольца ИФАПЧ (разрыв происходит на линии ГУН – УЭ). Величина имеет размерность [Гц]. Назовем ее частотой среза кольца ИФАПЧ и обозначим как f. Тогда

Перейдем к исследованию частотных характеристик синтезаторов с ИФАПЧ, исключив для упрощения ФНЧ. Если на частоту ГУНа

действует помеха с угловой частотой, то реакцию кольца ИФАПЧ находим, заменяя в (8)

причем . Если выразить в дБ

и использовать для f логарифмическую шкалу, то получим следующую зависимость отLG f :

Рис.3.4. Коэффициент передачи разомкнутого кольца ИФАПЧ

В логарифмическом масштабе коэффициент передачи разомкнутого кольца ИФАПЧ без ФНЧ – прямая с наклоном 20 дБ/декада, где под декадой понимают изменение частоты помехи в 10 раз. Это классическая зависимость коэффициента передачи систем автоматического управления первого порядка. Наклон частотной характеристики обусловлен тем, что регулирующий фактор – фаза, связан интегральным соотношением с регулируемой характеристикой – частотой.

На частоте среза отклонение частоты будет ослаблено кольцом ИФАПЧ в раз (на 3 дБ). На частотах кольцо не подавляет флуктуации частоты ГУНа. Эффективное подавление в 10 и более раз происходит на частотах ниже на 20 дБ, увеличиваясь с каждой декадой еще на 20 дБ. Поэтому зону частот ниже

называют полосой эффективного регулирования синтезатора . При перестройке ГУНа с одной частоты на другую (f = 0) кольцо ИФАПЧ полностью компенсирует расстройку.

Изменение логарифмического спектра ГУНа, охваченного кольцом ИФАПЧ, иллюстрирует рисунке 3.5. В полосе эффективного регулирования наблюдается заметное сужение спектральной линии.

Рис.3.5. Сжатие спектральной характеристики АГ, охваченного кольцом ИФАПЧ

Продолжим рассматривать пример синтезатора в диапазоне 935…960 МГц с

fс = 200к Гц. Определим для него

Следовательно, полоса эффективного регулирования составляет 84.1 Гц.

Теперь перейдем к исследованию переходных характеристик синтезатора с ИФАПЧ.

Наличие в кольце ИФАПЧ инерционного (интегрирующего) звена приводит к появлению запаздывания в работе синтезатора. При выключенном ФНЧ, заменяя в выражении, получаем

Рассмотрим случай перестройки синтезатора с одной частоты на другую, а именно на .Тогда

Временная зависимость переходного процесса показана на рисунке 3.6.

Рис.3.6. Установление частоты в ГУНе

Время перестройки синтезатора можно оценить из соотношения

В нашем случае

Полученные соотношения показывают, что с уменьшением частоты сетки сужается зона эффективного регулирования и возрастает время переходного процесса. Поэтому при построении синтезаторов с мелкой сеткой используют более сложные структуры. Мелкую сетку получают в отдельном синтезаторе, а потом вводят ее в основное кольцо с помощью смесителей.

Работа синтезаторов с ИФАПЧ с ФНЧ

ФНЧ необходим в кольце ИФАПЧ для подавления колебаний частоты сетки и ее гармоник. Как было сказано, в стационарном состоянии синтезатора при постоянной разности фаз напряжений на входах ИФД выходное напряжение ИФД будет также постоянным. Для этого схемы ИФД содержат на выходе накопительный элемент – емкость. Однако из-за утечки происходит разряд выходной емкости, повторяющийся периодически с частотой >fс. В результате на выходе ИФД появляется напряжение, содержащее гармоники fс ; 2 fс; 3 fс и т.д. Это напряжение, воздействуя через УЭ на ГУН, вызывает паразитную частотную модуляцию ГУН, вследствие чего в спектре колебаний ГУНа возникают комбинационные частоты

В технических условиях каждого синтезатора устанавливают допустимый уровень этих комбинационных, что определяет требования к их подавлению ФНЧ.

Поясним все с казанное на примере. Положим, что наиболее значимыми являются комбинационные (рис. 3.7.), и что их амплитуду по отношению к амплитуде номинальной частоты ГУНа должна быть не более – 50 дБ.

Примем, что из-за не идеальности схемы ИФД уровень напряжения частоты fс составляет 2% от размаха напряжения на УЭ . Для определенности положим . Тогда крутизна настроечной характеристики ГУНа

При частотной модуляции с малым индексом модуляции амплитуда комбинационной частоты

где - амплитуда центральной частоты ГУНа,

- индекс частотной модуляции.

Согласно условию задачи

Следовательно,

Допустимая девиация частоты ГУНа из-за воздействия помехи с частотой f

Допустимое напряжение частоты сетки на УЭ равно

В то же время без ослабления в ФНЧ

Следовательно, колебания частоты сетки должны быть ослаблены в ФНЧ

Перейдем к выбору ФНЧ.

В синтезаторах с ИФАПЧ используют активные ФНЧ на операционных усилителях, что позволяет обеспечить требуемое усиление управляющего напряжения (Kус) и фильтрацию частот fс и Nfс. Для простоты изложения будем использовать пассивные аналоги фильтров, а именно:

- RC фильтры НЧ,

- ПИФ – пропорционально-интегрирующие фильтры.

Схема RC-фильтра приведена ниже

Рис.3.8. Схема RC-фильтра

Передаточная функция RC – фильтра

На частотах можно принять, что . На частотах f ? f2 , где

Так как , то введя логарифмическую шкалу частотыf и выражая в децибелах, получим следующую частотную характеристику RC- фильтра :

Рис.3.9. Частотная характеристика RC-фильтра

Как видим, на первой после частоты f1 декаде RC – фильтр обеспечивает затухание 10 дБ/декада, а начиная с частоты f2 – 20 дБ/декада.

Обратимся к рисунку 3.5., представляющему передаточную функцию кольца без ФНЧ. Частота среза кольца >f? = 882 Гц, частота сетки fC= 200 кГц.

Обратим внимание, что в активной зоне действия ФНЧ, на частотах

RC – фильтр вносит в схему кольца ИФАПЧ дополнительный фазовый сдвиг на -90 град. Если он будет работать на частоте f?, то суммарный фазовый сдвиг на этой частоте согласно (13) составит ?, знаменатель в (14)обратится в нуль и кольцо ИФАПЧ потеряет устойчивость. Вместо подавления флуктуаций частоты ГУНа, кольцо само перейдет в автоколебательный режим, что абсолютно недопустимо. Поэтому RC – фильтр в кольце ИФАПЧ работает на частотах выше f?, а ПИФ – ниже f? . На частоте среза кольца f? наклон передаточной функции должен составлять 20 дБ/декада.

Если принять для RC- фильтра , то на частоте , то на частоте 10f? = 8.82 кГц получим снижение коэффициента передачи на 30 дБ, а на частоте сетки >fс = 200 кГц на 34,5 дБ. Согласно расчету требуется подавление коле-баний с частотой >fс на 60 дБ. Для этого используем двухзвенный RC – фильтр, обеспечивающий подавление частоты сетки на 2·34,5 = 69 дБ.

Если бы требовалось подавление частоты  fс более, чем на 70 дБ, или частота fс находилась бы ближе к >f?, то для выполнения требований фильтрации пришлось бы дополнительно к RC - фильтру включить в кольцо ПИФ (RC - фильтры с числом звеньев более 2-х не используют).

Схема ПИФ – фильтра приведена ниже:

Рис.3.10. Схема пропорционально-интегрирующего фильтра

Передаточная функция ПИФ

а коэффициент передачи

На частотах, где

На частотах ПИФ вносит постоянное затухание дБ

Включение ПИФ в кольцо ИФАПЧ приводит к уменьшению, что ухудшает стабилизирующие свойства кольца. Пример передаточной функции при использовании RC–фильтра и ПИФ показан на рисунке 14. Обратите внимание на то, что в точке наклон прямой относительно оси >LGf составляет 20дБ/декада.

ФНЧ в кольцах ИФАПЧ увеличивает время переходных процессов в синтезаторах. Поэтому в ряде случаев при перестройке синтезатора их отключают (замыкают накоротко) и включают после установления требуемой частоты.

Рис.3.11. Частотная характеристика разомкнутого кольца ИФАПЧ с ПИФ