О популярной схеме генератора высокой частоты

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Генераторы ВЧ

Опубликовано: 17.03.2017 12:42

Просмотров: 17191

А.Г. Зызюк г. Луцк РА 5'2010
В зарубежных изданиях нередко публикуются схемы весьма интересных и оригинальных конструкций. Поэтому впоследствии очень часто эти схемы появляются уже в наших отечественных журналах (стран СНГ). Нередко схемы публикуются с опечатками или ошибками, которые беспрепятственно переходят из зарубежных изданий в наши. О некоторых подобных ситуациях и пойдет речь в данной статье.

Рассматриваемая ниже схема сначала была опубликована в одном из зарубежных изданий. Без изменений она была опубликована и в [1]. Затем она появилась и в другом популярном радиолюбительском журнале [2]. Несмотря на появление публикации в этих двух журналах, в схеме присутствует весьма специфическая неточность.
Она перекочевала из первоисточника. Тем не менее, при макетировании проблема выявляется достаточно быстро. Стоит только подключить к выходу схемы осциллограф...
Обратимся к схеме генератора высокой частоты (ГВЧ). Она показана на рис.1.
 
Это схема первоисточника. Исключение составляет добавленный резистор R6. И изменено позиционное обозначение элементов. Кроме того, отсутствует индикатор напряжения, который в оригинале собран на транзисторе типа ВС549 (КТ3102Д). Но в данном случае приводится та схема, которую автор повторял, т.е. без индикатора напряжения, согласно рис. 1. Интерес был проявлен исключительно к самому ГВЧ, к каскаду, собранному на транзисторах VT1 и VT2. Из- за него собрали и всю схему рис.1. Поскольку ГВЧ имеет высокоомный выход, то вместе с ГВЧ спаяли и буферный каскад на транзисторе VT3. Но именно с этим каскадом и связаны проблемы.
Вернее будет сказать, что режим работы полевого транзистора (ПТ) каскада VT3 выбран неправильно. Причем, совсем неверно. Поскольку схема ГВЧ привлекательная, то рассмотрим ситуацию подробнее. В оригинале данный ГВЧ используется в составе гетеродинного индикатора резонанса (ГИР). То есть, как отмечалось, в схеме есть еще каскад для измерения ВЧ напряжения на контуре L1С1. Для реализации ГИР такой индикатор необходим. Он, по сути, для ГИР, смысл измерений ГИР При совпадении частоты ГИР (ГВЧ) и резонансной частоты измеряемого контура часть энергии отбирается из контура ГИР (ГВЧ). Это приводит к изменению напряжения на контуре ГВЧ. При совпадении этих частот напряжение на контуре ГИР уменьшается. Естественно, на применении в ГИР, использование данной схемы далеко не ограничивается.
Рассматриваемый ГВЧ подходит во многих других ситуациях. Когда нужен простой ГВЧ с рабочей частотой до 100 МГц, и больше, то данная схема подходит идеально.
Примечательно, что схема генерирует при очень широком изменении L и С, На практике это выручает часто. Отличительная особенность этого ГВЧ - отсутствие отвода у контурной катушки. Это очень удобно. А во многих ситуациях является решающим фактором. Особенно, если нет возможности в катушке выполнить отвод. К примеру, катушка уже изготовлена (заводского исполнения). Она многослойная, или вообще «неразборная». И подобраться к проводу обмотки для выполнения отвода нет возможности. Вот тут-то и выручают подобные схемы ГВЧ. Ведь существуют и другие схемы ГВЧ, где тоже не нужен отвод от контурной катушки. В частности, широкоизвестна схема на так называемом «лямбда-диоде». Этот «лямбда-диод» выполнен на двух экземплярах ПТ. Используются ПТ с управляющим р-n переходом, но с разной проводимостью каналов. И последнее обстоятельство является решающим фактором. Если точнее, то первоопределяющим. Он и препятствует широкому практическому применению схемы ГВЧ на «лямбда-диоде». Проблема - в подборе по параметрам необходимых экземпляров ПТ разной проводимости в пары.
О подборе ПТ для ГВЧ.
Кому доводилось иметь дело с подбором ПТ, тот знает, что процесс этот непростой. Для подбора ПТ нужно иметь не один десяток экземпляров ПТ Требуется запастись и терпением. Да и времени такой подбор ПТ отнимет немало. Непросто и не быстро бывает найти (отобрать) даже два близких по параметрам экземпляра ПТ из однотипных ПТ. Например, для работы двух ПТ в дифференциальном каскаде. Но тут процесс можно себе облегчить, если приобрести большое количество однотипных ПТ из одной партии. А если нужно подобрать в пары ПТ типов КПЗ0ЗД и КП103М? Например, хотя бы для комплементарного двухтактного повторителя напряжения (буферного каскада), рассчитанного для работы в широкой полосе частот. Практика много раз показывала, что на одну подобранную по параметрам пару ПТ КП103М (или Л) – КПЗ0ЗД (или Е) требуется иметь 20-30 экземпляров ПТ. То есть, для имеющегося экземпляра КПЗ0ЗД обычно требуется не менее 10 экземпляров КП103М. Последние дешевле в приобретении, чем КПЗ0ЗД (Е). Причем, весьма существенно. Цены на металлические КПЗ0З взвинчены весьма ощутимо. И теперь КП103 серия может быть дешевле в 5-10 раз, чем КПЗ0З! Очевидно, какие ПТ приходится покупать для подбора.
Важная информация о зарубежных ПТ.
Казалось бы, что в наше время проблему смогут решить зарубежные типы ПТ. Но и здесь свои нюансы. Сначала маломощные ПТ, особенно с Р-каналом (аналоги КП103 серии), были дефицитом. Их просто не было в прайсах реализаторов. Теперь же, они стали появляться, но цены резко пошли вверх. Причем, неадекватно зарубежной валюте. Подъем валюты был прекрасным поводом для подъема цен на зарубежные комплектующие. Причем, последующее укрепление гривны не привело к адекватному снижению цен на зарубежные комплектующие. Хотя, должно бы.
В итоге, фирмы-реализаторы зарубежных комплектующих продают маломощные ПТ серии J по ценам... мощных ПТ серии IRF. Судите сами. ПТ типа IRF 510 (43Вт) стоит 2,5 грн, а 0,4Вт (т.е всего 400мВт) 2SJ74 - более 9 грн ! Это цены декабря 2009 года. Причем, в одном из самых недорогих интернет-магазине. Чтобы сказанное не расценивалось как реклама конкретной фирме, ее название не указывается. Естественно, во многих других торговых «точках» цену умножайте примерно на два! А если еще сказать, то из серии J транзисторов у большинства фирм присутствует «позиция» отсутствия... И разговор не идет о маломощных СВЧ ПТ Р-канальный ПТ типа 2SJ74 является комплементарным.
N-канальному ПТ типа 2SK170. Оба - типичные представители маломощных ПТ, весьма широко применяемых в дальнем зарубежье, особенно, в аудиотехнике. И не только в аудиотехнике. Большой недостаток наших ПТ типа КП103 заключается также в малом допустимом напряжении сток- исток (иси.макс). Это серьезно ограничивает возможности использования этих ПТ Да, Uси=10В резко ограничивает применение этих ПТ. Зато ПТ типа 2SJ74 рассчитаны на напряжение до 25В. Вторая замечательная пара зарубежных ПТ - это 2SJ103 и 2SK246. Их максимально допустимое напряжение 11си. макс= 50В.
Перечисленные типы ПТ можно еще приобрести в Украине. С другими типами ПТ ситуация проблемная. Как видим, ограничение на напряжение снимаются. Стоит только перейти на зарубежные комплектующие. Поскольку автор и сам очень долго испытал на себе проблему дефицита таких ПТ, то и решено было вкратце рассказать об этом важнейшем вопросе.
Вторая проблема Р-канальных ПТ, особенно наших отечественных КП103М заключается в плохих частотных характеристиках. Они более чем на несколько порядков хуже, чем у серии КПЗ0З. С серией КП307 даже сравнивать некорректно. Таким образом, лямбда-диод выполнить no-сути, для ВЧ диапазонов (до 100Мгц), проблематично.
Если нет возможности приобретения Р-канального ПТ для лямбда-диода ГВЧ, то ГВЧ можно выполнить по схеме рис.1. Здесь аналог лямбда-диода выполнен на Р-канальном ПТ и PNP биполярном транзисторе. Главное, что ВЧ биполярный PNP транзистор не является дефицитом. Как результат, схема ГВЧ оказывается работоспособной на частотах свыше 100 МГц. Теперь вернемся к проблеме каскада VT3. Этот каскад - согласующий (буферный). Он выполнен по схеме с общим стоком (истоковый повторитель). И по внешнему виду - типичная схема с общим стоком (ОС). Поэтому ее доверчиво и повторили согласно [1]. Однако, при макетировании быстро выяснились весьма неприятные обстоятельства. Ведь схема-то заработала сразу. Но, к сожалению, в этой схеме получить на выходе синусоидальный сигнал невозможно. То есть, чистой синусоиды не достигнуть. Под словом «чистой» понимаем синусоиду без видимых на экране осциллографа искажений формы этой синусоиды. В экспериментах использовался осциллограф С1-65А. Он прекрасно справляется с наблюдением сигналов при частотах 30 МГц и выше. Его рабочий диапазон - до 50 МГц. В итоге, искажения сигнала наблюдались не только на ВЧ диапазоне. Проблема сильных «искривлений» синусоиды имеет место на любых частотах. И дело здесь не в каких-то ВЧ «секретах» схемотехники.
Все оказалось куда «банальнее». Действительно, на контуре ГВЧ (L1C1) сигнал был почти синусоидальный. Небольшие искажения имеются. Но они совсем не такого характера, как на выходеVT3. Небольшие «горизонтальные» искажения синусоиды вызваны неудачным режимом по постоянному току VT1. Эти искажения полностью устраняются подбором резистора R2. Как результат - получена правильная синусоида на контуре L1C1, без видимых на экране осциллографа искажений. Но на истоке VT3 синусоиды нет. И тут ситуация изменилась незначительно. В этой точке схемы и после коррекции режима работы VT1, дальше наблюдаем линии - горбатые фигуры. Сигнал искажен очень сильно. Главным образом искажена форма отрицательной полуволны синусоиды. Причем, до двухгорбой «кривой». Поэтому, с самого начала в схему был введен резистор R6. Он обведен на схеме линией. В оригинале схемы применен ПТ типа BF245 (аналог КПЗ0ЗЕ). Но и для него сопротивление резистора, равное (как в оригинале) 560 Ом является недопустимо заниженным. Поэтому добавлен подстроечный резистор 1кОм. Но для исправления ситуации с искажениями этого мало. Вернее сказать, полученного эффекта совсем недостаточно. Изменение напряжения питания схемы тоже ничего не дает. Только «кривая» растет в масштабе. И все. Тут вспомнилось о ситуациях с аудиотехникой. И правильное решение пришло быстро. Проблема таких искажений решается в данной схемы двумя вариантами.
На практике можно применить два варианта изменения схемы.
Первый - использовать дву-полярное напряжение для питания схемы повторителя (схемы с ОС). И действительно, стоило только подать на схему VT3 (на его исток) через цепь R5 R6 L2 напряжение «минуса» (более 5 В), как проблема искажений отрицательной полуволны сигнала исчезла совсем. Делали это согласно рис.2.
 
И в этом случае сопротивление нагрузки VT3 уже не так сильно влияет на форму сигнала, как при однополярном питании. Второй вариант избавиться от «горбов» - подать положительное смещение на затвор ПТ VT3. Это отражено на рис.3.
 
И требуется всего лишь добавить один-единственный резистор между затвором и стоком (питанием схемы). Но почему-то ни в оригинале, ни в последующих статьях, копирующих схему ГВЧ, этого не сделано. Однако, отмечается, что схема выдает «чистую» синусоиду. Итак, нормальный синусоидальный сигнал можно получить только при осуществлении, как минимум, двух доработок в схеме: первая -увеличение в два-три раза сопротивления резистора в цепи истока. И вместе с тем, в обязательном порядке, обеспечив подачу положительного смещения на затвор ПТ. Синусоида не будет иметь правильную форму, если не подобрать сопротивление в цепи истока. С указанными в первоисточниках типами ПТ сопротивление в цепи истока нужно увеличить. Это хорошо заметно на экране осциллографа. Безошибочно подбирается номинал этого резистора. То есть, двухкратная ошибка в номинале исключена, если воспользоваться осциллографом. Сопротивление резистора в истоке настолько
сильно влияет на форму сигнала, что не составляет особого труда точно его подобрать. Для проверки результатов впаиваем другой экземпляр ПТ, затем третий. Убеждаемся, что указанный номинал истокового резистора 560 Ом не подходит. Его надо увеличивать. Следует сразу отметить, что с двуполярным напряжением проще и быстрее получить нужный результат. Задавшись напряжением питания, к примеру -5В для ПТ типа КПЗ0ЗЕ(Д), остается подобрать только сопротивление в цепи истока. Параметры дросселя зависят от рабочей частоты ГВЧ. Чем ниже частота, тем больше должна быть индуктивность этого дросселя. В данном случае дроссель L2 - заградительный элемент. Его цель - не пропускать ВЧ токи, но обеспечить режим ПТ по постоянному току. Иначе говоря, данный дроссель сродни динамической нагрузке или генератору стабильного тока. Однако, ни какие дроссели здесь не исправляют ситуацию, если режим ПТ выбран ошибочно. По постоянному току режим ПТ VT3 проще подобрать экспериментально, нежели заниматься расчетами. Подается сигнал с генератора ВЧ. Подбором истокового резистора добиваются максимально возможного и симметричного напряжения, при котором обеспечивается неискаженная форма сигнала синусоиды на истоке ПТ. Несколько сложнее будет со схемой при однополярном питании. Но все равно тут быстрее подобрать два резистора, чем заниматься расчетами. Главное, что мы можем найти наилучший режим работы для реального ПТ транзистора, совсем не зная даже его параметров! То есть, не нужно время тратить и на измерение параметров ПТ. Дело еще и в том, что схема VT3 должна быть рассчитана не на малосигнальный режим, а на режим большого сигнала. Видимо, в этом и состоит традиционность многих схем. Используется шаблон, а схема, в реальности, если и повторяется, то на форму сигнала точно не проверяется. Иначе как можно объяснить обещания синусоидальности сигнала, в то время, кода схема никак не может этого обеспечить. Каскад с ОС построен чисто для малосигнального варианта. А для большого сигнала не пригоден совсем. Если вспомнить ламповые каскады усилителей (катодных повторителей) сигнала, то можно отметить одно их существенное отличие . Для организации рабочей точки катодного повторителя напряжение сеточного смещения поступает с катода. То есть, часть напряжения с катода поступает и на сетку. Такая схема немного сложнее рассмотренных. Автор сюда ее не предлагает, поскольку в данном ГВЧ ее не испытывал. Но вполне очевидно, что этот вариант пригоден и здесь. Многие схемные решения, используемые в аудиотехнике, отлично подходят и на ВЧ. Так что вполне реально его можно приспособить и для данного ГВЧ. Ведь ламповые схемы подобны ПТ. И если вспомнить, то схемы низкочастотных буферных каскадов такого варианта иногда встречались, хотя и редко. Главное, что будет обеспечено и изменение напряжения на затворе, в зависимости от напряжения на истоке. Налицо коррекция режима работы ПТ, в зависимости от переменного напряжения на истоке ПТ. То есть, это уже будет совсем не та схема VT3, что на рис.1, где затвор соединен с общим проводом схемы. В принципе, для режима большого сигнала важно «оторвать» затвор от общего провода и обеспечить положительное напряжение между затвором и истоком. Режим ПТ при этом удается изменить кардинально, что позволяет передавать без заметных искажений отрицательную полуволну сигнала большой амплитуды. Критерием правильности служат два фактора. Первый -максимальная амплитуда сигнала. Второй - симметричное ограничение обеих полуволн сигнала. Если это не выполняется, то каскад работает отвратительно и нет смысла говорить о синусоидальности сигнала. Самый элементарный - прикидочный (на «глаз») подход требует организации рабочей точки ПТ примерно посредине передаточных характеристик ПТ. Если смотреть глубже, то нужно обеспечить работу ПТ при постоянном напряжении 3-И, т.е. при постоянном токе стока. Но опять же, на практике проще подобрать режимы ПТ, получив сразу и конкретный - конечный результат.
Литература
1.  Коротковолновый ГИР. За рубежом // Радио. - 2006.  -№11.-С.72.
2.  Перуцкий А. ВЧ-генератор // Радиомир. - 2008. - №9 -С.26-27