В миниатюрных транзисторных радиопередающих устройствах формирование высокочастотного сигнала несущей частоты осуществляется с помощью специальных каскадов, представляющих собой обычные ВЧ-генераторы. При разработке таких генераторных каскадов чаще всего используются весьма простые и хорошо известные схемотехнические решения, позволяющие добиться весьма приемлемых характеристик.
В зависимости от особенностей схемотехнических решений, применяемых при их конструировании, ВЧ-генераторы можно разделить на несколько групп. В настоящее время в транзисторных микропередатчиках и радиомикрофонах широкое распространение получили обычные генераторы с резонансными LC-контурами, а также генераторы с кварцевой стабилизацией частоты, выполненные на биполярных или полевых транзисторах. Поэтому в данной главе рассматриваются особенности функционирования транзисторных ВЧ-генераторов, их основные параметры и характеристики, а также основные достоинства и недостатки высокочастотных генераторов, разработанных на основе наиболее часто используемых в радиолюбительских конструкциях схемотехнических решений.
Необходимо отметить, что подробное описание теоретических основ функционирования узлов и блоков высокочастотных генераторов малогабаритных радиопередатчиков, к сожалению, выходит за рамки предлагаемого издания в связи с его ограниченным объемом. Поэтому принципы работы таких устройств будут рассмотрены весьма упрощенно, не претендуя на академическую точность.
Конечно же, в специализированной литературе и в сети Интернет можно найти немало схемотехнических решений и описаний конструкций микропередатчиков, в которых для генерации высокочастотных сигналов несущей частоты используются каскады, выполненные на другой элементной базе, например, на микросхемах, на туннельных диодах или л-диодах. Однако рассмотрение основных принципов функционирования таких устройств выходит за рамки предлагаемой книги.
3.1. Общие сведения
Основу высокочастотного тракта любого радиопередатчика, в том числе и транзисторного, составляет генератор высокочастотных колебаний. Прежде чем перейти к рассмотрению некоторых схемотехнических решений ВЧ-генераторов, применяемых в миниатюрных транзисторных радиопередающих устройствах, автор считает необходимым привести некоторые основополагающие сведения, касающиеся теоретических основ генерации высокочастотных радиосигналов. В данном разделе рассматриваются вопросы, касающиеся назначения и основ функционирования высокочастотных генераторов, критерии их классификации, а также основные характеристики. Особое внимание уделено мерам, принимаемым для обеспечения стабильности частоты сигнала, формируемого ВЧ-генератором.
Назначение и принцип действия
Неотъемлемой частью любого миниатюрного радиопередающего устройства является специальный каскад, который предназначен для генерации высокочастотного сигнала несущей частоты. Главной отличительной особенностью такого каскада, который в соответствии с его назначением называется генератором, является возникновение незатухающих ВЧ-колебаний. Такие колебания в генераторе могут возникать либо самопроизвольно, либо при наличии определенного внешнего воздействия (управляющий импульс и т. п.). Генераторы, в которых колебания возникают самостоятельно, часто называют автогенераторами или самовозбуждающимися генераторами.
С точки зрения схемотехники генераторы высокочастотного сигнала несущей частоты, применяемые в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках и радиомикрофонах, чаще всего представляют собой усилительный каскад, между выходом и входом которого включена цепь положительной обратной связи. Применение именно положительной обратной связи объясняется тем, что колебания, подаваемые с выхода усилительного каскада на его вход, должны иметь такую полярность, которая необходима для поддержания уже возникших в каскаде колебаний.
При рассмотрении принципа действия генератора входящий в его состав усилительный каскад можно представить как четырехполюсник, без искажений усиливающий подаваемый на его вход сигнал, то есть функционирующий в нормальном (штатном) рабочем режиме. В этом случае форма выходного напряжения такого каскада будет полностью повторять форму напряжения на его входе, но в тоже время будет отличаться большей амплитудой и в некоторых случаях фазой. Если же теперь выходной сигнал усилителя подать на его вход через специальный каскад (цепь обратной связи), который обеспечит преобразование его амплитуды и, при необходимости, фазы таким образом, чтобы они соответствовали аналогичным параметрам входного сигнала, то подавать на вход каскада какой-либо сигнал извне не потребуется. Это значит, что первоначальный входной сигнал может быть отключен, а вместо него в качестве входного будет использоваться соответствующим образом преобразованный выходной сигнал. В результате каскад продолжает функционировать, но уже не как усилитель, а как генератор сигнала. Таким образом, генератор высокочастотных колебаний можно представить как специальный преобразователь, в котором энергия постоянного тока источника питания преобразуется в энергию переменного тока высокой частоты.
Одной из главных задач, решаемых с помощью цепи обратной связи, является такое преобразование амплитуды выходного сигнала, при котором после прохождения через цепь ОС величина амплитуды подаваемого на вход усилительного каскада будет достаточной для поддержания колебаний в системе. Именно это условие, часто называемое балансом амплитуд, является решающим при выборе определенной глубины обратной связи. При меньшей глубине или слабой обратной связи амплитуда выходного сигнала будет уменьшаться, колебания станут затухающими, что приведет к срыву генерации. При большей глубине или сильной обратной связи амплитуда выходного сигнала будет возрастать. В результате неконтролируемое увеличение амплитуды колебаний может привести к выходу из строя активного элемента усилительного каскада. В лучшем случае активный элемент (например, транзистор) либо войдет в режим ограничения, либо закроется.
Второй задачей, решение которой обеспечивает цепь обратной связи, является преобразование фазы выходного сигнала таким образом, чтобы она по отношению к фазе входного сигнала имела сдвиг 0° или 360°. В этом случае обычно говорят, что выходной сигнал подается на вход усилительного каскада в фазе. Выполнение данного условия, часто называемого балансом фаз, является основополагающим фактором при выборе схемотехнического решения активного элемента и цепи обратной связи. Необходимо отметить, что конкретные особенности усилительного каскада и цепи обратной связи обеспечивают синфазность выходного и входного сигналов лишь на одной частоте. Таким образом, частота формируемых генератором колебаний зависит от суммарного фазового сдвига непосредственно в усилительном каскаде и в цепи положительной обратной связи.
Усиление каскада и передаточная характеристика цепи обратной связи являются комплексными характеристиками и зависят от частоты сигнала. Поэтому в любом генераторе, обеспечивающем формирование незатухающих колебаний, в том числе и высокочастотном, такие колебания имеют вполне определенные амплитуду и частоту, значения которых зависят как от примененных при разработке усилителя и ПОС схемотехнических решений, так и от параметров входящих в их состав элементов. При этом амплитуда и частота формируемого генератором сигнала устанавливаются автоматически. Таким образом, для устойчивой работы генератора с необходимой частотой и амплитудой сигнала необходимо не только правильно выбрать, например, положение рабочей точки транзистора усилительного каскада, но и установить параметры цепи обратной связи (глубина обратной связи и фазовый сдвиг).
При разработке высокочастотных генераторов для миниатюрных транзисторных радиопередатчиков необходимость соблюдения условия баланса фаз имеет решающее значение при выборе схемы включения транзистора в усилительном каскаде. Дело в том, что при включении транзистора по схеме с общим эмиттером фазовый сдвиг между сигналом на его базе и сигналом на коллекторе будет составлять 180°. При выборе такой схемы включения цепь обратной связи, подключаемая между базой и коллектором, должна обеспечивать необходимый фазовый сдвиг. Если же транзистор будет включен по схеме с общей базой или с общим коллектором, то изменять фазу сигнала в цепи обратной связи не потребуется, поскольку фаза выходного сигнала при таких схемах включения совпадает с фазой входного сигнала. Необходимо отметить, что в указанных случаях речь идет о схемах включения транзистора по переменному току.
Состав и классификация
Генераторы высокочастотных колебаний несущей частоты, используемые в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках и радиомикрофонах, состоят из нескольких функциональных частей или блоков. Такими блоками обычно являются активный элемент, селективный элемент, цепь положительной обратной связи, а также вспомогательные каскады и элементы.
Активный элемент является основной составляющей частью ВЧ-генератора. Главной задачей такого элемента, в качестве которого обычно используется транзистор, является обеспечение условий для возникновения и поддержки высокочастотных колебаний. В отличие от транзисторов, применяемых в НЧ-генераторах, такой транзистор должен иметь как можно бо́льшую верхнюю граничную частоту и как можно меньшие паразитные емкости.
В зависимости от выбранного схемотехнического решения активного элемента высокочастотного генератора транзистор может быть включен по постоянному току либо по схеме с общим эмиттером, либо по схеме с общей базой, либо по схеме с общим коллектором. Необходимо отметить, что соответствующий электрод транзистора (например, эмиттер) считается общим по постоянному току, если к нему подключаются источники питания двух других электродов (например, базы и коллектора). В ВЧ-генераторах миниатюрных радиопередатчиков транзистор активного элемента по постоянному току обычно включается по схеме с общим эмиттером с соответствующими цепями питания, смещения и стабилизации положения рабочей точки.
По переменному току, независимо от примененной схемы включения по постоянному току, транзистор может быть включен также по одной из трех схем: либо с общим эмиттером, либо с общей базой, либо с общим коллектором. При этом электрод транзистора считается общим по переменному току, если к нему подключаются входное и выходное колебательные напряжения. Поэтому все переменные напряжения измеряются по отношению к общему электроду с помощью высокочастотного вольтметра. Если на электроде присутствует падение напряжения, то этот электрод считается изолированным, если же нет – то заземленным. Естественно, в схемах ВЧ-генераторов из трех электродов транзистора по высокой частоте может быть заземлен только один электрод.
Для схемотехнических решений высокочастотных транзисторных генераторов не является редкой ситуация, когда один и тот же электрод транзистора активного элемента является изолированным по переменному току и заземленным по постоянному току, или наоборот. Например, в хорошо известной схеме эмиттерного повторителя транзистор по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером, а по переменному току – по схеме с общим коллектором.
В качестве селективного элемента ВЧ-генератора малогабаритных радиопередающих устройств обычно используется либо резонансный контур, либо кварцевый резонатор. Именно селективный элемент оказывает решающее влияние на значение частоты сигнала, формируемого генератором, то есть является частотозадающим элементом. Например, в рассматриваемых далее схемотехнических решениях LC-генераторов селективный элемент чаще всего представляет собой обычный колебательный контур, состоящий из включенных параллельно конденсатора и катушки индуктивности.
Колебания, возникающие в параллельном резонансном контуре при подаче на него постоянного напряжения, например, при включении питания, являются затухающими вследствие потерь энергии в контуре. Для получения незатухающих колебаний необходимо подать в контур колебания, совпадающие по фазе с первоначально возникшими свободными колебаниями, которые к тому же должны иметь достаточную мощность для компенсации потерь энергии в контуре. Именно такие требования предъявляются к колебаниям, которые формируются на выходе активного элемента генератора. При соблюдении указанных условий амплитуда колебаний в резонансном контуре станет постоянной, то есть в контуре возникнут незатухающие колебания.
Элементы, входящие в состав цепи положительной обратной связи, обеспечивают обратную связь между выходом и входом каскада, выполненного на активном элементе. Параметры элементов цепи обратной связи определяют условия достижения и поддержания балансов амплитуды и фазы, необходимых для возникновения незатухающих колебаний и стабильной работы ВЧ-генератора.
Вспомогательные элементы в первую очередь обеспечивают работу транзистора по постоянному току, определяя положение рабочей точки транзистора и ее стабилизацию. Помимо этого, определенные элементы могут использоваться для связи между активным элементом и резонансным контуром.
Несмотря на огромное количество схемотехнических решений высокочастотных генераторов для миниатюрных транзисторных радиопередатчиков, в них всегда присутствуют основные элементы и соответствующие связи между ними, которые определяют критерии классификации генераторов и их характеристики.
В специализированной радиотехнической литературе можно найти различные критерии и, соответственно, системы классификации высокочастотных генераторов. Однако ограниченный объем данной книги не позволяет подробно рассмотреть даже некоторые из них. Поэтому далее остановимся лишь на важнейших критериях и признаках, чаще всего используемых в качестве основы для классификации ВЧ-генераторов, применяемых в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках.
Одним из основных критериев, применяемых при классификации ВЧ-генераторов, является тип селективного элемента. Поэтому часто классификацию по такому принципу называют классификацией по типу селективного элемента. В соответствии с этим критерием высокочастотные генераторы делятся на LC-генераторы, RC-генераторы, а также кварцевые генераторы. В миниатюрных транзисторных радиопередатчиках обычно применяются LC-генераторы и кварцевые генераторы.
В LC-генераторах в качестве селективного элемента используется резонансный контур, образованный включенными параллельно катушкой индуктивности и конденсатором. Отличительной особенностью этого типа генераторов является минимальный уровень искажений формируемого сигнала, поскольку резонансный контур подавляет частотные составляющие высших гармоник даже в том случае, когда активный элемент работает в нелинейном режиме.
Необходимо отметить, что LC-генераторы, в зависимости от схемотехнического решения цепи положительной обратной связи, делятся на генераторы с индуктивной связью, с емкостной связью и трехточечные генераторы (так называемые трехточки). В генераторах с индуктивной связью цепь положительной обратной связи между входным и выходным электродами транзистора образована индуктивной связью, а в генераторах с емкостной связью – емкостной. В трехточечных ВЧ-генераторах, которые в свою очередь делятся на индуктивные и емкостные трехточки, резонансный контур подключен к активному элементу в трех точках. Некоторые специалисты считают индуктивную трехточку частным случаем генератора с индуктивной связью, емкостную трехточку – частным случаем генератора с емкостной связью.
В миниатюрных транзисторных радиопередатчиках широко используются так называемые кварцевые генераторы, в которых в качестве селективного элемента используется кварцевый резонатор. Главной особенностью таких ВЧ-генераторов является формирование сигнала одной частоты, значение которой определяется особенностями кварцевого резонатора. При этом выходной сигнал может генерироваться не только на основной частоте резонанса, но и на частотах гармонических составляющих. Кварцевые генераторы отличаются высокой стабильностью частоты сигнала, поэтому часто их называют генераторами с кварцевой стабилизацией частоты.
Основные характеристики
Основными характеристиками, оказывающими решающее влияние на выбор схемы высокочастотного генератора малогабаритного радиопередатчика или радиомикрофона, являются частота генерируемых колебаний и ее стабильность, а также напряжение питания и выходная мощность.
При изготовлении и проведении экспериментов с миниатюрными транзисторными радиопередающими устройствами особое внимание следует обратить на выбор значения рабочей частоты высокочастотного генератора, которая чаще всего является несущей частотой выходного сигнала всей конструкции. Дело в том, что действующее законодательство Российской Федерации достаточно четко регулирует порядок и условия производства, сбыта и/или приобретения (в том числе и в целях сбыта), ввоза, вывоза, а также использования радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств, в том числе и радиопередатчиков. К сожалению, ограниченный объем данной книги не позволяет подробно рассмотреть правовые основы производства и использования высокочастотных радиопередающих устройств в России. Поэтому далее будут приведены лишь некоторые, весьма ограниченные сведения, необходимые для выбора частоты ВЧ-генератора маломощного транзисторного радиопередатчика или радиомикрофона.
Действующее законодательство России содержит правовую норму, в соответствии с которой изготовление, приобретение, ввоз в Российскую Федерацию, использование (эксплуатация) радиоэлектронных средств гражданского применения на территории Российской Федерации осуществляются на основании разрешений, выдаваемых органами службы государственного надзора за связью в Российской Федерации. Указанные разрешения выдаются в соответствии с установленным порядком по заявкам юридических и физических лиц, включая иностранных.
В то же время на территории России действует Перечень радиоэлектронных средств, для которых не требуется разрешение на использование. Этот Перечень утвержден Решением Государственной комиссии по радиочастотам при Минсвязи РФ от 2 апреля 2001 года (с последующими изменениями). В соответствии с указанным Перечнем не требуется разрешение на использование некоторых категорий радиоэлектронных (высокочастотных) средств. К таким средствам или устройствам относятся, например, концертные радиомикрофоны, работающие на фиксированных частотах 165,70 МГц, 166,10 МГц, 166,50 МГц и 167,15 МГц, имеющие выходную мощность до 20 мВт. Помимо этого не требуется разрешение на использование радиомикрофонов типа «Караоке» мощностью до 10 мВт, работающих в частотных диапазонах от 66 МГц до 74 МГц, от 87,5 МГц до 92 МГц и от 100 МГц до 108 МГц. Также не требуется разрешение на использование концертных радиомикрофонов мощностью до 5 мВт, работающих в частотных диапазонах от 151 МГц до 216 МГц, от 175 МГц до 230 МГц, от 470 МГц до 638 МГц, от 710 МГц до 726 МГц.
Для того чтобы радиолюбители избежали возможных неприятных недоразумений с правоохранительными органами, автор рекомендует всем читателям, которые решат не только повторить конструкции радиопередающих устройств, описание которых приведено в данной книге, но и проводить самостоятельные эксперименты в этой области, ознакомиться с соответствующими законодательными актами России. Необходимую информацию заинтересованные радиолюбители могут найти в специализированной юридической литературе или в распространяемых в электронном виде различных справочных правовых системах (например, в системе «ГАРАНТ»).
Одним из важнейших параметров, качественно характеризующих высокочастотный генератор маломощных радиопередающих устройств, является стабильность частоты выходного сигнала. Данный параметр определяется как абсолютное значение отклонений частоты генерируемого сигнала, вызванных различными причинами, за определенный промежуток времени. Необходимо отметить, что генераторы с кварцевой стабилизацией частоты, по сравнению с обычными LC-генераторами, отличаются значительно более высокой стабильностью частоты сигнала.
Напряжение питания высокочастотных генераторов транзисторных микропередатчиков обычно соответствует напряжению питания остальных каскадов. В некоторых случаях, с целью обеспечения высокой стабильности частоты, питание генератора может осуществляться меньшим напряжением, которое формируется специальным стабилизатором.
При разработке и создании миниатюрных транзисторных радиопередатчиков и радиомикрофонов особого внимания заслуживает выбор мощности изготавливаемой конструкции. Значения выходной мощности таких устройств должны соответствовать требованиям действующего законодательства Российской Федерации, о которых было рассказано ранее. Остается добавить, что также не требуется специальное разрешение, например, на эксплуатацию детских радиопереговорных устройств, работающих в полосе радиочастот от 26957 кГц до 27283 кГц, с мощностью излучения не более 10 мВт.
Обеспечение стабильности частоты ВЧ-генератора
Существует несколько основных причин, которые могут привести к отклонениям частоты в высокочастотных генераторах миниатюрных транзисторных радиопередатчиков и радиомикрофонов. Среди них в первую очередь следует отметить применение некачественных элементов, изменения температурного режима, отклонения напряжения питания, изменение параметров нагрузки и особенности конструктивного исполнения.
При выборе элементной базы особого внимания требует правильный подбор транзистора активного элемента, который должен иметь достаточно высокую граничную частоту. На практике граничная частота транзистора должна быть в несколько раз больше, чем рабочая частота генератора. Дело в том, что на частотах, находящихся в непосредственной близости от граничной частоты, коэффициент усиления транзистора обычно недостаточно высок для обеспечения стабильной генерации незатухающих колебаний.
Стабильность частоты транзисторного ВЧ-генератора также зависит от возможного изменения внутреннего сопротивления транзистора и схемы его включения. Обычно при выборе схемотехнического решения высокочастотного генератора предпочтение отдается схемам включения транзистора с общей базой и с общим коллектором.
Также внимательно следует отнестись к качественным характеристикам элементов резонансного контура. В первую очередь это касается конструктивных особенностей катушки индуктивности, а также материалов, из которых она изготавливается. Витки катушки должны быть жестко закреплены на каркасе таким образом, чтобы исключить изменение их положения в результате как механического, так и теплового воздействия. С учетом данного требования следует выбирать и материал каркаса. Не рекомендуется для увеличения значения индуктивности применять катушку с сердечником, поскольку при долговременной эксплуатации устройства стабильность частоты может ухудшиться.
Параметры резонансного контура ВЧ-генератора зависят и от характеристик примененного в нем конденсатора. Использование конденсаторов с некоторыми типами диэлектрика, достаточно надежно функционирующих в низкочастотных каскадах, может привести к таким изменениям качественных параметров контура, в результате которых произойдет срыв колебаний генератора.
Изменения температурного режима отдельных элементов высокочастотного генератора, в первую очередь транзистора и элементов резонансного контура, также оказывают влияние на стабильность частоты сигнала. В значительной мере компенсировать влияние температуры на режим работы транзистора позволяет применение соответствующих схемотехнических решений, например, классической мостовой схемы стабилизации положения рабочей точки транзистора по постоянному току.
При изменении температуры окружающего пространства соответствующим образом изменяются как индуктивность катушки, так и емкость конденсатора, входящих в состав резонансного контура, что приводит к изменению его резонансной частоты. Температурные зависимости параметров элементов характеризуются соответствующими температурными коэффициентами. Например, значение индуктивности катушки при положительном температурном коэффициенте увеличивается с возрастанием температуры. Поэтому в некоторых случаях рекомендуется компенсировать влияние положительного температурного коэффициента катушки использованием конденсатора с соответствующим отрицательным температурным коэффициентом.
В транзисторных микропередатчиках напряжение питания высокочастотных генераторов транзисторных микропередатчиков обычно не отличается от напряжения питания остальных каскадов. Однако в некоторых схемотехнических решениях с целью обеспечения высокой стабильности частоты питание генератора осуществляется меньшим напряжением, которое формируется специальным стабилизатором. В результате при снижении напряжения элемента питания значение напряжения, подаваемого на высокочастотный генератор, остается неизменным.
Существуют и другие способы повышения стабильности частоты ВЧ-генератора, например, использование термостата, специальных фильтров в цепи питания и т. д. Необходимую информацию заинтересованные читатели могут найти в специализированной литературе и в сети Интернет.