§ 9.2. Элементы систем апч

В состав цепей АПЧ входят частотные детекторы, управляющие элементы, фильтры, усилители и некоторые специальные устройства, характерные для тех или иных разновидностей систем АПЧ (фиксирующие цепи, генераторы поиска и др.).

Частотные детекторы были подробно рассмотрены в гл. 7. ЧД является в данном случае чувствительным элементом системы АПЧ и к нему предъявляется ряд требований, отличных от требований, предъявляемых к частотным детекторам приемников ЧМ-сигналов. Типичная детекторная характеристика ЧД приведена на рис. 9.6. Ее важнейшими показателями являются крутизна 5чд ==

duun [В 1 = 77—^ ~ и полоса частот Д/чд-

Существенное значение для работы системы АПЧ при больших расстойках имеет также форма скатов детекторной характеристики.

Управляющий элемент под воздействием регулирующего напряжения изменяет частоту генерации генератора Г. Все управляющие элементы можно подразделить на чисто электронные и электромеханические. Электронные управляющие элементы отличаются безынер-ционностью, малым потреблением мощности от источника регулирующего напряжения, но обычно не позволяет перестраивать гетеродин в широких пределах. Для гетеродинов с отдельными колебательными система-

ми основными видами управляющих элементов являются варикапы (ва-ракторы) и реактивные транзисторы.

Варикап — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении на />п-переходе. Варикапы отличаются небольшими размерами, малой мощностью, потребляемой от цепи управления (ток запертого перехода очень мал), широким диапазоном рабочих частот, высокой механической прочностью и отсутствием микрофонного эффекта.

Емкость варикапа зависит от приложенного напояжения следующим

образом: где

С_в (0) — емкость при и = 0; ср_к — контактная разность потенциалов (фк=0,8 в _для кремния). Графически эта зависимость изображена на рис 9.7. Пределы изменения емкости ограничены пробоем р-п-перехо-

Д^а ("max) И ВЫХОДОМ НЭ уЧЭСТОК ПрЯ-

мой проводимости («щщ) с увели-чением шунтирующего действия варикапа на перестраиваемый контур гетеродина. Вообще же добротность варикапа зависит от частоты. На низких частотах она определяется в основном активным сопротивлением p-n-перехода (Q„ = соС_в/?_р_„), а на высоких частотах — объемным сопротивлением полупроводника (Q_B — 1/шС_вл,.). Имеется частота, на которой добротность варикапа максимальна. Значение Q_m имеет порядок несколько тысяч на частотах, измеряемых единицами мегагерц, и падает До нескольких десятков на частотах 100 МГц.

При больших амплитудах переменного напряжения в варикапе возникает детекторный эффект, появляется постоянная составляющая тока, которая, создавая падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника регулирующего напряжения ы_р, управляет варикапом. Чтобы снизить влияние детекторного эффекта, не рекомендуется включать в цепь варикапа омические фильтры с большим сопротивлением. Целесоообразно встречное включение двух варикапов. При этом снижается нелинейность контура, перестраиваемого варикапом. Пример подобной схемы управления частотной настройки контура приведен на рис. 9.8.

В качестве неременных электрически управляемых емкостей иногда используют и обычные диоды при обратном смещении, а также емкости переходов транзисторов.

Управляющими элементами могут быть также реактивные транзисторы или реактивные лампы. Благодаря особой схеме включения в них создается отличный от нуля (или от 180 ) фазовый сдвиг между током и напряжением. Обобщенная схема реактивного транзистора приведена на

Рис. 9.9

рис. 9.9. В качестве реактивных элементов могут служить активные приборы с большим внутренним сопротивлением. Они поддаются регулировке внешним управляющим напряжением на частотах, где крутизну можно еще считать чисто действительной величиной.

Допустим, что выполняется условие |/_д| <С |/|- Тогда проводимость схемы между точками а — б

Видно, что проводимость зависит как от сопротивлений Z,, Z₂, так и от крутизны активного прибора S. В этом заложена возможность электронного управления проводимостью У_аб, подачей регулирующего напряжения на затвор (базу) реактивного транзистора.

В табл. 9.1 указаны значения активных сопротивлений и емкостей (или индуктивностей) между точками а б для некоторых простейших видов

сопротивлений Z_x и Z*. При этом Уаб== l/Ra6+(l/joiL_u6) (или/соС,,,-,). Пре-делы регулировки ограничены запиранием транзистора и чрезмерным током управляющего электрода.

Реактивный транзистор подключается параллельно контуру гетеродина полностью или частично в зависимости от требуемого перекрытия по частоте и допустимого шунтирования контура активным сопротивлением R_a6 (оно уменьшается с ростом крутизны 5).

Электромеханические управляющие устройства отличаются значительной инерционностью, но позволяют по-получить автоподстройку в широком диапазоне частот. Как правило, они имеют в качестве исполнительного механизма электродвигатель с редуктором, перемещающий орган перестройки — ротор переменного конденсатора или вариометра, подстроечный плунжер объемного резонатора или короткозамыкающий мостик резонатора на отрезках линий и т.п.

Электродвигатель является интегрирующим звеном системы АПЧ и в принципе придает ей астатические свойства, т. е. возможность сведения остаточной ошибки регулирования до нуля. Практически этому препятствует неизбежное влияние трения в подшипниках двигателя и в редукторе. Система АПЧ останавливается, когда вращающий момент уравнивается с моментом трения в подшипниках двигателя и в редукторе.

Таблица 9.1

	R	С	R	L
h	С	R	L	R
		1+(ыСД)«	/?2 + w2L2	R*+ co2L-
	S	S (coC/?)2		SR2
La6	1 + (шСЯ)2	SCR	SLR
	Sa>*CR ac'	1 + (шС/?)2 а6		StfLR ~La*

Основной областью применения электромеханических управляющих устройств являются широкодиапазонные системы АПЧ малого быстродействия.

В качестве гетеродинов приемных СВЧ-устройств широкое применение находят отражательные клистроны и лампы обратной волны (ЛОВ). Эти генераторные приборы не требуют специальных управляющих элементов, так как частота генерируемых ими колебаний зависит от напряжения на электродах. Для отражательных клистронов наиболее удобным электродом для подачи регулирующего напряжения является отражатель. Это бестоковый электрод, не потребляющий мощности от источника и_р и сильно влияющий на частоту генерации.

Типичные колебательные характеристики отражательного клистрона приведены на рис. 9.10. В каждой зоне генерации частота убывает с уменьшением и_0тР. Диапазоном электронной перестройки Д/₃ считается диапазон частот, в котором мощность генерации не меньше чем 0,5Р,„. Приближенно А/_э да l,2/_r/Q„, где /_г — центральная частота генерации; Q„ — нагруженная добротность резонатора клистрона.

Крутизна 5_Г характеристики /г("отр) ^в пределах диапазона электронной перестройки обычно имеет порядок долей мегагерц на вольт.

ЛОВ отличаются очень широким перекрытием по частоте при изменении напряжения на замедляющей системе. Для гетеродинных ЛОВ изменение напряжения на замедляющей "з-с от сотен вольт до единиц киловольт вызывает изменение частоты генерации в несколько раз. Подобного перекрытия по частоте не дают другие генераторные приборы. Частота генерации очень мало зависит от характера нагрузки. Типичные зависимости мощности и частоты от напряжения на замедляющей системе изображены на рис. 9. П.. Крутизна характеристики /_г(ы_:,._с) имеет порядок долей-единиц мегагерц на вольт.

Систему гетеродин — управляк щее устройство принято оиисыват регулировочной характеристике /г ("р)> являющейся зависимость! частоты генерируемых колебаний о регулирующего напряжения в ста™ ческом режиме. При анализе процес сов в системе АПЧ эту характеристи ку обычно линеаризируют и пользу ются ее параметром — крутизной ре гулировочной характеристики:

Иногда вместо абсолютной значения частоты берут Д/_г -= /г — /г.ном. где/_г._и<)%1 —номинальна значение частоты генерации, илт А/г = /г — /э. где /_э — эталонно, значение частоты. Типичная регули ровочная характеристика гетеродин; приведена на рис. 9.12. Здесь Д/_э — диапазон электронной перестройю частоты. Любые воздействия на /_г отличные от воздействия и_р, переме щают регулировочную характеристи ку вдоль оси частот, вызывая началь ную расстройку гетеродина Д/_г (пунк тир на рис. 9.12). Заметим также, чте в целях нормальной работы системь АПЧ (снижение ошибки настройки] для систем абсолютной частоты и про-

Рис. 9.12

межуточной частоты при /_г > /_с. необходимо, чтобы знаки 5чд и S_r были противоположны, т. е. 5чд S_r<0. Для систем промежуточной частоты при /,, < /_с, наоборот, требуется, чтобы Sh/i S_r >• 0 (знаки одинаковы). Это положение будет проиллюстрировано далее.

Фильтры систем АПЧ в основном аналогичны фильтрам систем АРУ (см. § 8.2). Чаще всего используется однозвенный RC -фильтр нижних частот (см. рис. 8.11, а).

Усилители постоянного напряжения не только усиливают напряжение или мощность регулирующего сигнала, но и переносят его уровень на необходимое значение постоянной составляющей, а также меняют (или не меняют) знак крутизны 5чд. Вообще усиление на постоянном токе можно рассматривать как увеличение абсолютного значения крутизны 5чд в Ку раз. В дальнейшем под 5чд будем понимать крутизну детекторной характеристики с учетом усиления. Чередование элементов фильтр— усилитель в цепи АПЧ безразлично и диктуется конкретными условиями.