Использование токового зеркала для предотвращения срыва колебаний в ВЧ-генераторах

Если вы когда-либо проектировали ВЧ-генератор, вы, вероятно, сталкивались с эффектом срыва колебаний. Явление срыва, которое иногда называют «motor boating» (шум работающего лодочного мотора) приводит к тому, что генераторы запускаются и останавливаются с частотами, которые намного ниже интересующей частоты. На осциллографе срыв выглядит как прерывистые колебания. На анализаторе спектра он выглядит как рождественская елка. В некоторых конструкциях, таких как суперрегенеративные приемники или радиометки для диких животных, это может быть желательным побочным эффектом. В большинстве же случаев это неприятное явление.
Срыв по своей сути является нелинейным эффектом. Поэтому его трудно смоделировать математически, хотя можно эффективно воспроизвести в вашем любимом Spice. Причиной срыва обычно является изменение смещения транзистора или другого активного элемента, отвечающего за поддержание положительной обратной связи.

Когда начинаются колебания, нелинейности приводят к значительному сдвигу напряжения смещения, вплоть до точки, где колебания прекращаются. Затем напряжение смещения возвращается к своему значению покоя, и колебания начинаются снова. Цикл повторяется с частотой, определяемой постоянными времени в цепи смещения. Плохая разводка схемы или недостаточная развязка по питанию также могут стать причиной срыва. Эти причины легко устранимы, но решение проблемы смещения иногда бывает труднодостижимым. Может помочь изменение точек смещения, но не всегда ясно, эффективно ли устраняются предпосылки к срыву.

Одним из способов избежать срывов колебаний является использование смещения с помощью токового зеркала вместо резисторов, применяемых в традиционных конструкциях. Как показано на Рисунке 1, схема, фактически, представляет собой обертонный генератор Колпитца. Если предположить, что пара транзисторов Q1 и Q2 согласована, то ток через транзистор Q2 практически идентичен току через Q1, который, по сути, является током через резистор R1. Пока напряжение питания остается постоянным, ток смещения не будет изменяться, поскольку напряжение база-эмиттер практически постоянно.

Дроссель L1 изолирует транзисторы Q1 от Q2 на высоких частотах; на постоянном токе он представляет собой короткое замыкание. Дроссель L2 служит двум целям: он удерживает эмиттер Q2 привязанным к земле и вместе с конденсатором C2 определяет частоту обертона кварцевого резонатора. На частотах выше частоты резонанса контура C2-L2 база транзистора Q2 представляет для кварцевого резонатора отрицательное сопротивление. Хорошо подходят значения реактивного сопротивления порядка 100 Ом. Бóльшие реактивные сопротивления увеличивают отрицательное сопротивление и снижают требования к току смещения. Частоту резонанса элементов C2-L2 выберите между желаемым обертоном и следующей более низкой резонансной частотой кварцевого резонатора. При указанных выше значениях реактивного сопротивления достаточно токов смещения порядка миллиампера или меньше.

Единственными критически важными компонентами являются согласованные транзисторы. Для УКВ подходят такие транзисторные сборки, как LM3046. Транзисторные пары, подобные XN6537 или XN6543 компании Panasonic, могут использоваться на частотах до нескольких гигагерц. Кварцевый резонатор может быть заменен катушкой индуктивности, ПАВ-резонатором, полосковой линией или резонатором другого типа. Ток смещения зависит только от тока через резистор R1, поэтому рабочую точку транзистора можно легко контролировать.

Источник: https://www.radiolocman.com/shem/schematics.html?di=676067