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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Estabilização de frequência GPA. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Nós de equipamentos de rádio amador. Geradores, heteródinas Talvez o nó mais crítico no transceptor seja o VFO, que determina a estabilidade da frequência e as características do ruído. Este artigo é uma tentativa de apresentar de forma popular o que é lindamente descrito no livro didático [1]. Ao mesmo tempo, todo o aparato matemático é omitido para não assustar leitores despreparados com fórmulas e diagramas vetoriais. A instabilidade de frequência dos auto-osciladores tem muitas causas. É condicionalmente possível dividir todas as causas de instabilidade em duas direções:
A razão mais simples para a primeira direção é a fragilidade mecânica da estrutura. A próxima razão óbvia para a mesma tendência é a instabilidade da temperatura. O aquecimento de partes do oscilador causa mudanças na indutância e na capacitância. Por exemplo, aquecer uma bobina enrolada com fio de cobre em uma estrutura de cerâmica causa a expansão do cobre, um aumento no comprimento do fio e um aumento no diâmetro do enrolamento. Isto implica um aumento na indutância e uma diminuição na frequência. O mesmo aquecimento de uma bobina enrolada em uma estrutura de fluoroplástico causa um aumento no diâmetro das espiras, mas devido à expansão linear excessivamente grande do fluoroplástico, a bobina é esticada em comprimento tanto que cobre o aumento de diâmetro , e como resultado, a indutância não aumenta, mas diminui, e a frequência aumenta. Por esta razão, o PTFE é completamente inadequado para circuitos altamente estáveis. A permeabilidade magnética da maioria dos materiais ferromagnéticos aumenta quando aquecida. Aumento com aquecimento e capacidade de varicaps. Quando aquecidos, a capacitância dos capacitores pode aumentar ou diminuir, dependendo dos materiais das placas e do dielétrico. Às vezes (infelizmente, nem sempre) o valor do coeficiente de temperatura da capacitância (TKE) é escrito nos capacitores, o que mostra quantas partes por milhão a capacitância do capacitor muda quando é aquecida em 1 ° C. O sinal da mudança (menos ou mais) é indicado pelas letras "M" ou "P". A designação M750 significa que quando aquecido para cada grau, a capacidade diminui em 750x10-6. A designação P33 significa um aumento de aquecimento para cada grau de 33x10-6. Se um capacitor com TKE M750 tiver uma capacitância de 1500 pF a uma temperatura nominal, quando for aquecido adicionalmente em 20 ° C, a capacitância se tornará igual a 1500-1500x750xl0-6x20 \u1500d 22,5-1477,5 \u500d 3,79 pF. Se o oscilador funcionasse, por exemplo, a uma frequência de XNUMX kHz e sua frequência fosse determinada apenas por esse capacitor, o desvio de frequência seria de XNUMX kHz, o que claramente é muito. O método radical neste caso é termostato. Mas mais simples e mais barato - a escolha de peças com os menores desvios de temperatura. A chamada compensação térmica permite reduzir a instabilidade de temperatura até alguns limites, mas não a elimina completamente. Existem duas razões. Em primeiro lugar, o circuito GPA é ajustável e a porcentagem de capacitores constantes e variáveis muda durante o ajuste. Portanto, a compensação alcançada em uma frequência é violada em outra frequência. Em segundo lugar, as mudanças nas capacitâncias e indutâncias durante o aquecimento ocorrem de acordo com diferentes leis. Portanto, a compensação obtida com o aquecimento de 10°C será violada se aquecermos o gerador em mais 10°C. Como peças para o GPA, podemos recomendar bobinas enroladas com fio prateado aquecido durante o enrolamento em uma moldura de cerâmica com nervuras. Os capacitores podem ser usados KM5 (cinco camadas, tamanho pequeno) com TKE M47 ou M75. Se varicaps são usados para ajustar o GPA, deve haver ainda mais capacitores TKE, porque. Os TKE dos varicaps são positivos e, dependendo da polarização (ou seja, da frequência de sintonia), variam de 70 ... 80x10'6 em altas tensões a 500x10 "6 em baixas tensões. Portanto, é inaceitável o uso de varicaps em uma tensão de polarização inferior a 8 ... 9 V Se a capacidade dos varicaps for insuficiente para um determinado circuito, use varicaps com grandes capacidades (por exemplo KB 105) ou coloque dois ou três varicaps em paralelo. não recomendo o uso de bobinas de prata queimada. Sim, eles têm boa estabilidade de temperatura, mas... baixo fator de qualidade, e o fator de qualidade é mais importante. O próximo motivo que afeta a frequência do circuito é a instabilidade das capacitâncias parasitas dos elementos ativos que estão conectados ao circuito e servem como componentes de sua capacidade. Durante a operação, essas capacitâncias parasitas mudam e afastam diretamente a frequência do circuito. Os desvios de frequência de temperatura considerados anteriormente ocorrem lentamente, eles podem ser corrigidos em uma escala digital ou compensados. A influência da instabilidade das capacitâncias parasitas ocorre rapidamente, na maioria das vezes no tempo da modulação, e é acompanhada por distorções de sinal características. As capacitâncias intereletrodos parasitas em transistores são as capacitâncias de barreira usuais das junções pn, que são reconstruídas quando a tensão aplicada a elas muda. A influência das capacitâncias parasitas pode ser reduzida até certo ponto, mas não completamente eliminada. Para reduzir sua influência, é necessário garantir que a porcentagem de capacitâncias parasitas na capacitância total do circuito seja a menor possível, de modo que, no contexto de uma grande capacitância total do circuito, vários picofarads de capacitâncias parasitas tenham menos efeito. Há, no entanto, duas limitações aqui. Primeiro, muita capacitância com baixa indutância leva a uma diminuição no fator de qualidade do circuito. Em segundo lugar, uma capacitância constante muito grande requer um aumento proporcional na capacitância variável, caso contrário, os limites de ajuste do loop não serão atingidos. De qualquer forma, é impossível fazer um GPA quase apenas em capacitâncias parasitas, como foi feito em [2], onde um varicap KVS1,8 com capacitância baixa é usado no circuito de 7 ... 111 MHz. E para obter o ajuste, o autor aplicou uma grande indutância e uma pequena capacitância constante. Neste caso, a capacitância de entrada parasita do transistor era de 20% (!!) da capacitância total do circuito. As capacitâncias parasitas teriam pouco efeito na frequência se as tensões de alimentação e o modo de operação do gerador fossem idealmente estáveis, o que é realmente inatingível. Um dos métodos que resolvem o problema em certa medida é o uso de cascatas de desacoplamento entre o circuito GPA e o elemento ativo. A Figura 1 mostra o circuito mais simples de um indutivo de três pontos, e a Figura 2 mostra três pontos com a adição de um seguidor de fonte de desacoplamento.
A diferença de tensão "entre a porta e a fonte é 10 vezes menor que a própria tensão de entrada. E se a diferença de tensão for pequena, então 10 vezes menos corrente alternada flui através da capacitância de entrada do seguidor, o que equivale a uma diminuição na capacitância de entrada por um fator de 10.
Mas isso não é tudo. O repetidor (Fig. 2) tem uma realimentação DC profunda. Quando a tensão de alimentação muda, a corrente no transistor muda muitas vezes menos do que mudaria sem um resistor de fonte, ou seja, capacitâncias parasitas são mais estáveis. No primeiro caso (Fig. 1), o transistor gerador recebe corrente para criar uma polarização automática do circuito, degradando seu fator de qualidade. No segundo caso (Fig. 2), esta corrente é retirada do seguidor e não afeta o fator de qualidade. Devido ao grande ganho de potência, a fonte do transistor gerador é conectada a uma parte menor das voltas do circuito (1/10 ... 1/20) e tem menos efeito no circuito. Os melhores resultados são obtidos se um FET esquerdo for usado como seguidor, sem polarização aplicada ao portão. Podemos recomendar o KP305I. Os parâmetros do circuito devem ser escolhidos de modo que o repetidor transmita a amplitude de oscilação sem distorção ou com uma limitação uniforme de cima e de baixo. Existe outro mecanismo de desestabilização de frequência, que não é tão óbvio. O oscilador opera continuamente devido ao fato de que seu circuito de alta qualidade "toca" e mantém oscilações. A energia no circuito é reabastecida por choques apenas nos picos de meias-ondas positivas no portão. Para uma operação estável no gerador, é necessário manter um equilíbrio de amplitudes e um equilíbrio de fases. A primeira exige que, para cada período de oscilação no circuito, a energia seja reposta tanto quanto consumida do circuito (para correntes de porta, perdas em capacitores e resistores, radiação no espaço circundante). Este equilíbrio é mantido por polarização automática. Assim que a amplitude de oscilação diminui ligeiramente, o viés também diminui, o transistor abre um pouco mais e as porções da energia de bombeamento aumentam. E vice versa. O segundo requer que os pulsos de corrente de reforço entrem no circuito estritamente no tempo com as oscilações existentes - nem antes nem depois. O equilíbrio de fases também é mantido automaticamente, mas esse processo é mais difícil de entender. Para simplificar, descrevemos no caso de um auto-oscilador baseado em um triodo de vácuo. Quando a lâmpada é aberta, um monte de elétrons começa a se mover do cátodo para o ânodo. Não há corrente no circuito do ânodo neste momento. O pulso de corrente passará pelo circuito do ânodo somente após o feixe de elétrons atingir o ânodo. Durante esse tempo, em geral, insignificante, a fase da oscilação no circuito mudará e o pulso de corrente de impulso ficará atrás do pulso de tensão na rede. Este atraso é expresso em um ângulo de fase de vários graus. Este é o chamado ângulo de inclinação (não deve ser confundido com a inclinação da característica corrente-tensão!). O ângulo de inclinação, que mostra a magnitude do atraso do sinal, depende da distância entre os eletrodos e da velocidade dos elétrons, que, por sua vez, depende da magnitude da tensão anódica. Assim, os impulsos entram no circuito tarde. Como o gerador se adapta a isso? Acontece que ele não gera exatamente na frequência do circuito, mas logo abaixo dessa frequência. Se uma corrente alternada flui através de um circuito oscilatório, então a tensão no circuito está exatamente em fase com a corrente em um caso: quando a corrente está exatamente em ressonância com a frequência do circuito. Em todos os outros casos, a tensão no circuito está adiantada ou atrasada em relação à corrente. Assim, o oscilador seleciona automaticamente uma frequência na qual a tensão no circuito está à frente dos pulsos de corrente de reforço exatamente na mesma quantidade que a lâmpada atrasa. Sabe-se que um circuito de alto Q reage muito fortemente a desvios de frequência. Um desvio de frequência muito pequeno causa grandes desvios de fase. Assim, para compensar o atraso de fase na lâmpada, o gerador só precisa se afastar ligeiramente da frequência de ressonância do circuito. Se a tensão do ânodo mudou, o atraso na lâmpada também mudou. O gerador mudará para outra frequência, na qual o equilíbrio de fase seria novamente observado. A mudança de frequência será insignificante se o fator de qualidade do circuito for alto. Com um circuito de baixo Q, o oscilador precisa mudar muito mais a frequência para compensar o mesmo atraso. Atrasos de sinal existem não apenas em lâmpadas, mas também em transistores e microcircuitos. Só que lá sua física não é tão óbvia. Assim, alterando o modo de operação de uma lâmpada ou de um transistor, podemos alterar a frequência de geração, esta é usada inclusive para modulação de frequência. Mas o que fazer se não apenas não podemos, mas não queremos - e a frequência "flutua"! Em primeiro lugar, se possível, estabilize a fonte de alimentação e, em segundo lugar, use um circuito oscilatório com o maior fator de qualidade possível, para o qual a bobina é enrolada com um fio banhado a prata suficientemente grosso em uma estrutura com nervuras de porcelana de rádio ou poliestireno. Se o quadro não tiver um entalhe forçado, é necessário enrolá-lo com fios aquecidos de um transformador abaixador. Após o resfriamento, o fio encolhe e se encaixa firmemente no quadro, fixando as voltas. Revestir a bobina para este fim com vernizes, tintas, etc. completamente inaceitável. Se o oscilador operar em frequências acima de 10 MHz, os elementos do circuito não devem ser soldados à placa de circuito impresso. Os capacitores e varicaps utilizados no circuito devem ser soldados diretamente nas pontas da bobina, sem fios de montagem adicionais. Se a frequência de geração for alta - e as capacitâncias parasitas do transistor inevitavelmente constituem uma parte significativa da capacitância do circuito, o próprio transistor deve ser soldado à bobina por montagem em superfície. Em terceiro lugar, é necessário usar transistores com capacitâncias parasitas mínimas para GPA. Freqüentemente, para evitar a auto-excitação do oscilador em VHF, resistores antiparasitários são usados no gate ou no circuito base. Juntamente com o amortecimento das oscilações parasitas, reduzem o fator de qualidade do circuito principal. Portanto, os resistores, mesmo que sejam fornecidos pelo circuito, não precisam ser instalados primeiro. Se ainda ocorrerem oscilações parasitas, é necessário procurar outras formas de eliminá-las e, se isso não surtir efeito, coloque apenas um resistor antiparasitário de valor mínimo, começando com alguns ohms. A excitação parasita em VHF não apenas cria canais adicionais para recepção e radiação parasitária, mas também interrompe a estabilidade da geração principal. O circuito parasita pode ter um fator de qualidade baixo, enquanto as oscilações parasitas têm uma amplitude instável. O modo do oscilador está em constante mudança, causando mudanças na frequência fundamental e deixando perplexos seus criadores. A instabilidade de frequência pode ser causada pelo chamado "puxar". Se o oscilador estiver mal blindado, durante a transmissão, grandes captadores afetam o circuito, que, somados às oscilações principais, levam a uma desordem completa da fase na entrada do transistor. Assim, a frequência de geração começa a "andar". Medidas de controle - blindagem. desacoplamento de potência e cumprimento do diagrama de níveis, no qual a amplitude das oscilações naturais seria muitas vezes maior que a amplitude dos captadores. Pode-me objetar que muito do que foi dito aqui não é tão importante. Afinal, os transceptores funcionam, nos quais o GPA é feito contrário a muitos dos pensamentos aqui expressos. Sim, eles fazem. Mas como? Pegue este ou aquele GPA, altere a tensão de alimentação em 10% e observe a mudança de frequência no medidor de frequência. Claro, no trabalho real, não muda 10%, mas muito menos, mas é mais conveniente para maior clareza. Então você verá todos os seus erros - que tipo de instabilidade de frequência dá o revestimento da bobina com verniz, quanto custa soldar capacitores e varicaps em uma placa de circuito impresso, etc. Um oscilador com alta estabilidade de frequência eletrônica tem ruído de fase correspondentemente baixo. Isso não se aplica, no entanto, ao caso em que a estabilidade é alcançada com uma balança digital e um CAFC, e não com um bom projeto do próprio VPA. Literatura
Autor: G. Gonchar (EW3LB), Baranovichi; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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