книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

Добротность варикапа определяется из эквивалентной схемы, по­ казанной на рис. 3-9 (без учета индуктивности и емкости выводов).

Здесь последовательное сопротивление Rn складывается из сопротив­ ления материала полупроводника и сопротивления контактов, а па­

раллельное сопротивление RU1 — это обратное сопротивление р—n-пе­ рехода. Полное сопротивление диода (для малых переменных сигна­

лов) может быть записано в виде

Отношение реактивной составляющей сопротивления к активной

Между этими областями лежит диапазон частот, в котором доброт­ ность варикапа максимальна и в котором наиболее целесообразно его

использовать. В измерительной технике применяются, как правило, кремниевые варикапы, обратное сопротивление и добротность которых

значительно выше, чем у германиевых. Так, для кремниевого вари­

Произведение SQ может служить показателем качества варикапа на заданной частоте. При шунтировании варикапа емкостями, если

потери в шунтирующих конденсаторах отсутствуют, результирующая добротность возрастает на столько же, на сколько уменьшается отно­ сительная чувствительность.

Изучение и экспериментальный сравнительный анализ схем гене­ раторов показали, что преобразователь напряжения в частоту целе­ сообразнее выполнять на базе LC-генераторов, причем хорошими ха­ рактеристиками — стабильностью во времени, малыми температурной зависимостью и зависимостью от напряжения питания — обладают

генераторы, собранные по схеме Клаппа [61 ]. ЯС-генераторы с ва­

рикапами [98] менее стабильны. В качестве управляемых емкостей лучше использовать кремниевые стабилитроны типов Д808 — Д813 или Д814, обладающие большей емкостью (С0 — 300-*- 400 пф), чем специально выпускаемые промышленностью варикапы типов Д901А— Д901Е, а также и большей чувствительностью.

Выбор амплитуды переменного напряжения на варикапе и посто­ янного смещения. Варикап является нелинейным элементом и при включении его в контур находится под действием постоянного управ­

ляющего напряжения и переменного со стороны контура {UJ).

Поэтому изменение амплитуды переменного напряжения на варикапе вызывает изменение выходной частоты, причем причинами этого из­ менения являются как нелинейность емкости, так и нелинейность об­ ратного сопротивления р—п-перехода.

В работе [90] дан расчет поправки к частоте, вызванной нелиней­

ностью емкости, путем решения нелинейного дифференциального урав­

нения, описывающего свободные колебания в контуре без потерь.

Результаты расчета для случая включения в контур одного (рис. 3-10, а) и двух варикапов (рис. 3-10, б) с относительным разбросом емкостей у приведены в табл. 3-2. При встречном включении двух варикапов со

строго идентичными ха-

изменения U_ при вы­ бранном Ucu.

Нелинейность обратного сопротивления перехода вызывает ча­ стичное выпрямление напряжения [98] и появление на емкостях

варикапов дополнительного смещения. Это смещение тем больше, чем больше U_, чем ближе к нулю £/см и чем больше постоянное сопро­

тивление, шунтирующее варикап (включая сопротивление источника

сигнала). Практически дополнительное смещение при разомкнутом входе преобразователя и U_ = 20 50 мв меняется от десятых долей

милливольта до нескольких милливольт.

Несмотря на то, что обе рассмотренные погрешности уменьшаются

с ростом £/см, работать при больших смещениях нецелесообразно, так как это на порядок уменьшает чувствительность. Более выгодно ра­

ботать при малых смещениях или даже без смещения, а малость по­

Например, при аппроксимации секущей минимальная приведен­ ная погрешность (см. табл. 2-1) составляет

На возможность измерения/таких малых напряжений при использо­ вании варикапов указывалось в работе [100]. При дифференциальном включении преобразователей одинаковой чувствительности допустимое

относительное изменение частоты для ул = 0,1% увеличивается со­

гласно табл. 2-3 как

(3-7)

до 3,4%, и предел измерения дифференциального преобразователя

таким образом может быть расширен до 100 мв.

Дальнейшее расширение пределов измерения при использовании

преобразователя напряжения в частоту с варикапом требует допол­ нительных цепей коррекции нелинейности. Другой путь для достиже­

ния того же результата с одновременным улучшением метрологиче­

ских свойств — переход от метода прямого преобразования к уравно­ вешивающему преобразованию. Для повышения чувствительности на малых пределах измерения на выходе преобразователя может быть

использован умножитель частоты. Входное сопротивление, состав­ ляющее величину порядка сотен мегом в случае прямого преобразо­

вания, может достигать Ю5 Мом в случае уравновешивающего преоб­ разования, что позволяет осуществлять работу с высокоомными ис­

точниками.

Схемы преобразователей напряжения в частоту с использованием варикапов. В настоящее время имеется несколько работ, посвященных измерительным приборам с управляемыми генераторами на варика­ пах. В работе [100] описан полупроводниковый усилитель к само­ пишущему вольтметру, предназначенный для измерения тока порядка

10-7 а при малом падении напряжения на входных зажимах (менее 50 мв). Структурная схема усилителя показана на рис. 3-11. На

рис. 3-12 представлена схема генератора этого прибора. Генератор

выполнен по схеме Франклина. Для уменьшения амплитуды перемен­

ного напряжения на диоде напряжение питания генератора понижено

до 4 в и использовано частичное включение диода в контур. Диод с ем­

костью 70 пф работает при напряжении смещения 1,35 в, получаемом

от окиснортутного элемента.

Другая схема с варикапом в контуре генератора (рис. 3-13) при­ ведена в работе [801. Этот генератор предназначен для использования

Рис. 3-11. Структурная схема усилителя малых токов с ва­ рикапом на входе

1 — LC-генератор; 2 — усилитель; 3 — частотный демодулятор; 4 ~ усилитель постоянного тока

в pH-метре и рассчитан на работу с источниками измеряемого напря­ жения 50—500 мв при значениях их внутреннего сопротивления,

включенный в прямом направлении в цепь эмиттера, задает начальное смещение на варикапе. Напряжение смещения складывается из падения напряжения на стабилитроне, дросселе и переходе база—эмиттер тран­ зистора, его температурная зависимость обеспечивает частичную ком­ пенсацию ухода емкости варикапа от температуры (см. выше). Посто­

янный ток, протекающий по варикапу, составляет 3- Ю-10 я. Генера­

тор работает на частоте 500 кги и обеспечивает чувствительность

70гц/мв.

ВЛПИ имени М. И. Калинина разработаны преобразователи на­ пряжения в частоту на основе IC -генератора с управляемым р—л-пере-

ходом в контуре (рис. 3-14). Генератор по схеме Клаппа построен на

триоде Тг. Для уменьшения влияния нелинейной зависимости емкости

варикапа от напряжения использована цепь автоматической регули­ ровки величины переменного напряжения на варикапе (АРУ), со­ стоящая из усилителя переменного напряжения на триодах Т 2 — Г5,

однополупериодного выпрямителя, фильтра (RC-цепь) и усилителя

постоянного тока (УПТ) на триоде Т7. Цепь работает таким образом, что при увеличении амплитуды переменного напряжения на эмиттере

Тг растет постоянное напряжение на выходе УПТ и при заданном

постоянном напряжении на базе Т х уменьшается постоянная состав­

ляющая тока триода 7\, а следовательно, его крутизна и амплитуда

Рис. 3-14. Схема генератора с варикапом для преобразователя напряже­ ния в частоту

генерируемых колебаний. Варикапы включены встречно, постоянное

смещение выбрано близким к нулю и равным величине выпрямленного на варикапе напряжения. При обеспечении этого условия включение на вход преобразователя сопротивления не вызывает изменения ча­

стоты на выходе.

Генератор работает на частоте 800 кгц и обеспечивает чувствитель­ ность в узком диапазоне входных напряжений порядка 200 гц/мв-

Температурный коэффициент частоты генератора — 4,4* 10-4 1/град.

Нестабильность частоты преобразователя составила 0,03% в час и около 0,2% за четыре дня. При повышении частоты до 2,5 Мгц и диф­ ференциальном включении двух генераторов можно достичь чувст­ вительности 1 кгц/мв.

3-3. Расчет LC -генераторов с однокаскадными усилителями

Использование однокаскадных усилителей, работающих в классе С, хотя и сопровождается резким искажением формы кривой тока, воз­ буждающего контур, однако позволяет выполнять очень простые и до­ статочно стабильные LC-генераторы. На рис. 3-15 приведены схемы

генераторов Клаппа с заземленным эмиттером, коллектором и базой.

Данные экспериментальных исследований показывают, что эти три

варианта включения транзистора не оказывают существенного влия­

реальная форма импульсов коллекторного тока в режиме генерации, показанная сплошной линией в координатах iKt соt на рис. 3-16, за­ меняется косинусоидой (прерывистая линия) с углом отсечки 6.

При пропускании косинусоидальных импульсов тока через конден­

сатор Сг контура генератора (см. рис. 3-15) контур работает в качестве

фильтра, выделяя на конденсаторе С2 напряжение первой гармоники, которое и прикладывается ко входу усилителя. Эквивалентная

схема контура генератора Клаппа в виде такого фильтра пред­

ставлена на рис. 3-17. Отсюда видно преимущество емкостной трехточки по сравнению с индуктивной трехточкой, заключающееся в луч­

шей фильтрации высших гармоник, так как образуемый контуром

фильтр имеет последовательную индуктив­

транзистора определяется постоянной со­ ставляющей косинусоидальных импульсов.

Поэтому для расчета генератора удобно пользоваться таблицей коэффи­

циентов разложения последовательности косинусоидальных импуль­ сов в тригонометрический ряд. В табл. 3-4 эти коэффициенты приве­

дены для различных углов отсечки 0, где у0 (б) и уг (0) — соответст­

венно отношения постоянной составляющей и первой гармоники кол­

лекторного тока к амплитуде SU6m = 1лт синусоидального тока, которая была бы в линейном усилителе с крутизной S при том же вход­

ном напряжении U6.

Таким образом, при крутизне характеристики транзистора S и ам­ плитуде синусоидального напряжения U6m на базе транзистора вы­ ражения для постоянной составляющей /0 и амплитуды первой гар­

моники 1г тока коллектора получают вид:

называется фактором регенерации.

Считая входной величиной контура (рис. 3-17) первую гармонику

/ х тока коллектора транзистора, его выходное напряжение можно

представить как U6m = RnI 1т и, следовательно, G = SRni где Rn —

проходное сопротивление контура (см. § 3-1), равное на резонансной частоте

так как общая, или эквивалентная, емкость контура Сэкв, определяе­ мая последовательным включением Сх, С2, С3 при Сх > С3, С2 > С3, практически равна С3.

В состоянии покоя (т. е. при отсутствии колебаний) усилительный каскад (рис. 3-15) удерживается схемой Ши в некоторой точке харак­

теристики (например, в точке / 0 = 2 ма на рис. 3-16). Если эта точка лежит выше изгиба характеристики, т. е. находится на аппроксими­ рующей прямой, то условием самовозбуждения колебаний в этом слу­ чае является неравенство SR„ > 1. Однако фактор регенерации вы­

бирается обычно значительно большим единицы (см. § 2-3). В этих условиях возникшие колебания быстро нарастают и переменная со­

ставляющая базового напряжения за счет эффекта выпрямления в ба­

и напряжение Ек питания транзистора автогенератора. Эти величины имеют оптимум, который определяется следующими соображениями.

С ростом /„ и Ек увеличивается мощность, рассеиваемая транзистором, ухудшается его тепловой режим и увеличивается нестабильность ге­ нерируемой частоты. Ухудшение стабильности происходит и с умень­ шением крутизны характеристики транзистора. Поэтому в работе [61J

в качестве оптимальных рекомендуются следующие величины: для

тельно, и для уменьшения нестабильности частоты от изменения па­

раметров транзистора рекомендуется выбирать сопротивление в эмит­

терной цепи транзистора не менее 300 — 400 ом.

Затем рассматривается режим установившихся колебаний и прежде всего выбирается значение фактора регенерации, которое рекомен­

дуется брать в пределах G = 2 = 4. В соответствии с формулой (3-9)

оно однозначно определяет ух (0), а следовательно, и угол отсечки 0.