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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Stabilisation de fréquence GPA. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Noeuds d'équipement de radio amateur. Générateurs, hétérodynes Le nœud le plus critique de l'émetteur-récepteur est peut-être le VFO, qui détermine la stabilité de fréquence et les caractéristiques de bruit. Cet article est une tentative de présenter sous une forme populaire ce qui est magnifiquement décrit dans le manuel [1]. Dans le même temps, tout l'appareil mathématique est omis afin de ne pas effrayer les lecteurs non préparés avec des formules et des diagrammes vectoriels. L'instabilité de fréquence des auto-oscillateurs a de nombreuses causes. Il est conditionnellement possible de diviser toutes les causes d'instabilité en deux directions:
La raison la plus simple de la première direction est la fragilité mécanique de la structure. La prochaine raison évidente de la même tendance est l'instabilité de la température. Le chauffage des parties de l'oscillateur provoque des changements d'inductance et de capacité. Par exemple, chauffer une bobine enroulée avec du fil de cuivre sur un cadre en céramique provoque la dilatation du cuivre, une augmentation de la longueur du fil et une augmentation du diamètre de l'enroulement. Cela entraîne une augmentation de l'inductance et une diminution de la fréquence. Le même chauffage d'une bobine enroulée sur un cadre en fluoroplastique provoque une augmentation du diamètre des spires, mais en raison de l'expansion linéaire excessivement importante du fluoroplastique, la bobine est tellement étirée en longueur qu'elle couvre plus que l'augmentation de diamètre , et par conséquent, l'inductance n'augmente pas, mais diminue, et la fréquence augmente. Pour cette raison, le PTFE est totalement inadapté aux circuits très stables. La perméabilité magnétique de la plupart des matériaux ferromagnétiques augmente lorsqu'ils sont chauffés. La capacité des varicaps augmente également avec le chauffage. Lorsqu'ils sont chauffés, la capacité des condensateurs peut augmenter ou diminuer, en fonction des matériaux des plaques et du diélectrique. Parfois (malheureusement, pas toujours) la valeur du coefficient de température de capacité (TKE) est inscrite sur les condensateurs, ce qui indique de combien de parties par million la capacité du condensateur change lorsqu'il est chauffé de 1°C. Le signe du changement (moins ou plus) est indiqué par les lettres « M » ou « P ». La désignation M750 signifie qu'à chaque degré de chauffage, la capacité diminue de 750x10-6. La désignation P33 signifie une augmentation de 33x10-6 lorsqu'elle est chauffée pour chaque degré. Si un condensateur avec TKE M750 avait une capacité de 1500 20 pF à une température nominale, alors lorsqu'il est chauffé en plus de 1500°C, la capacité deviendra égale à 1500 750-0 6x20xl1500-22,5x1477,5 = 500 3,79-XNUMX = XNUMX XNUMX pF. Si l'auto-oscillateur fonctionnait, par exemple, à une fréquence de XNUMX kHz, sa fréquence était déterminée uniquement par ce condensateur, alors l'écart de fréquence serait de XNUMX kHz, ce qui est clairement beaucoup. La méthode radicale dans ce cas est la thermostatisation. Mais plus simple et moins cher - le choix des pièces avec les plus petits écarts de température. La compensation dite thermique permet de réduire l'instabilité de température dans certaines limites, mais ne l'élimine pas complètement. Il y a deux raisons. Premièrement, le circuit GPA est accordable et le pourcentage de condensateurs constants et variables change pendant l'accord. Par conséquent, la compensation obtenue à une fréquence est violée à une autre fréquence. Deuxièmement, les changements de capacités et d'inductances pendant le chauffage se produisent selon des lois différentes. Par conséquent, la compensation obtenue avec un chauffage de 10°C sera violée si nous chauffons le générateur de 10°C supplémentaires. Comme pièces pour le GPA, nous pouvons recommander des bobines enroulées avec du fil argenté chauffé pendant l'enroulement sur un cadre en céramique nervuré. Les condensateurs peuvent être utilisés KM5 (cinq couches, de petite taille) avec TKE M47 ou M75. Si des varicaps sont utilisées pour régler le GPA, il devrait y avoir encore plus de condensateurs TKE, car. Les TKE des varicaps sont positifs et, en fonction du biais (c'est-à-dire de la fréquence d'accord), ils varient de 70 ... 80x10'6 à haute tension à 500x10 "6 à basse tension. Par conséquent, il est inacceptable d'utiliser des varicaps à une tension de polarisation inférieure à 8 ... 9 V Si la capacité des varicaps est insuffisante pour un circuit donné, soit utiliser des varicaps de grandes capacités (par exemple KB 105) soit mettre deux ou trois varicaps en parallèle.L'auteur fait ne recommande pas d'utiliser des bobines d'argent brûlé.Oui, ils ont une bonne stabilité de température, mais ... un faible facteur de qualité, et le facteur de qualité est plus important. La prochaine raison affectant la fréquence du circuit est l'instabilité des capacités parasites des éléments actifs, qui sont connectés au circuit et servent de composants de sa capacité. En fonctionnement, ces capacités parasites changent et réduisent directement la fréquence du circuit. Les changements de fréquence de température évoqués précédemment se produisent lentement, ils peuvent être corrigés sur une échelle numérique ou compensés. L'influence de l'instabilité des capacités parasites se produit rapidement, le plus souvent au fur et à mesure de la modulation, et s'accompagne de distorsions caractéristiques du signal. Les capacités parasites interélectrodes dans les transistors sont des capacités de barrière ordinaires des jonctions pn, qui changent lorsque la tension qui leur est appliquée change. L'influence des capacités parasites peut être réduite à un degré ou à un autre, mais pas complètement éliminée. Pour réduire leur influence, il est nécessaire de veiller à ce que le pourcentage de capacités parasites dans la capacité totale du circuit soit aussi faible que possible, de sorte que dans le contexte d'une grande capacité totale du circuit, plusieurs picofarads de capacités parasites aient moins d'influence. Il y a cependant ici deux limites. Premièrement, une capacité trop élevée avec une faible inductance entraîne une diminution du facteur de qualité du circuit. Deuxièmement, une capacité constante trop grande nécessite une augmentation proportionnelle de la capacité variable, sinon les limites de réglage du circuit ne seront pas garanties. Dans tous les cas, il est impossible de réaliser un GPA en utilisant presque uniquement des capacités parasites, comme cela a été fait dans [2], où un varicap KVS1,8 avec une petite capacité a été utilisé dans le circuit 7...111 MHz. Et pour obtenir le réglage, l'auteur a utilisé une grande inductance et une petite capacité constante. Dans ce cas, la capacité parasite d'entrée du transistor s'élevait à 20 % (!!) de la capacité totale du circuit. Les capacités parasites auraient peu d'effet sur la fréquence si les tensions d'alimentation et le mode de fonctionnement du générateur étaient idéalement stables, ce qui est réalistement inaccessible. L'une des méthodes qui résout dans une certaine mesure le problème est l'utilisation de cascades de découplage entre le circuit GPA et l'élément actif. La figure 1 montre le circuit le plus simple d'un trois points inductif, et la figure 2 montre trois points avec l'ajout d'un suiveur de source de découplage.
La différence de tension "entre la grille et la source est 10 fois inférieure à la tension d'entrée elle-même. Et si la différence de tension est faible, alors 10 fois moins de courant alternatif traverse la capacité d'entrée du suiveur, ce qui équivaut à une diminution de capacité d'entrée par un facteur de 10.
Mais ce n'est pas tout. Le répéteur (Fig. 2) a une rétroaction CC profonde. Lorsque la tension d'alimentation change, le courant dans le transistor change beaucoup moins qu'il ne changerait sans résistance de source, c'est-à-dire les capacités parasites sont plus stables. Dans le premier cas (Fig. 1), le transistor générateur prélève du courant pour créer une polarisation automatique du circuit, détériorant ainsi son facteur de qualité. Dans le deuxième cas (Fig. 2), ce courant est prélevé sur le répéteur et n'affecte pas le facteur de qualité. En raison du gain de puissance élevé, la source du transistor générateur est connectée à une plus petite partie des spires du circuit (1/10...1/20) et a moins d'influence sur le circuit. Les meilleurs résultats sont obtenus si un transistor à effet de champ avec une caractéristique de gauche est utilisé comme répéteur, sans appliquer de polarisation à la grille. Nous pouvons recommander le KP305I. Les paramètres du circuit doivent être sélectionnés de manière à ce que le répéteur transmette l'amplitude d'oscillation soit sans distorsion, soit avec une limitation uniforme d'en haut et d'en bas. Il existe un autre mécanisme de déstabilisation de fréquence, qui n’est pas si évident. L'auto-oscillateur fonctionne en continu du fait que son circuit de haute qualité « sonne » et maintient les oscillations. L'énergie dans le circuit est reconstituée par des impulsions uniquement lors des pics d'alternances positives au niveau de la porte. Pour un fonctionnement stable, il est nécessaire de maintenir l'équilibre d'amplitude et l'équilibre de phase dans le générateur. La première nécessite que pour chaque période d'oscillation dans le circuit, autant d'énergie soit reconstituée qu'elle est consommée par le circuit (pour les courants de grille, les pertes dans les condensateurs et les résistances, le rayonnement dans l'espace environnant). Cet équilibre est maintenu grâce à un biais automatique. Dès que l'amplitude des oscillations diminue légèrement, la polarisation diminue également, le transistor s'ouvre un peu plus, et les portions d'énergie de pompage augmentent. Et vice versa. La seconde exige que les impulsions de courant de suralimentation entrent dans le circuit strictement en temps avec les oscillations existantes - ni plus tôt ni plus tard. L'équilibre de phase est également maintenu automatiquement, mais ce processus est plus difficile à comprendre. Pour simplifier, nous le décrivons dans le cas d'un auto-oscillateur basé sur une triode à vide. Lorsque la lampe est ouverte, un groupe d'électrons commence à se déplacer de la cathode à l'anode. Il n'y a pas de courant dans le circuit d'anode à ce moment. L'impulsion de courant ne traversera le circuit d'anode qu'après que le faisceau d'électrons aura atteint l'anode. Pendant ce temps généralement négligeable, la phase de l'oscillation sur le circuit changera et l'impulsion de courant de poussée sera en retard sur l'impulsion de tension sur la grille. Ce retard s'exprime par un déphasage de plusieurs degrés. C'est ce que l'on appelle l'angle de pente (à ne pas confondre avec la pente de la caractéristique courant-tension !). L'angle de pente, qui montre l'amplitude du retard du signal, dépend de la distance entre les électrodes et de la vitesse des électrons, qui, à son tour, dépend de l'amplitude de la tension d'anode. Ainsi, les impulsions entrent tardivement dans le circuit. Comment le générateur s'adapte-t-il à cela ? Il s'avère qu'il ne génère pas exactement à la fréquence du circuit, mais juste en dessous de cette fréquence. Si un courant alternatif circule dans un circuit oscillant, alors la tension sur le circuit est exactement en phase avec le courant dans un cas : lorsque le courant est exactement en résonance avec la fréquence du circuit. Dans tous les autres cas, la tension sur le circuit soit en avance sur le courant, soit en retard. Ainsi, l'auto-oscillateur sélectionne automatiquement une fréquence à laquelle la tension sur le circuit avance les impulsions de courant de pompage exactement de la même quantité, qui est ensuite retardée par la lampe. On sait qu'un circuit à Q élevé réagit très fortement aux écarts de fréquence. De très petits écarts de fréquence entraînent de grands écarts de phase. Ainsi, afin de compenser le retard de phase dans la lampe, il suffit au générateur de s'éloigner légèrement de la fréquence de résonance du circuit. Si la tension de l'anode a changé, le retard de la lampe a également changé. Le générateur passera à une autre fréquence, à laquelle l'équilibre des phases sera à nouveau maintenu. Le décalage de fréquence sera insignifiant si le facteur de qualité du circuit est élevé. Avec un circuit à faible Q, le générateur doit modifier beaucoup plus la fréquence pour compenser le même retard. Les retards de signal existent non seulement dans les lampes, mais aussi dans les transistors et les microcircuits. Seulement là, leur physique n'est pas si évidente. Ainsi, en changeant le mode de fonctionnement d'une lampe ou d'un transistor, on peut changer la fréquence de génération, celle-ci est même utilisée pour la modulation de fréquence. Mais que faire si non seulement on ne peut pas, mais on ne veut pas - et la fréquence "flotte" ! Premièrement, si possible, stabilisez l'alimentation, et deuxièmement, utilisez un circuit oscillant du facteur de qualité le plus élevé possible, pour lequel la bobine est enroulée avec un fil argenté suffisamment épais sur un cadre nervuré en porcelaine radio ou en polystyrène. Si le cadre n'a pas d'encoche forcée, il est nécessaire de l'enrouler avec des fils chauffés provenant d'un transformateur abaisseur. Après refroidissement, le fil rétrécit et s'adapte étroitement au cadre, fixant les virages. Enduire la bobine prévue à cet effet avec des vernis, des peintures, etc. complètement inacceptable. Si l'auto-oscillateur fonctionne à des fréquences supérieures à 10 MHz, les éléments du circuit ne doivent pas être soudés sur la carte de circuit imprimé. Les condensateurs et les varicaps utilisés dans le circuit doivent être soudés directement aux extrémités de la bobine, sans fils d'installation supplémentaires. Si la fréquence de génération est élevée et que les capacités parasites du transistor constituent inévitablement une partie importante de la capacité du circuit, alors le transistor lui-même doit être soudé sur la bobine par montage en surface. Troisièmement, il est nécessaire d'utiliser pour le GPA des transistors présentant des capacités parasites minimales. Souvent, pour empêcher l'auto-excitation d'un auto-oscillateur sur VHF, des résistances antiparasitaires sont utilisées dans le circuit de porte ou de base. En plus d'amortir les vibrations parasites, ils réduisent le facteur de qualité du circuit principal. Par conséquent, les résistances, même si elles sont prévues dans le circuit, n'ont pas besoin d'être installées au préalable. Si des oscillations parasites se produisent, il est alors nécessaire de chercher d'autres moyens de les éliminer, et si cela ne donne aucun effet, installez uniquement une résistance antiparasitaire d'une valeur minimale, à partir de quelques ohms. L'excitation parasite sur VHF crée non seulement des canaux de réception supplémentaires et des rayonnements parasites, mais perturbe également la stabilité de la génération principale. Le circuit parasite peut avoir un facteur de qualité faible, et les oscillations parasites ont une amplitude instable. Le mode auto-oscillateur change constamment, provoquant des changements dans la fréquence fondamentale et déroutant ses créateurs. L'instabilité de fréquence peut être causée par ce que l'on appelle le « tirage ». Si l'oscillateur est mal blindé, alors lors de la transmission, de gros micros affectent le circuit, qui, s'ajoutant aux oscillations principales, conduisent à un désordre complet de la phase à l'entrée du transistor. En conséquence, la fréquence de génération commence à "marcher". Mesures de contrôle - blindage. découplage de puissance et respect du diagramme de niveau, dans lequel l'amplitude des oscillations naturelles serait plusieurs fois supérieure à l'amplitude des micros. On pourrait objecter qu’une grande partie de ce qui est dit ici n’est pas si importante. Après tout, les émetteurs-récepteurs fonctionnent dans lesquels le VFO est réalisé contrairement à de nombreuses idées exprimées ici. Oui, ils fonctionnent. Mais comment? Prenez l'un ou l'autre GPA, modifiez la tension d'alimentation de 10 % et observez le décalage de fréquence à l'aide d'un fréquencemètre. Bien sûr, lors d'un travail réel, cela ne change pas de 10 %, mais bien moins, mais c'est plus pratique pour plus de clarté. Ensuite, vous verrez toutes vos erreurs - quelle instabilité de fréquence est causée par le revêtement de la bobine avec du vernis, quelle quantité de câblage de condensateurs et de varicaps donne à une carte de circuit imprimé, etc. Un oscillateur avec une stabilité de fréquence électronique élevée a un bruit de phase faible en conséquence. Cela ne s'applique cependant pas au cas où la stabilité est obtenue avec une balance numérique et un CAFC, et non avec une bonne conception de l'APV lui-même. littérature
Auteur : G. Gonchar (EW3LB), Baranovichi ; Publication : N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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