Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи - Михаил Адаменко

Второй задачей, решение которой обеспечивает цепь обратной связи, является преобразование фазы выходного сигнала таким образом, чтобы она по отношению к фазе входного сигнала имела сдвиг 0° или 360°. В этом случае обычно говорят, что выходной сигнал подается на вход усилительного каскада в фазе. Выполнение данного условия, часто называемого балансом фаз, является основополагающим фактором при выборе схемотехнического решения активного элемента и цепи обратной связи. Необходимо отметить, что конкретные особенности усилительного каскада и цепи обратной связи обеспечивают синфазность выходного и входного сигналов лишь на одной частоте. Таким образом, частота формируемых генератором колебаний зависит от суммарного фазового сдвига непосредственно в усилительном каскаде и в цепи положительной обратной связи.

Усиление каскада и передаточная характеристика цепи обратной связи являются комплексными характеристиками и зависят от частоты сигнала. Поэтому в любом генераторе, обеспечивающем формирование незатухающих колебаний, в том числе и высокочастотном, такие колебания имеют вполне определенные амплитуду и частоту, значения которых зависят как от примененных при разработке усилителя и ПОС схемотехнических решений, так и от параметров входящих в их состав элементов. При этом амплитуда и частота формируемого генератором сигнала устанавливаются автоматически. Таким образом, для устойчивой работы генератора с необходимой частотой и амплитудой сигнала необходимо не только правильно выбрать, например, положение рабочей точки транзистора усилительного каскада, но и установить параметры цепи обратной связи (глубина обратной связи и фазовый сдвиг).

При разработке высокочастотных генераторов для миниатюрных транзисторных радиопередатчиков необходимость соблюдения условия баланса фаз имеет решающее значение при выборе схемы включения транзистора в усилительном каскаде. Дело в том, что при включении транзистора по схеме с общим эмиттером фазовый сдвиг между сигналом на его базе и сигналом на коллекторе будет составлять 180°. При выборе такой схемы включения цепь обратной связи, подключаемая между базой и коллектором, должна обеспечивать необходимый фазовый сдвиг. Если же транзистор будет включен по схеме с общей базой или с общим коллектором, то изменять фазу сигнала в цепи обратной связи не потребуется, поскольку фаза выходного сигнала при таких схемах включения совпадает с фазой входного сигнала. Необходимо отметить, что в указанных случаях речь идет о схемах включения транзистора по переменному току.

Состав и классификация

Генераторы высокочастотных колебаний несущей частоты, используемые в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках и радиомикрофонах, состоят из нескольких функциональных частей или блоков. Такими блоками обычно являются активный элемент, селективный элемент, цепь положительной обратной связи, а также вспомогательные каскады и элементы.

Активный элемент является основной составляющей частью ВЧ-генератора. Главной задачей такого элемента, в качестве которого обычно используется транзистор, является обеспечение условий для возникновения и поддержки высокочастотных колебаний. В отличие от транзисторов, применяемых в НЧ-генераторах, такой транзистор должен иметь как можно бо́льшую верхнюю граничную частоту и как можно меньшие паразитные емкости.

В зависимости от выбранного схемотехнического решения активного элемента высокочастотного генератора транзистор может быть включен по постоянному току либо по схеме с общим эмиттером, либо по схеме с общей базой, либо по схеме с общим коллектором. Необходимо отметить, что соответствующий электрод транзистора (например, эмиттер) считается общим по постоянному току, если к нему подключаются источники питания двух других электродов (например, базы и коллектора). В ВЧ-генераторах миниатюрных радиопередатчиков транзистор активного элемента по постоянному току обычно включается по схеме с общим эмиттером с соответствующими цепями питания, смещения и стабилизации положения рабочей точки.

По переменному току, независимо от примененной схемы включения по постоянному току, транзистор может быть включен также по одной из трех схем: либо с общим эмиттером, либо с общей базой, либо с общим коллектором. При этом электрод транзистора считается общим по переменному току, если к нему подключаются входное и выходное колебательные напряжения. Поэтому все переменные напряжения измеряются по отношению к общему электроду с помощью высокочастотного вольтметра. Если на электроде присутствует падение напряжения, то этот электрод считается изолированным, если же нет – то заземленным. Естественно, в схемах ВЧ-генераторов из трех электродов транзистора по высокой частоте может быть заземлен только один электрод.

Для схемотехнических решений высокочастотных транзисторных генераторов не является редкой ситуация, когда один и тот же электрод транзистора активного элемента является изолированным по переменному току и заземленным по постоянному току, или наоборот. Например, в хорошо известной схеме эмиттерного повторителя транзистор по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером, а по переменному току – по схеме с общим коллектором.

В качестве селективного элемента ВЧ-генератора малогабаритных радиопередающих устройств обычно используется либо резонансный контур, либо кварцевый резонатор. Именно селективный элемент оказывает решающее влияние на значение частоты сигнала, формируемого генератором, то есть является частотозадающим элементом. Например, в рассматриваемых далее схемотехнических решениях LC-генераторов селективный элемент чаще всего представляет собой обычный колебательный контур, состоящий из включенных параллельно конденсатора и катушки индуктивности.

Колебания, возникающие в параллельном резонансном контуре при подаче на него постоянного напряжения, например, при включении питания, являются затухающими вследствие потерь энергии в контуре. Для получения незатухающих колебаний необходимо подать в контур колебания, совпадающие по фазе с первоначально возникшими свободными колебаниями, которые к тому же должны иметь достаточную мощность для компенсации потерь энергии в контуре. Именно такие требования предъявляются к колебаниям, которые формируются на выходе активного элемента генератора. При соблюдении указанных условий амплитуда колебаний в резонансном контуре станет постоянной, то есть в контуре возникнут незатухающие колебания.

Элементы, входящие в состав цепи положительной обратной связи, обеспечивают обратную связь между выходом и входом каскада, выполненного на активном элементе. Параметры элементов цепи обратной связи определяют условия достижения и поддержания балансов амплитуды и фазы, необходимых для возникновения незатухающих колебаний и стабильной работы ВЧ-генератора.

Вспомогательные элементы в первую очередь обеспечивают работу транзистора по постоянному току, определяя положение рабочей точки транзистора и ее стабилизацию. Помимо этого, определенные элементы могут использоваться для связи между активным элементом и резонансным контуром.

Несмотря на огромное количество схемотехнических решений высокочастотных генераторов для миниатюрных транзисторных радиопередатчиков, в них всегда присутствуют основные элементы и соответствующие связи между ними, которые определяют критерии классификации генераторов и их характеристики.

В специализированной радиотехнической литературе можно найти различные критерии и, соответственно, системы классификации высокочастотных генераторов. Однако ограниченный объем данной книги не позволяет подробно рассмотреть даже некоторые из них. Поэтому далее остановимся лишь на важнейших критериях и признаках, чаще всего используемых в качестве основы для классификации ВЧ-генераторов, применяемых в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках.

Одним из основных критериев, применяемых при классификации ВЧ-генераторов, является тип селективного элемента. Поэтому часто классификацию по такому принципу называют классификацией по типу селективного элемента. В соответствии с этим критерием высокочастотные генераторы делятся на LC-генераторы, RC-генераторы, а также кварцевые генераторы. В миниатюрных транзисторных радиопередатчиках обычно применяются LC-генераторы и кварцевые генераторы.

В LC-генераторах в качестве селективного элемента используется резонансный контур, образованный включенными параллельно катушкой индуктивности и конденсатором. Отличительной особенностью этого типа генераторов является минимальный уровень искажений формируемого сигнала, поскольку резонансный контур подавляет частотные составляющие высших гармоник даже в том случае, когда активный элемент работает в нелинейном режиме.