Работа синтезаторов с ИФАПЧ с ФНЧ

ФНЧ необходим в кольце ИФАПЧ для подавления колебаний частоты сетки и ее гармоник. Как было сказано, в стационарном состоянии синтезатора при постоянной разности фаз напряжений на входах ИФД выходное напряжение ИФД будет также постоянным. Для этого схемы ИФД содержат на выходе накопительный элемент – емкость. Однако из-за утечки происходит разряд выходной емкости, повторяющийся периодически с частотой f_с.

В результате на выходе ИФД появляется напряжение, содержащее гармоники f_с; 2f_с; 3f_с и т.д., которое, воздействуя через УЭ на ГУН, вызывает паразитную частотную модуляцию ГУН, вследствие чего в спектре его колебаний возникают комбинационные частоты В технических условиях каждого синтезатора устанавливают допустимый уровень этих комбинационных частот, что определяет требования к их подавлению ФНЧ.

Поясним все сказанное на примере, используя результаты расчета синтезатора из предыдущего раздела. Положим, что наиболее значимыми являются комбинационные (рис. 2.20), и что их амплитуда по отношению к амплитуде номинальной частоты ГУНа не должна превышать – 50 дБ.

Рис. 2.20. Комбинационные составляющие 1-го порядка в ГУНе

Примем, что из-за неидеальности схемы ИФД уровень напряжения частоты f_с составляет 2% от размаха напряжения на УЭ . Для определенности положим (можно взять и другое значение, так как в расчете будут использованы относительные величины).

Тогда крутизна настроечной характеристики ГУНа

При частотной модуляции с малым индексом модуляции амплитуда комбинационной частоты

где – амплитуда центральной частоты ГУНа, – индекс частотной модуляции.

Согласно условию задачи или .

Допустимая девиация частоты ГУНа из-за воздействия помехи с частотой f_с

Допустимое напряжение частоты сетки на УЭ

В то же время без ослабления в ФНЧ

Следовательно, колебания частоты сетки должны быть ослаблены в ФНЧ в или на 60 дБ.

Перейдем к выбору схемы ФНЧ. В синтезаторах с ИФАПЧ используют активные ФНЧ на операционных усилителях, что позволяет обеспечить требуемое усиление управляющего напряжения (K_ус) и фильтрацию частот f_с и nf_с. Для простоты изложения будем использовать пассивные аналоги фильтров [4]: RC-фильтр НЧ (рис. 2.21), ПИФ – пропорционально-интегрирующий фильтр.

Рис. 2.21. Схема RC-фильтра

Передаточная функция RC-фильтра

Заменяя , получаем

и . (2.36)

На частотах F≤F₁, где , можно принять, что .

На частотах , где и

. (2.37)

Так как то введя логарифмическую шкалу частоты F и выражая в дБ, получим частотную характеристику RC-фильтра, (рис. 2.22).

Как видим, на первой после частоты F₁ декаде RC-фильтр обеспечивает затухание 10 дБ/дек., а начиная с частоты F₂ – 20 дБ/дек.

Обратимся к рис. 2.18, представляющему передаточную функцию кольца без ФНЧ. Частота среза кольца F′ = 600 Гц, частота сетки f_c=100 кГц. Как выбрать частоту F₁ ФНЧ?

Обратим внимание, что в активной зоне действия ФНЧ, на частотах RC-фильтр вносит в схему кольца ИФАПЧ дополнительный фазовый сдвиг на -90º (2.37). Если он будет работать на частоте F′, то суммарный фазовый сдвиг на этой частоте согласно (2.31) составит π, знаменатель в (2.31) обратится в нуль и кольцо ИФАПЧ потеряет устойчивость. Вместо подавления флуктуаций частоты ГУНа, кольцо само перейдет в автоколебательный режим, что абсолютно недопустимо. Поэтому RC-фильтр в кольце ИФАПЧ работает на частотах выше F′, а ПИФ – ниже F′. На частоте среза кольца F′ наклон передаточной функции должен составлять 20 дБ/дек.

Рис. 2.22. Частотная характеристика RC-фильтра

Продолжим расчет. Если принять для RC-фильтра то на частоте =6 кГц получим снижение коэффициента передачи на 10 дБ, а на частоте сетки f_с = 100 кГц на 34,5 дБ. Согласно расчету требуется подавление колебаний с частотой f_с на 60 дБ. Для этого используем двухзвенный
RC-фильтр, обеспечивающий подавление частоты сетки на 2·34,5 = 69 дБ.

Если бы требовалось подавление частоты f_с более чем на 70 дБ или частота f_с находилась бы ближе к F′, то для выполнения требований фильтрации пришлось бы дополнительно к RC-фильтру (рис. 2.23) включить в кольцо ПИФ (RC-фильтры с числом звеньев более 2 не используют).

Рис. 2.23. Схема пропорционально-интегрирующего RC-фильтра

Передаточная функция ПИФ

а коэффициент передачи

На частотах , где , K(F)=1.

На частотах , где ,

На частотах ПИФ вносит постоянное затухание дБ и не вносит дополнительного фазового сдвига, поэтому ПИФ работает ниже частоты т. е. . Включение ПИФ в кольцо ИФАПЧ приводит к уменьшению что ухудшает стабилизирующие свойства кольца. Пример передаточной функции при использовании RC-фильтра и ПИФ показан на рис. 2.24. Обратите внимание на то, что в точке наклон прямой относительно оси lgF составляет 20 дБ/дек.

ФНЧ в кольцах ИФАПЧ увеличивает время переходных процессов в синтезаторах. Поэтому в ряде случаев при перестройке синтезатора их отключают (замыкают накоротко) и включают после установления требуемой частоты.

Рис. 2.24. Частотная характеристика разомкнутого кольца ИФАПЧ с ПИФ