7.1 Общие принципы генерирования колебаний
7.2. Релаксационные генераторы
7.3 Генераторы синусоидальных колебаний
7.4 Расчет колебательных контуров
7.5. Стабилизация частоты колебаний
7.6. Синтезаторы частоты
7.7. Радиопередающие устройства
7.1 Общие принципы генерирования колебаний
Известно, что из ничего ничего не рождается. Чтобы произвести в природе какое-либо действие, скажем, создать движение, надо затратит определенную энергию. Колебания, в том числе и электрические, — один из видов движения. Энергия мускулов нужна, чтобы раскачать качели, энергия пара или воды, скопившейся перед плотиной, — чтобы раскрутить турбину и выработать ток промышленной частоты (50 Гц). Точно так же энергия источника электропитания позволяет возбудить радиочастотный генератор, который, по сути дела, является преобразователем энергии постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний — их можно усилить и подвести к антенне радиопередатчика.
В самых первых радиопередатчиках, например, функции генерирования и усиления колебаний совмещались в одном устройстве, выполненном на мощной радиолампе (а еще ранее — на искровом или дуговом разряднике либо машине высокой частоты). Впоследствии оказалось целесообразнее генерировать колебания сравнительно малой мощности (но зато высокостабильные), а затем усиливать их до нужного уровня. Генераторы, в которых самостоятельно возникают колебания, называются самовозбуждающимися, или автогенераторами, а усилители мощности высокочастотных колебаний часто называют генераторами с посторонним возбуждением.
Маломощные генераторы — гетеродины — имеются почти в каждом радиовещательном и телевизионном приемнике. Они являются частью преобразователя частоты — устройства, служащего для переноса сигнала с принимаемой частоты на так называемую промежуточную частоту, на которой и происходят основное
усиление, фильтрация и обработка сигнала. Такой приемник называют супергетеродинным.
Автогенератор содержит обычно усилительный элемент, выход которого соединен со входом цепью обратной связи (ОС), как показано на рис. 44. Полярность колебаний, поступающих на вход по цепи ОС. должна быть такой, чтобы поддерживать уже имеющиеся в системе колебания, увеличивая их амплитуду. Такая ОС называется положительной (ПОС). При коэффициенте передачи петли усилительный элемент — цепь ОС более единицы достаточно малейшего толчка, даже тепловых флуктуаций, чтобы в автогенераторе возникли колебания. Их амплитуда
будет нарастать до тех пор. пока не заработает какой-либо сдерживающий механизм, снижающий усиление, например, пока не наступит ограничение амплитуды в усилительном элементе.
7.2. Релаксационные генераторы
Если в генераторе применить широкополосные усилитель и цепь ОС (широкополосные — значит пропускающие широкую полосу частот, от самых низких до достаточно высоких). получится релаксационный генератор. Процесс самовозбуждения в нем происходит настолько быстро, что не успевает пройти даже одного цикла (периода) колебаний, как усилительный элемент оказывается в режиме насыщения (ограничения). После этого устройство должно некоторое время “отдохнуть» (relax — отдыхать), чтобы возвратиться в исходное состояние, после чего процесс повторится.
Релаксационные генераторы вырабатывают несинусоидальные колебания. На их основе создают генераторы коротких импульсов прямоугольного, треугольного или какого-либо другого напряжения специальной формы. Их используют, например, для генерирования напряжения развертки в телевизорах. Катушек индуктивности в релаксационных генераторах чаще всего нет (исключением является трансформатор в блокинг-генераторе), а частота или период колебаний определяется длительностью зарядки-разрядки конденсаторов через резисторы, т.е. постоянной времени RC-цепей (t ~ RC).
Один из самых простых релаксационных генераторов обычно выполняют на триггере Шмитта (рис. 45,а) — устройстве, выходное напряжение которого может принимать два значения — высокое (скажем, 5 В) и низкое (0 В). Если напряжение на входе триггера возрастает, то при определенном его значении (например, 3 В) выходное напряжение становится низким, а при падении входного напряжения ниже другого порога (к примеру, 2 В) — высоким. Таким образом, характеристика передачи триггера Шмитта имеет вид прямоугольной петли гистерезиса, на что и указывает фигура на его условном обозначении. На то, что выходное напряжение инвертировано, т.е. имеет обратную полярность относительно входного, указывает кружок на выходном выводе микросхемы. Готовые триггеры Шмитта имеются в различных сериях цифровых микросхем, выпускаемых промышленностью.
Работает этот генератор так. После его включения конденсатор С1 разряжен, напряжение на выходе DD1 — высокое. Конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1, и через некоторое время напряжение на нем достигает верхнего порога переключения триггера (3 В). Выходное напряжение скачком понижается до нуля, и конденсатор начинает разряжаться через тот же резистор. Когда напряжение на нем понизится до нижнего порога переключения (2 В), выходное напряжение скачком возрасте г. Такой процесс будет периодически повторяться — возникнут автоколебания. Форма напряжения на конденсаторе близка к треугольной (рис. 45,б), а на выходе генератора — прямоугольная (рис. 45,в).
Рассмотрим еще один широко распространенный релаксационный генератор, выполненный на дискретных элементах, — мультивибратор (рис. 46). По сути дела — это двухкаскадный транзисторный усилитель со связью между каскадами через разделительный конденсатор С1. Конденсатор С2 соединяет выход усилителя со входом, создавая ОС. Поскольку каждый каскад инвертирует сигнал, после двух каскадов сигнал оказывается не-инвертированным, а обратная связь — положительной. R1 и R4 — резисторы нагрузки каскадов, a R2 и R3 — резисторы смещения, задающие некоторый начальный ток базы, обеспечивающий насыщение транзисторов.
На коллекторах транзисторов формируются противофазные импульсы, по форме близкие к прямоугольным. Если номиналы резисторов и конденсаторов одинаковые, импульсы будут одинаковой длительности — такой мультивибратор называют симметричным. При разных номиналах деталей импульсы станут несимметричные—один полу-период короче, другой длиннее. Мультивибратор становится несимметричным.
Схем релаксационных генераторов много, с ними можно познакомиться в радиотехнической литературе, посвященной импульсной технике. Сегодня подобные устройства в большинстве случаев выполняют на цифровых микросхемах, что проще, удобнее и надежнее.
7.3 Генераторы синусоидальных колебаний
Один из видов генераторов синусоидальных колебаний использует для задания частоты RC-элементы. Такие генераторы достаточно сложны, требуют специальных мер по стабилизации амплитуды колебаний и не отличаются высокой стабильностью частоты.
Надежнее и лучше работают генераторы с параллельным колебательным контуром в качестве частотозадающего элемента — их часто называют LC-генераторами. Напомним, что параллельный колебательный контур содержит конденсатор и катушку индуктивности. Если заряженный конденсатор подключить к катушке, то в образовавшемся контуре (рис. 47) возникнут затухающие колебания. Их частота определяется формулой Томсона: 
Колебания продолжались бы бесконечно, если бы в контуре не было потерь энергии, например, на активном сопротивлении провода катушки. Кроме того, какую-то, пусть и небольшую часть энергии надо отдавать в нагрузку генератора!
Чем меньше потери энергии, тем выше добротность контура, которая равна числу колебаний до момента уменьшения их амплитуды пример но в 10 раз. Этот факт мало кому известен. Потери в контурном конденсаторе обычно малы по сравнению с потерями в катушке, поэтому добротность контура практически равна добротности катушки, определяемой как отношение реактивного сопротивления катушки к активному.
Добротность радиочастотных катушек диапазонов ДВ, СВ и КВ лежит обычно в пределах 30…300, в зависимости от размеров и качества исполнения. Большие катушки, намотанные для диапазонов ДВ и СВ специальным многожильным проводом (ЛЭШО — литцендратом) или толстым посеребренным проводом для диапазона КВ, имеют обычно и большую добротность.
Значительно сократить размеры катушек при сохранении высокой добротности позволяют магнитопроводы (сердечники) из высокочастотного феррита или другого магнитодиэлектрика (магнетита, оксифера, карбонильного железа). Однако при использовании таких катушек в генераторах надо обращать внимание на температурную зависимость свойств магнитопровода, чтобы не ухудшить стабильность частоты генератора.
Добротность контура определяет и ширину его резонансной кривой. Она характеризует зависимость амплитуды колебаний в контуре от частоты при возбуждении его от постороннего источника синусоидальных колебаний. Связь источника с контуром для получения правильных результатов должна быть очень слабой При совпадении частоты колебаний источника с резонансной частотой контура амплитуда колебаний в нем максимальна, а при расстройке она уменьшается. Ширина резонансной кривой по точкам, где амплитуда падает до 0,7 (на 3 дБ), обратно пропорциональна добротности: 
(рис. 47).
Основная идея построения генераторов с LC-контуром состоит в следующем: убыль энергии в контуре в процессе колебаний должна восполняться усилительным элементом, возбуждаемым от того же контура, в полном соответствии с рис. 44. При этом должны выполняться два условия: баланс амплитуд и баланс фаз.
Первое условие требует, чтобы энергия, подводимая к контуру от усилительного элемента, в точности равнялась потерям энергии в самом контуре и в цепях связи с нагрузкой. При более слабой обратной связи колебания затухают и генерация прекращается, при более сильной — амплитуда нарастает и усилительный элемент либо входит в режим ограничения, либо закрывается напряжением, вырабатываемым цепью стабилизации амлитуды. В обоих случаях усиление уменьшается, восстанавливая баланс амплитуд.
Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания от усилительного элемента подводились к контуру синфазно с его собственными. Следовательно, общий фазовый сдвиг по петле обратной связи должен быть нулевым. Впрочем, небольшой фазовый сдвиг, вносимый усилителем, может компенсироваться контуром. Фазовый сдвиг колебаний в контуре (относительно возбуждающих) составляет 0 на резонансной частоте и достигает ±
/4 при расстройке частоты на ±df в соответствии с фазовой характеристикой контура. При наличии фазового сдвига в усилительном элементе колебания будут возбуждаться не на резонансной частоте, а где-то сбоку от нее, что, конечно, нежелательно.
Исторически первый LC-генератор был изобретен Мейсснером в 1913 г. (немецкое общество беспроволочного телеграфа) и затем усовершенствован Роундом (английская фирма Маркони). В нём использовалась индуктивная обратная связь (рис. 48). Колебания от контура L2C2 подводятся к сетке лампы VL1. Её анодный ток, изменяющийся в такт с колебаниями в контуре, протекает через катушку связи L1, и энергия усиленных колебаний поступает обратно в контур. Для правильной фазировки обе катушки должны включаться так, как показано на рисунке (начала обмоток, намотанных в одну сторону, обозначены точками). Регулировать обратную связь можно, изменяя расстояние между катушками.
Для стабилизации амплитуды колебаний служит гридлик — цепочка C3R1 (кстати, в самом первом генераторе Мейсснера её ещё не было). Действует она так: во время положительных полупериодов колебаний на сетке часть электронов притягивается на неё и заряжает правую по схеме обкладку конденсатора СЗ минусовым напряжением. Оно сдвигает рабочую точку на участок характеристики с меньшей крутизной (лампа немного закрывается), и усиление уменьшается. Резистор “утечки сетки” R1 позволяет накапливающемуся заряду стекать на катод, иначе лампа закрылась бы совсем.
Конденсатор С1 служит для замыкания токов высокой частоты на общий провод («землю”) — ведь совсем не нужно, чтобы они протекали через источник питания, создавая наводки и помехи другим элементам устройства, в котором использован генератор.
В дальнейшем американской фирмой “Вестерн Электрик” были разработаны более простые и совершенные генераторы — индуктивная “трехточка” Хартли (1915 г.) и ёмкостная “трехточка» Колпитца (1918 г.). Мы намеренно привели имена изобретателей, поскольку схемы их генераторов практически не изменились за более чем три четверти века, и до сих пор в технической литературе встречаются названия “схема Мейснера” или “схема Колпитца» без пояснения, что это такое. Элементная база тем не менее значительно изменилась, и в качестве примера рассмотрим генератор, выполненный по схеме индуктивной трехточки (Хартли) на современном полевом транзисторе с изолированным затвором (рис. 49).
По принципу действия такой транзистор во многом подобен трехэлектродной радиолампе — триоду, но ток в нем протекает не в вакууме, а в толще полупроводника, где технологически создан проводящий канал между стоком (верхний по схеме вывод) и истоком (нижний вывод). Проводимость канала управляется напряжением на затворе — электроде, расположенном очень близко к каналу, но изолированном от него. При подаче на затвор отрицательного напряжения его поле как бы “пережимает» канал и ток стока уменьшается. Если же подано и увеличивается положительное напряжение, проводимость канала растет и ток стока увеличивается. В любом случае ток затвора отсутствует, и это заставило дополнить гридлик C2R1 — цепь стабилизации амплитуды — диодам VD1, детектирующим поступающие на затвор колебания и создающим отрицательное смещение при возрастании их амплитуды.
Колебания на затвор подаются с контура L1C1, определяющего частоту генератора. Достоинство полевого транзистора в том, что его входное сопротивление на радиочастотах очень велико, и оно практически не шунтирует контур, не внося в него дополнительных потерь. Обратная связь создается подключением истока транзистора к части витков катушки L1 (обычно от 1/3 до 1/10 общего числа витков).
Работает генератор так: при положительной полуволне колебаний на верхнем по схеме выводе контура увеличивается ток транзистора, который “подбрасывает» в контур очередную порцию энергии.
По сути дела, транзистор в этом генераторе включен истоковым повторителем, и фаза колебаний на истоке совпадает с фазой колебаний на затворе, что и обеспечивает баланс фаз. Коэффициент передачи повторителя по напряжению меньше единицы, однако катушка по отношению к истоку включена как повышающий автотрансформатор. В результате полный коэффициент передачи по петле обратной связи становится больше единицы, обеспечивая баланс амплитуд.
В качестве другого примера рассмотрим генератор, выполненный по схеме ёмкостной “трехточки” на биполярном транзисторе (рис. 50). Собственно генератор собран на транзисторе VT1. Его режим по постоянному току задается делителем в цепи базы R1R2 и сопротивлением эмиттерного резистора R3 (мы уже рассматривали такие схемы в разделе об усилителях). Колебательный контур генератора образован катушкой индуктивности L1 и цепочкой из трех последовательно включенных конденсаторов C1—СЗ. К отводам получившегося ёмкостного делителя подключены не только эмиттер, но и база транзистора. Это продиктовано желанием уменьшить шунтирование контура транзистором — ведь входное сопротивление биполярного транзистора относительно невелико.
Практически ёмкости конденсаторов С2 и СЗ, шунтирующих переходы транзистора, стараются выбрать побольше, а ёмкость С1 — минимально необходимой для возникновения колебаний. Это улучшает стабильность частоты. В остальном работа генератора происходит так же, как и предыдущего.
Каскад на транзисторе VT2 — так называемый буферный каскад — служит для ослабления влияния последующих каскадов на генератор. Транзистор включен эмиттерным повторителем и получает смещение непосредственно с эмиттера генераторного транзистора VT1. Дополнительно связь ослаблена резистором R4. Все принятые меры позволяют довести относительную нестабильность частоты описанного генератора до столь малой величины, как 0,001 %, тогда как у обычных LC-генераторов она на порядок хуже.
В радиовещательных и телевизионных приемниках используют более простые генераторы по схеме ёмкостной трехточки, типичная схема одного из которых показана на рис. 51. Здесь контур L1C3 включен в коллекторную цепь транзистора, база по высокой частоте соединена с общим проводом через конденсатор С2, а обратная связь подается на эмиттер через емкостный делитель С4С5. Включение транзистора по схеме с общей базой позволяет получить особенно высокие частоты генерации, близкие к предельным для данного типа транзистора. Сигнал генератора снимают с катушки связи L2.
7.4 Расчет колебательных контуров
Приводимые ниже соображения справедливы не только для контуров автогенераторов, но и для любых других, применяемых в радиотехнических устройствах, например, в радиоприемниках. Формулу для частоты настройки контура мы уже приводили, и ею с успехом можно пользоваться, подставляя все данные в основных единицах: емкость — в фарадах, индуктивность — в генри. Ответ получится, естественно, в герцах. Для упрощения вычислений можно подставить ёмкость в нанофарадах, а индуктивность — в миллигенри, тогда ответ будет в мегагерцах:
Радиочастотные колебательные контуры часто перестраивают по частоте с помощью конденсаторов переменной ёмкости (КПЕ). Типовые диапазоны изменения емкости таких конденсаторов — 5… 180, 5…360 или 17…500 пФ. При расчетах надо учесть ещё небольшие собственные ёмкости катушки, монтажа и входную ёмкость каскада, подключенного к контуру. Они относительно мало добавляют к максимальной ёмкости КПЕ, но значительно увеличивают минимальную ёмкость контура, сужая диапазон перестройки.
Чтобы выровнять минимальные ёмкости у нескольких одновременно перестраиваемых контуров, параллельно секциям блока КПЕ присоединяют подстроечные конденсаторы (С1 и СЗ на рис. 52). Практически ёмкость настраиваемого контура изменяется не более чем в 10 раз, что дает лишь трехкратное изменение частоты. Совпадения настроек контуров на низкочастотном краю диапазона добиваются изменением индуктивности катушек, для чего их снабжают подстроечниками из магнитодиэлектрика (феррит, магнетит и т. д.). Типичные значения индуктивности средневолновых катушек — около 200 мкГн, длинноволновых — 2 мГн.
Наибольшие трудности у радиолюбителей вызывает расчет числа витков катушек. Точная формула выведена для соленоида с длиной намотки, много большей диаметра:
При подстановке размеров в метрах ответ получается в генри. Эта же формула дает очень хорошие результаты для тороидальных катушек, намотанных на кольцах из феррита. Длина намотки в этом случае — это длина окружности средней линии кольца.
Для ферритовых антенн формула тоже годится, но поскольку магнитопровод не замкнут, надо брать эффективное значение магнитной проницаемости, которое для широко распространенных стержней с магнитной проницаемостью 400—1000 составляет всего 50… 150. Типичные значения числа витков катушек магнитных антенн СВ диапазона — 50…70, ДВ — 200…250.
Как уже упоминалось в разделе 7.3, для повышения добротности ДВ и СВ катушки наматывают проводом ЛЭШО, скрученным из нескольких (от 7 до 81) тонких изолированных проводников. При отсутствии такого провода его можно изготовить самостоятельно из провода ПЭЛ диаметром 0,07—0,1 мм. При распайке выводов их зачищают, скручивают и пропаивают вместе. Оборванные или непропаянные проводники снижают добротность катушки.
Коротковолновые катушки наматывают одножильным медным проводом диаметром 0,4—1,5 мм, желательно посеребренным, но можно использовать и провод марки ПЭЛ. Индуктивность однослойной цилиндрической катушки (в мкГн) можно определить по эмпирической формуле:
в которую диаметр D и длину намотки l подставляют в см. Для повышения добротности намотку следует вести с шагом (т. е. зазором между витками), примерно равным диаметру провода. Не надо стараться сделать катушку слишком маленькой — добротность малогабаритных катушек меньше! Число витков КВ катушек обычно не превышает 10…20.
Нередко радиолюбителям приходится применять готовые катушки, например, от контуров старых радиовещательных приемников или телевизоров. Возникает вопрос, как перестроить контур на другую частоту? Здесь полезно сказать о нескольких простых закономерностях: индуктивность катушки при фиксированных размерах всегда пропорциональна квадрату числа витков, поэтому, чтобы увеличить индуктивность, например, вдвое, надо увеличить число витков в 1,4 раза. Частота настройки контура при фиксированной емкости при этом понижается в 1,4 раза — она обратно пропорциональна числу витков. Любопытно, что длина волны, на которую настроен контур, прямо пропорциональна числу витков катушки, а значит, и длине провода.
В заключение отметим, что нелепо выглядят и плохо работают контуры с очень большой индуктивностью при малой ёмкости, или наоборот. Действительно, при малой ёмкости контура большую роль начинают играть всевозможные паразитные ёмкости: межвитковая ёмкость катушки, ёмкость монтажа, собственная ёмкость подключённых к контуру деталей и т. д. Слишком малая индуктивность контура при большой ёмкости приводит к возрастанию роли паразитной индуктивности соединительных проводов, а также понижению резонансного сопротивления контура, равного 
. Характеристическое сопротивление контура:
выбирают обычно от сотен Ом до нескольких кОм.
7.5. Стабилизация частоты колебаний
Требования к стабильности частоты колебаний генераторов и радиопередатчиков постоянно возрастают, что связано с большой «загрузкой» эфира, сужением полосы пропускания приемников, применением наиболее совершенных методов передачи аналоговой и цифровой информации. Относительная нестабильность частоты обычных LC-генераторов с колебательным контуром составляет около 0,01 % и специальными мерами (термостатированием, использованием качественных деталей) может быть повышена еще на порядок. Этого недостаточно, но, по счастью, уже давно известен простой и надежный способ повышения стабильности частоты. Он состоит в применении кварцевого резонатора.
Пластина кварца, определенным образом вырезанная из кристалла, обладает пьезоэффектом: при ее деформации на поверхности появляются заряды. Есть и обратный эффект: приложение напряжения к поверхностям пластины вызывает ее деформацию. Пластина имеет собственный механический резонанс, и добротность её может достигать десятков и сотен тысяч — значений, недостижимых в обычных контурах. Кроме того, частота механического резонанса очень стабильна — она зависит только от размеров пластины и почти не подвержена внешним влияниям.
Кварцевый резонатор по конструкции напоминает конденсатор — пластина кварца помещена между двумя обкладками, от которых сделаны выводы. Обкладки теперь чаще всего напыляют на поверхность пластины. В электрическом отношении кварцевый резонатор подобен колебательному контуру, схема которого показана на рис. 53. На частоте последовательного резонанса fs реактивное сопротивление обращается в нуль, а на частоте параллельного резонанса fp — становится бесконечным (если пренебречь небольшими потерями, связанными с сопротивлением r).
Эквивалентная индуктивность кварца велика (единицы генри), а последовательная емкость Сs мала (сотые доли пикофарады), в то время как параллельная емкость Ср может достигать десятков пикофарад (она рассчитывается по обычной формуле для ёмкости плоского конденсатора, в котором диэлектриком служит кварц). В результате разность частот параллельного и последовательного резонансов составляет около 0,1 % от резонансной частоты.
В прецизионных кварцевых генераторах используют частоту последовательного резонанса, как наименее подверженную дестабилизирующим факторам, в то время как в более простых генераторах удобнее возбуждать генератор на частотах вблизи параллельного резонанса, где сопротивление кварца носит индуктивный характер, благодаря чему он с успехом заменяет катушку индуктивности. Схема такого генератора приведена на рис. 54, она практически совпадает со схемой уже разобранного LC-генератора, показанного на рис. 50.
Крупным недостатком кварцевых генераторов является невозможность перестройки частоты. Допустима лишь небольшая ее подстройка в пределах долей процента, для чего и служит подстроечный конденсатор С1. Самопроизвольный «уход» частоты такого генератора может составлять столь небольшую величину, как 1 Гц на 1 МГц (относительная нестабильность 10Е-6).
7.6. Синтезаторы частоты
Желание совместить возможность перестройки с высокой стабильностью частоты привело к разработке синтезаторов частоты — устройств, позволяющих из одной высокостабильной получить целую сетку частот, переключаемых по выбору. Хорошей заменой плавно перестраиваемых генераторов оказались синтезаторы с мелкой сеткой, через 100, 10 или даже 1 Гц. Их с успехом используют в аппаратуре для радиосвязи.
Метод прямого синтеза предусматривает умножение и деление, а также сложение и вычитание частот для получения нужного значения. Метод достаточно сложен и требует большого числа умножителей, делителей и преобразователей частот с соответствующими фильтрами для ослабления побочных частот. Проще реализовать метод косвенного синтеза, основанный на использовании системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Структурная схема простейшего синтезатора, основанного на этом принципе, приведена на рис. 55. Такие синтезаторы уже широко применяют в бытовой аппаратуре: радиоприемниках, автомагнитолах, телевизорах и радиостанциях «гражданского» диапазона 27 МГц (Си-Би).
Частота опорного кварцевого генератора (КГ) делится до получения «опорной» частоты 
, равной требуемому шагу сетки частот (9 кГц — в диапазонах ДВ и СВ, 5 кГц — на КВ и 10 кГц — на Си-Би). Примерно до такого же значения делится и частота управляемого LC- или даже RC-генератора (УГ) с невысокой стабильностью. После сравнения сигналов с опорной частотой в частотно-фазовом детекторе (ЧФД) вырабатывается сигнал ошибки постоянного тока, который через фильтр нижних частот ФНЧ подстраивает частоту УГ до тех пор, пока не будет достигнуто полное совпадение частот и фаз сигналов на входах ЧФД. При этом получается 
. Частота управляемого генератора приобретает стабильность кварцевого.
В настоящее время широко применяются синтезаторы, выполненные на одной микросхеме.
7.7. Радиопередающие устройства
С развитием радиотехники появилось огромное число разных радиопередающих устройств — от мощных радиовещательных и радиолокационных, генерирующих мегаватты высокочастотной мощности, до миниатюрных карманных, мощностью в милливатты, служащих для радиоуправления моделями или включения охранной сигнализации автомобиля. Они работают на самых различных частотах от десятков килогерц (сверхдлинные волны) до десятков гигагерц (миллиметровые волны). Тем не менее во всех подобных устройствах много общего, что и позволяет выделить их в отдельный класс радиотехнических устройств.
Теперь довольно редко применяют однокаскадные радиопередатчики, представляющие собой автогенератор. связанный с антенной. Это могут быть либо простейшие микромощные передатчики сигналов радиоуправления, либо уникальные передатчики сверхвысоких частот, например радиолокационные. Большинство же радиопередатчиков строят по схеме задающий генератор — усилитель мощности. При этом функции возбуждения колебаний и усиления их до необходимого уровня мощности оказываются разделенными, что и позволяет построить эти каскады оптимальным образом.
Рассмотрим наиболее распространенные и интересные для радиолюбителей ДВ, СВ и КВ передатчики, т.е. работающие в диапазонах, которые отведены для радиовещания с амплитудной модуляцией (AM). Исторически это самая старая система вещания, обладающая многими недостатками, но отказаться от нее нельзя. Дело в том, что волны этих диапазонов распространяются на большие расстояния, а в мире эксплуатируются сотни миллионов радиоприемников, рассчитанных именно на прием AM сигналов. Поэтому и AM передатчиков в мире великое множество. Их совместная работа в эфире невозможна без четкой организации, относящейся, прежде всего, к распределению частот. Каждой радиостанции отведена своя рабочая частота, а сетка частот установлена кратной 9 кГц — на ДВ и СВ и 5 кГц— на КВ.
Требования к стабильности частоты радиовещательных передатчиков очень высоки, и в их задающих генераторах теперь используют только синтезаторы частоты. Более того, опорные частоты для синтезаторов «привязывают» к общенациональным стандартам времени и частоты. В ряде случаев несущая мощной станции ДВ служит таким стандартом, как, например, несущая радиостанции Дройтвич в Англии.
В России поступают несколько иначе: эталонный сигнал, полученный от атомного стандарта частоты, излучается специальными радиостанциями в Подмосковье на частоте 66.(6) кГц и в Иркутске на частоте 50 кГц. На каждом радиоцентре имеется специальный приемник эталонной частоты (ПЭЧ) и устройство сравнения частот, позволяющее подстраивать под нее опорную частоту синтезатора (рис. 56). Относительная нестабильность частоты радиовещательных станций может составлять всего 10Е-13…10Е-15. Часы, синхронизированные с такой точностью, «уходили» бы где-то на секунду за миллион лет!
Итак, высокостабильные колебания несущей частоты от задающего генератора получены, их усиливают промежуточными каскадами передатчика и подают на оконечный, мощный каскад, в котором одновременно с усилением осуществляют и модуляцию. Может возникнуть вопрос: почему не модулируют сигнал на низком уровне и потом не усиливают модулированные колебания? Это связано со стремлением получить максимальный КПД передатчика — ведь речь идет о мощностях в десятки и сотни киловатт.
Наибольшее распространение получила анодная модуляция в режиме класса В с высоким КПД. Упрощенная схема оконечного каскада передатчика с модулятором показана на рис. 57.
Высокочастотные колебания несущей через катушку связи L1 поступают в сеточный контур L2C1 выходного каскада передатчика, собранного на мощном тетроде VL1. Цепочка автоматического смещения R1С2 создаёт (за счет протекания сеточного тока) такое отрицательное смещение на управляющей сетке, чтобы рабочая точка находилась на нижнем сгибе характеристики лампы. При этом импульсы анодного тока имеют вид полупериодов синусоидальных колебаний.
Анодный контур L3C4 восстанавливает синусоидальную форму несущих колебаний, причем амплитуда их почти равна напряжению анодного питания Uа, а мощность соответствует номинальной мощности передатчика. Через катушку связи L4 усиленные колебания поступают в антенну. Экранная сетка генераторной пампы питается от отдельного источника с напряжением Uэ, меньшим, чем анодное.
Модулятор представляет собой обычный двухтактный усилитель звуковой частоты, выполненный на мощных триодах VL2 и VL3, также работающих в режиме класса В. Выходная мощность модулятора достигает половины мощности несущей. Вторичная обмотка модуляционного трансформатора Т2 включена в анодную цепь генераторной лампы последовательно с источником питания.
При глубине модуляции 100% анодное напряжение генераторной лампы изменяется почти от нуля до 2Uа, соответственно изменяется и амплитуда высокочастотных колебаний в анодном контуре, как показывают приведенные осциллограммы. Промышленный КПД (отношение излучаемой мощности к мощности, потребляемой от силовой сети) достигает у описанного передатчика 60…70% при излучаемой мощности порядка 100 кВт.
Для работы при столь высоких мощностях разработаны специальные генераторные лампы с принудительным воздушным или водяным охлаждением анода. В колебательных контурах и других элементах также используют уникальные конструкции: катушки большого диаметра, намотанные медной трубкой на керамических изоляторах, конденсаторы с воздушным диэлектриком и большим расстоянием между пластинами для исключения высокочастотного пробоя и т. д. Неудивительно, что выходной контур мощного передатчика занимает, например, на радиоцентре отдельную комнату.