2) колебательный контур LKCKGЭ задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость GЭ характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;
3) катушка LБ обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура LК (коэффициент взаимоиндукции М);
4) источники питания ЕБ и ЕК обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;
5) конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;
6) блокировочные конденсаторы СБ1 и СБ2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.
Физические процессы в генераторе.
При подключении источников питания ЕБ и ЕК эмиттерный переход смещается в прямом направлении и возникает коллекторный ток iК(t), который в начале замыкается от + ЕК через эмиттер - базу - коллектор транзистора и емкость СК на - ЕК, поскольку емкость для перепада тока представляет собой короткое замыкание. Конденсатор СК заряжается, а затем начинает разряжаться через элементы контура LKGЭ и в контуре возникают свободные колебания. Колебательный ток, проходя через LК, создает ЭДС взаимоиндукции в катушке LБ. Эта ЭДС прикладывается к эмиттерному переходу транзистора через емкость СБ1 и управляет токами базы и коллектора. Переменная составляющая коллекторного тока, протекающая по цепи: коллектор, контур LKCKGЭ, эмиттер, база, коллектор, восполняет потери энергии в контуре и, если выполнены условия самовозбуждения, то колебания в нем будут нарастать по амплитуде. Первое условие самовозбуждения называется фазовым и оно достигается тем, что катушка LБ включается встречно катушке LК. В этом случае напряжение на базе UБЭ будет изменяться в противофазе с напряжением на коллекторе (соответственно, и с напряжением на контуре UК) и выходная проводимость транзистора окажется отрицательной. Это означает, что транзистор является источником энергии по переменному току. Но одного фазового условия недостаточно, необходимо еще выполнение амплитудного условия самовозбуждения, т. е. чтобы энергия W(+), поступающая в контур от транзистора, превышала потери энергии W(-) на проводимости GЭ. Практически это достигается выбором М > МКР, где МКР - величина М, при которой выполняется равенство W(+) = W(-). Частота генерируемых колебаний примерно равна резонансной частоте контура
поскольку при Q >> 1, величина коэффициента затухания d
Достоинства схемы: возможность плавной, независимой регулировки частоты (путем изменения СК) и амплитуды (путем изменения М) колебаний.
Недостаток схемы заключается в том, что на высоких частотах затруднена регулировка амплитуды колебаний из-за влияния паразитной емкости между катушками LK и LБ, поэтому генераторы с трансформаторной обратной связью применяются в диапазонах длинных и средних волн (ДВ и СВ).
При расчете параметров генератора необходимо определить частоту генерируемых колебаний, резонансную частоту контура, добротность контура, а также выполнение амплитудного и фазового условия самовозбуждения.
Пример
Автогенератор с трансформаторной обратной связью (рис. 6) имеет параметры контура LK = 3 мкГн, СК = 90 пФ, GЭ = 25 Ом.
Определить частоту собственных затухающих колебаний колебательного контура w1, резонансную частоту w0 и добротность Q колебательного контура.
Решение задачи.
Поскольку включение катушек LБ и LK произведено встречно, что обеспечивает противофазное изменение напряжений на базе и коллекторе транзистора, то фазовое условие самовозбуждения выполнено. Амплитудное условие самовозбуждения будет достигнуто выбором М > МКР.
Для определения режима свободных колебаний в контуре рассчитаем его параметры.
Частота собственных колебаний контура определяется выражением
Для ее определения вычислим резонансную частоту контура и коэффициент затухания контура:
Отсюда
Добротность контура вычислим по формуле
Как видно из приведенных расчетов, частота собственных колебаний и резонансная частота контура, при добротности Q >> 1, практически совпадает (квазиколебательный режим), что подтверждает теоретические положения.
Автогенератор на туннельном диоде
Исторически туннельные диоды появились значительно позже, чем транзисторы и лампы. Малые габариты и вес, высокая надежность и экономичность обусловили быстрое расширение области их применения. Вольт-амперная характеристика у туннельного диода - типа N (рис. 7). Поэтому схема автогенератора получается просто: к диоду подключают параллельный контур по переменному току (рис. 8.44 б), а режим по постоянному току выбирают так, чтобы рабочая точка О оказалась на падающем участке характеристики (рис. 7).
а) б)
Рис.7. Вольт-амперная характеристика и схема генератора на туннельном диоде
Режим по постоянному току должен обеспечиваться с учетом внутреннего сопротивления источника R i. Для этого необходимо решить систему двух уравнений:
Графическое решение системы показано на рисунке 8.44 а.
Рассмотрим два случая.
В первом случае, при крутизне наклона характеристики |S(U0)| > 1/R i, существует три возможных состояния, удовлетворяющих уравнениям системы - точки А, О, Б. Анализ, с учетом емкости самого диода, показывает, что только точки А и Б, расположенные на нарастающих участках характеристики, являются устойчивыми. Если точка покоя (точка О) находится на участке характеристики с отрицательным наклоном, то состояние схемы будет неустойчивым и рабочая точка самопроизвольно смещается в одно из крайних положений (в точку А или точку Б).
Во втором случае, при крутизне наклона характеристики |S(U0)| < 1/R i, существует лишь одно состояние, удовлетворяющее уравнениям - точка О. Оно оказывается устойчивым и поэтому рабочая точка может быть установлена на любом участке вольт-амперной характеристики с отрицательной крутизной, следовательно, фазовое условие самовозбуждения выполняется. Амплитудное условие самовозбуждения будет выполнено, если |S(U0)| > GЭ, где GЭ - проводимость контура в точках подключения диода.
Частота колебаний равна
и может изменяться с помощью СК. Амплитуда колебаний изменяется путем изменения точки подключения диода к колебательному контуру. Если катушки L1 и L2 не связаны единым магнитным полем, то коэффициент включения контура равен
Если же катушки L1 и L2 образуют единую катушку с общим магнитным полем, то диод подключается к индуктивной ветви с коэффициентом включения, равным
где n1 и n2 - число витков в частях катушки, обозначенных на схеме L1 и L2.
Блокировочная емкость СБ выбирается из условия
Достоинства схемы:
1) способность работать в очень широком диапазоне частот (от единиц килогерц до десятков гигагерц);
2) высокая стабильность параметров при изменении температуры в широких пределах;
3) низкий уровень собственных шумов;
4) малое потребление энергии от источников питания;
5) длительный срок службы;
6) малая чувствительность к воздействию радиации.
Недостаток схемы - малая выходная мощность, что обусловлено малыми интервалами токов и напряжений в пределах падающего участка характеристики (с отрицательной крутизной). Например, генератор на одном туннельном диоде с пиковым током до 10 мА обеспечивает мощность, не превышающую единиц милливатт. Для получения большей мощности необходимо применять диоды с большими пиковыми токами.
Обобщенная схема трехточечного автогенератора
Кроме схемы автогенератора с трансформаторной обратной связью существуют так называемые трехточечные схемы автогенераторов синусоидальных колебаний. В них нет катушек связи и положительная обратная связь достигается автотрансформаторным (потенциометрическим) подключением цепи обратной связи к контуру, т. е. обратная связь реализована с помощью реактивных делителей напряжения емкостного или индуктивного типа.
В трехточечном автогенераторе активный прибор (лампа или транзистор) подключается к колебательному контуру в трех точках. Изобразим обобщенную схему замещения трехточечного генератора по переменному току, которая будет справедлива для любого генератора такого типа (рис. 8).
Рис. 8. Обобщенная схема замещения трехточечного автогенератора
Контур состоит из двухполюсников , , , которые обычно имеют столь малые потери, что можно считать их чисто реактивными:
Обобщенная схема содержит усилитель с коэффициентом усиления
и нагрузкой в виде контура Х1Х2Х3, а также цепь обратной связи, передающую часть выходного напряжения усилителя обратно на его вход с коэффициентом передачи
Поскольку
,
То
Фаза коэффициента усиления jК в схеме с общим эмиттером (катодом) на резонансной частоте контура равна 180°, так как сопротивление контура на этой частоте чисто активно, а усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал. Следовательно, для выполнения фазового условия самовозбуждения генератора jК + jb = 360° необходимо, чтобы jb = 180°. Это будет выполняться, если b будет действительной и отрицательной величиной. В соответствии с (8.40) можно утверждать, что это будет выполняться при двух условиях:
1) Х1 и Х3 должны быть разного знака (разного характера реактивности);
2) |Х3| > |X1|.Частота генерируемых колебаний равна резонансной частоте контура, так как фазовое условие будет выполняться только на этой частоте. Из условия резонанса в контуре Х1 + Х2 + Х3 = 0 следует, что Х2 должен иметь знак, одинаковый с Х1 и тогда
Таким образом, можно сформулировать правило построения трехточечного генератора: между общим и управляющим, общим и выходным электродами усилительного элемента должны быть включены реактивные элементы одинакового характера реактивности, а между управляющим и выходным электродами - элемент противоположного характера реактивности.
Соблюдение данного правила гарантирует выполнение фазового условия самовозбуждения генератора.
Если реактивные двухполюсники являются одноэлементными, то возможны всего два варианта трехточечных генераторов (рис. 9).
Рис. 9. Схемы трехточечных генераторов
Схему, представленную на рисунке 9, а называют индуктивной трехточкой, а на рисунке 8.46, б - емкостной трехточкой.
Все вышеприведенные рассуждения и выводы справедливы и для трехточечных автогенераторов, собранных на лампе. Нетрудно изобразить и аналогичные схемы индуктивной и емкостной трехточки.
Следует подчеркнуть, что двухполюсники , , , входящие в контур, могут быть получены как полные сопротивления сколь угодно сложных схем (например, колебательных контуров), важно лишь, чтобы на частоте генерируемых колебаний они создавали нужную реактивность. В схемах автогенераторов могут отсутствовать конденсаторы колебательных контуров, так как вместо них используются междуэлектродные емкости.
Заключение
Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Появление новых схем обусловлено желанием улучшить те или иные свойства имеющихся схем. Например, желание получить возможность независимой регулировки частоты и амплитуды колебаний на всех более высоких частотах вместе с определенными конструктивными удобствами, получить более высокую стабильность частоты и т. д. Однако одновременного улучшения всех свойств, как правило, достичь не удается в силу их противоречивости, поэтому приходится отдавать предпочтение той или иной схеме в зависимости от условий применения.
Литература:
1. Богданов Н. Г., Лисичкин В. Г. Основы радиотехники и электроники. Часть 8, 2000г..
2. Никольский И. Н., Хопов В. Б., Варокосин Н. П., Григорьев В. А., Колесников А. А. Нелинейные радиотехнические устройства связи. 1972.
Страницы: 1, 2
