2.2. Генераторы с внешним возбуждением

Генератор с внешним возбуждением образуется из АГ, если в последнем убрать обратную связь, а на управляющий электрод активного элемента (электронной лампы или транзистора) подать внешний гармонический сигнал (рис. 2.9, а).

а)

б)

в)

Рис. 2.9. Режимы работы ГВВ: а – эквивалентная схема ГВВ; б – режим без отсечки тока (режим первого рода); в – режим с отсечкой тока (режим второго рода)

В режиме с отсечкой тока в цепи через АЭ протекает импульсный ток, который можно разложить в ряд Фурье по кратным гармоникам:

, (2.25)

где ,

- коэффициенты Берга, определяемые выражением

; ; , (2.26)

где n – номер гармоники;

– угол отсечки равный половине фазового угла ωt протекания импульса тока через активный элемент;

I_mи – амплитуда импульса тока.

Коэффициенты Берга можно также найти по графикам, приведенным на рис. 2.10, на котором кроме этих коэффициентов изображена зависимость , называемая коэффициентом формы тока.

Рис. 2.10. Графики Берга

Таким образом, генераторы с внешним возбуждением в зависимости от режима работы могут выполнять две функции:

в режиме первого рода только усиление сигнала (колебательный контур настраивается на частоту входного сигнала);

в режиме второго рода осуществляется как усиление сигнала (колебательный контур настраивается на частоту входного сигнала, то есть на первую гармонику импульса тока), так и умножение частоты входного сигнала (колебательный контур настраивается на частоту n-й гармоники импульса тока). На практике обычно применяется режим 2-го рода не только потому, что можно осуществить как усиление сигнала, так и умножение частоты, но и по причине лучших энергетических показателей.

2.3. Энергетические показатели гвв и основные пути их улучшения

К основным энергетическим показателям ГВВ относятся:

генерируемая (колебательная) мощность Р;

подводимая мощность Р₀;

коэффициент усиления по мощности К_р;

коэффициент усиления по напряжению К_u;

коэффициент полезного действия (кпд) .

Генерируемая мощность выделяется в колебательном контуре и по определению равна

, (2.27)

где - амплитуда тока n-ой гармоники, создающая на колебательном контуре, настроенном на частоту этой гармоники, напряжение амплитудой U_кn;

R_э – эквивалентное сопротивление (сопротивление нагрузки R_н) колебательного контура, настроенного на частоту n -ой гармоники.

Установим зависимость R_э от параметров колебательного контура. Любую нагрузку для активного элемента в ГВВ можно представить параллельным колебательным контуром с сопротивлением r_к, учитывающим активные потери мощности колебаний (рис. 2.11). Сопротивление этого контура току n-ой гармоники равно

.

Рис. 2.11. Параллельный колебательный контур

Так как контур настроен на частоту n-ой гармоники тока, то практически на этой частоте возникает резонанс токов в контуре (параллельный резонанс), Следовательно,

.

Тогда

,

так как

.

Действительно, учитывая, что волновое сопротивление контура , имеем

,

где добротность контура ,

.

Окончательно имеем

. (2.28)

Для пояснения зависимости генерируемой мощности Р от R_э воспользуемся динамическими характеристиками AЭ (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Динамические характеристики АЭ

Динамическая характеристика активного элемента есть зависимость тока через АЭ от напряжений на электродах. В графическом изображении динамическая характеристика представляет след движения точки на плоскости статических характеристик АЭ за один период напряжения на управляющем электроде при неизменном значении напряжения источника питания U_a0. На рис. 2.12 показан один период управляющего напряжения и напряжения на контуре. Так как между током через АЭ и напряжением на АЭ существует линейная зависимость то и динамические характеристики представляют собой отрезки прямых линий, наклоненных к оси напряжения под углом

. (2.29)

Из динамической характеристики следует, что уменьшение напряжения на АЭ приводит к увеличению тока через АЭ. Это явление общее для всех генераторов и учитывается отрицательным динамическим сопротивлением

. (2.30)

С помощью динамических характеристик легко построить импульсы тока. При R_э = 0 имеет место самый большой по амплитуде импульс тока (рис. 2.12), однако амплитуда напряжения на контуре равна нулю, и генерируемая мощность, согласно выражению (2.27), тоже равна нулю.

С увеличением R_э до некоторого критического значения R_э.кр амплитуда тока уменьшается незначительно, но амплитуда напряжения на контуре существенно возрастает, что ведет к росту генерируемой мощности.

При превышении R_э критического значения I_mи резко уменьшается, что ведет к резкому уменьшению амплитуды n-ой гармоники тока, на частоту которой настроен контур,

и генерируемая мощность уменьшается.

В силу этих особенностей поведения зависимости Р(R_э) (рис. 2.14) режим с отсечкой анодного тока подразделяется на три режима:

недонапряженный (R_э < R_э.кр );

критический (R_э = R_э.кр);

перенапряженный (R_э > R_э.кр ).

Характерная особенность перенапряженного режима – появление провала в области вершины импульса тока за счет тока по управляющему электроду активного элемента (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Режимы: недонапряженный (а), критический (б), перенапряженный (в)

Подводимая от источника питания мощность по определению равна

(2.31)

и следовательно, пропорциональна амплитуде импульса тока. Коэффициент полезного действия (кпд) также находим по определению

,

, (2.32)

где – коэффициент формы анодного тока как функция угла отсечки (для n = 1 зависимость приведена на рис. 2.10);

– коэффициент использования анодного напряжения, характеризующий работу генератора.

Мощность, рассеиваемая на активном элементе, есть разность между подводимой и генерируемой мощностями:

Р_а = Р₀ – Р. (2.33)

Зависимости Р, Р₀, Р_а и от R_э называются нагрузочными характеристиками. На рис. 2.14 приведены нагрузочные характеристики ГВВ, работающего в режиме усиления мощности входного сигнала (n = 1).

Рис. 2.14. Нагрузочная характеристика ГВВ

Анализ работы ГВВ показывает, что генерируемая мощность будет максимальна при достижении максимума коэффициента Берга . Для первой гармоники максимум достигается при = 120° (рис. 2.10). Однако значение кпд достигает максимума при = 70 ÷ 90°. По этой причине на практике выбирают угол отсечки ≈ 90°, что приводит к незначительному снижению генерируемой мощности, а ГВВ работает в слегка перенапряженном режиме.

На практике часто возникает задача повышения генерируемой мощности при одних и тех же активных элементах. Эту задачу можно решить двумя путями:

параллельным включением активных элементов (рис. 2.15,а);

встречным включением активных элементов (схема двухтактного генератора, рис. 2.15,б).

а) б)

Рис. 2.15. Эквивалентные схемы ГВВ: а – при параллельном включении активных элементов; б – при встречном включении активных элементов

При параллельном включении напряжения на электродах активных элементов одинаковы и синфазны. Все мощности суммируются, поэтому КПД не изменяется. Увеличением количества включенных активных элементов можно обеспечить любую генерируемую мощность. Однако проходные емкости в этом случае суммируются и шунтируют по высокой частоте колебательный контур. Следовательно, применение параллельного включения активных элементов для решения задачи увеличения генерируемой мощности возможно на сравнительно низких радиочастотах, при которых не сказывается влияние шунтирующего действия проходной емкости на снижение генерируемой мощности. Шунтирующее действие проходной емкости приводит к тому, что сопротивление участка, например,для электронной лампы анод-управляющий электрод понижается

и часть мощности из колебательного контура проходит на вход ГВВ. Это явление (при выполнении условия баланса амплитуд и фаз) может привести к самовозбуждению ГВВ, то есть к автогенерации на некоторой частоте. В результате нарушается нормальная работа ГВВ.

При двухтактной схеме активные элементы включаются встречно. Управляющие напряжения на электродах противофазны. В одну половину периода управляющего сигнала работает один активный элемент, в другую – другой активный элемент. Импульсы токов сдвинуты во времени на половину периода высокочастотных колебаний (Т/2), поэтому их разложения по гармоникам имеют вид

;

.

Так как эти токи протекают через колебательный контур в противоположных направлениях, то на нем будет создавать напряжение разностный ток

.

В этом токе остались только нечетные гармоники с удвоенными амплитудами, а четные вычлись. Очень важно заметить, что из спектра исчезла 2-я гармоника, способная создавать достаточно мощное внеполосное излучение, которое создает помеху работе другим радиоэлектронным средствам.

Двухтактная схема позволяет получить удвоенную генерируемую мощность при неизменном значении кпд. Важным достоинством схемы является то, что проходная емкость уменьшается

, при

что делает работоспособной схему на достаточно высоких радиочастотах

Возможно комбинированное включение активных элементов.