В) Схема с ёмкостной обратной связью

Схема АГ с ёмкостной обратной связью при включении лампы с общим катодом представлена на рис.19.10. Электроды лампы присоединяются к ёмкостной ветви контура. При этом точка присоединения катода к ёмкостной ветви контура должна находиться между точками присоединения анода и сетки для обеспечения необходимого сдвига фаз между напряжениями сетка-катод и анод-катод.

Вотличие от схем АГ с трансформаторной и автотрансформаторной обратной связью схема с ёмкостной обратной связью может быть реализована только с параллельным питанием анода. При последовательном питании анода в рассматриваемой схеме АГ надо завести напряжение питания +Е_Ачерез точку с нулевым высокочастотным потенциалом у катушки контураL_K. Но эту точку трудно отыскать и присоединиться к ней. Если напряжение питания анода завести через произвольную точку на катушке, то весь контур окажется разбит на две части. И даже если в схеме при этом возникнут автоколебания, то они не будут совпадать с резонансной частотой контура. При подаче напряжения питания анода через катушкуL_Kпотребуется подводить его через разделительный дроссель, который мало чем будет отличаться от блокировочного дросселя в параллельной схеме питания анода. В силу указанных обстоятельств схема одноконтурного АГ с ёмкостной обратной связью реализуется только с параллельным питанием анода.⁷

Коэффициент обратной связи в схеме АГ с ёмкостной обратной связью без учёта потерь в конденсаторах контура и при отсутствии сеточного тока

. (19.20)

В отношении регулировки коэффициента обратной связи, а также эквивалентного сопротивления нагрузки лампы схемы АГ с ёмкостной обратной связью менее удобны, чем схемы с трансформаторной и автотрансформаторной связью, так как применять для регулировки kиR_oeпеременные конденсаторы нельзя, потому что при этом будет изменяться и частота автоколебаний. Для регулировки коэффициента обратной связи и эквивалентного сопротивления контура применяют набор последовательно соединённых конденсаторов (рис.19.11). Изменяя положение точек присоединения анодаАи сеткиСсреди конденсаторов контура, можно производить скачкообразно требуемое регулирование. Частота автоколебаний при этом практически мало будет изменяться за счёт подключения межэлектродных ёмкостей к разным частям ветви контура. Изменение частоты в схемах АГ с ёмкостной обратной связью обычно достигается регулировкой индуктивностиL_K.

В схеме АГ с ёмкостной обратной связью, как и в схеме с автотрансформаторной обратной связью, автоматически получается неполное включение контура. В общем случае, если обратиться к схеме (рис.19.11), коэффициент включения контура

,

где С_K– ёмкость контура, образованная последовательным соединением ёмкостейС_АК,С_СК, ΔС_А, ΔС_С; ΔС– ёмкость последовательного соединения ΔС_А, ΔС_С.

Очевидно, при положении точки Ана конце ёмкостной ветви ΔС_А= ∞, а при положении точкиСна конце ёмкостной ветви ΔС_С= ∞. Если обе точки располагаются на концах ветви контура, то получаем схему рис.19.10, у которой ΔС= ∞, а коэффициент включения контура соответственно

.

Из-за указанных выше недостатков схемы АГ с ёмкостной обратной связью имеют меньшее распространение на практике, чем схемы с трансформаторной и автотрансформаторной обратной связью. Схема АГ с ёмкостной обратной связью оказывается удобной на высоких частотах, когда межэлектродные ёмкости лампы составляют заметную часть общей ёмкости контура. Причём, в случае, когда желательно уменьшить общую ёмкость контураС_K, чтобы увеличить его индуктивностьL_Kи таким образом получить более удобные в конструктивном отношении параметры контура, применяют неполное включение контура, подключая индуктивностьL_Kчерез конденсатор ёмкостьюС(рис.19.12).⁸Очевидно, ёмкостьСэквивалентна ёмкости ΔСв схеме (рис.19.11).

На рис.19.13 представлена схема АГ с ёмкостной обратной связью, у которого колебательная система образована индуктивностью L, ёмкостьюСи межэлектродными ёмкостямиС_АК,С_СК,С_АС. В отличие от схемы АГ с автотрансформаторной обратной связью учёт межэлектродных ёмкостей в АГ с ёмкостной обратной связью не изменяет структуру колебательной системы, которая остаётся эквивалентной одиночному параллельному колебательному контуру.

Если сопротивление сеточного автосмещения R_Ссущественно больше эквивалентного сопротивления колебательного контура относительно точек сетка-катод с учётом активного входного сопротивления этого участка схемы АГ, то блокировочная индуктивностьL_БЛи ёмкостьС_Сиз схемы могут быть исключены, что и отражено в схемах рис.19.12 и рис.19.13.

Во всех рассмотренных выше схемах одноконтурных ламповых АГ при пренебрежении потерями в элементах контура, что практически всегда допустимо, и пренебрежении сеточным током, что также в подавляющем большинстве случаев допустимо в силу, как правило, малой мощности АГ и поэтому работе лампы с малыми сеточными токами, коэффициент обратной связи (19.17) – (19.20) оказывается практически вещественной величиной, так что можно с большой точностью считать фазовый угол

≈ 0.

Так как, если не учитывать пролётные явления, также можно считать фазовый угол ≈ 0, то баланс фаз (19.14) выполняется при≈ 0, то есть частота автоколебаний незначительно будет отличаться от резонансной частоты контура.

Рассмотренные выше схемы ламповых АГ имеют заземлённый катод (здесь, в первую очередь, мы имеем ввиду заземление по высокой частоте, хотя в представленных схемах катод заземлён и по постоянному току). На практике находят применение также схемы АГ с заземлённым по высокой частоте анодом и с заземлённой по высокой частоте сеткой. При этом по постоянному току эти электроды (анод или сетка соответственно) не обязательно должны быть заземлены.

Очевидно, принцип работы АГ и основные соотношения, описывающие процессы в нём, не меняются от того, какой электрод лампы заземлён. От этого зависит только, ёмкости каких электродов на землю (экран, корпус) оказываются подключенными параллельно тем или иным участкам контура. Например, при заземлённом катоде параллельно участку контура анод-катод подключается ёмкость анода на землю (экран, корпус). В случае заземлённого анода параллельно тому же участку контура подключается ёмкость цепи катода на землю (экран, корпус). Целесообразно применять ту схему, у которой паразитные ёмкости электродов на землю (экран, корпус) меньше, что облегчает конструирование АГ с требуемыми параметрами и увеличивает стабильность частоты его автоколебаний.

Помимо сказанного выше, при определении электрода для заземления следует ещё стремиться к тому, чтобы можно было соединить с землёю (экраном, корпусом) ротор конденсатора переменной ёмкости и один из концов катушки индуктивности контура. При заземлении элементов контура облегчается их монтаж, а также получаются меньше паразитные ёмкости монтажа. Кроме того, при выборе электрода для заземления необходимо учитывать удобство охлаждения АЭ – генераторного прибора, что особенно важно в случае мощных ламповых АГ.

На рис.19.14 представлены возможные схемы АГ с заземлённым анодом соответственно с автотрансформаторной (рис.19.14,а) и с ёмкостной (рис.19.14,б) обратной связью. По постоянному току у схем заземлён катод.⁹

В схемах (рис.19.14) заземлён один конец катушки индуктивности контура, а в схеме (рис.19.14,а) также заземлён ротор конденсатора переменной ёмкости.

В схеме (рис.19.14,б) применено комбинированное автосмещение: за счёт катодного тока (цепьR_K,C_K) и сеточного тока (цепьR_С,C_С).

Любая из рассмотренных выше схем ламповых АГ (рис.19.5)–(рис.19.8), (рис.19.10) – (рис.19.14) может быть реализована на многосеточной лампе: тетроде или пентоде. Схему необходимо только дополнить цепью питания второй сетки, как это делается в ГВВ.

Помимо однотактных схем АГ могут быть построены двухтактные схемы, которые удобны при работе на симметричную нагрузку, например, двухпроводный фидер. На рис.19.15 представлена схема двухтактного АГ с автотрансформаторной обратной связью.

Одноконтурные транзисторные автогенераторы

Транзисторные АГ обладают рядом особенностей, обусловленных физической природой процессов в транзисторе. Главная из этих особенностей – инерционные процессы, причина которых – конечное время прохождения неосновных носителей через базу транзистора. Если в подавляющем большинстве случаев процессы в ламповых АГ можно анализировать с помощью статических ВАХ, то применительно к транзисторным АГ дело обстоит иначе. Здесь диапазон частот, где справедлив анализ с помощью статических ВАХ, составляет всего несколько процентов от диапазона рабочих частот транзистора. Эти частоты условно называют низкими. На более высоких частотах проявляются инерционные свойства транзистора и анализировать процессы в нём приходится с помощью эквивалентных схем, учитывающих эти свойства. Главное следствие инерционных свойств состоит в том, что модуль крутизны коллекторного тока, входное и выходное сопротивления уменьшаются с ростом частоты по сравнению со значениями, рассчитанными по статическим ВАХ, а фаза крутизны коллекторного тока растёт, достигая –90° и более (до –120°…–140°). Например, если не учитывать влияние проходной ёмкости (ёмкости перехода коллектор-база), то при включении транзистора по схеме с общим эмиттером крутизна коллекторного тока определяется соотношением

(19.21)

где S₀– статическая крутизна коллекторного тока (определяется по статическим ВАХ);¹⁰f_S– круговая частота, при которой модуль статической крутизны коллекторного токаSуменьшается враз по сравнению сS₀. С определённой точностью можно считатьf_S≈ f_β, гдеf_β– частота, на которой модуль коэффициента передачи по току транзистора при включении с общим эмиттеромβуменьшается враз по сравнению со статическим коэффициентомβ₀.¹¹

При f>>f_S

.

Согласно (19.21) при f ≈ 0,017f_Sфаза крутизны коллекторного тока≈ –1°.

Таким образом, если в ламповом АГ можно практически не считаться с фазой средней крутизны анодного тока, то в транзисторном АГ с повышением частоты необходимо учитывать фазу средней крутизны коллекторного тока.

Следует отметить и такую важную особенность транзисторных АГ: для возникновения автоколебаний рабочая точка транзистора должна находиться в начальный момент в активной области семейства статических ВАХ, а именно в начале прямолинейного участка статической характеристикиi_K=f(e_Б), для чего на базу транзистора необходимо подать постоянное напряжение смещенияЕ_Б0, открывающее эмиттерный переход (рис.19.16). По мере установления колебаний рабочая точка (РТ) перемещается в область установившегося режима работы АГ.

Напомним, что в случае ламповых АГ начальное автосмещение равно нулю при использовании сеточного автосмещения или небольшому отрицательному напряжению при использовании комбинированного автосмещения за счёт сеточного и катодного токов, которое несколько закрывает лампу, обеспечивая её безопасность на начальном этапе самовозбуждения АГ (см.рис.19.4).

На низких частотах, когда для анализа транзисторного АГ можно использовать статические ВАХ, соотношения для самовозбуждения и установившегося режима транзисторного АГ мало чем будут отличаться от соответствующих соотношений лампового АГ. При этом коэффициент обратной связи в транзисторном АГ определяется как отношение комплексных амплитуд напряжений, действующих между базой и эмиттером и коллектором и эмиттером:

.

На высоких частотах, когда необходимо учитывать инерционные свойства транзистора, принимая подходящую схему замещения транзистора, для каждой конкретной схемы АГ можно получить соотношения для установившегося режима и условие самовозбуждения, исходя из общих выражений (19.1) – (19.5), (19.7), полученных на основании единой эквивалентной схемы АГ.

Транзисторные АГ могут быть построены по тем же схемам, что и ламповые, то есть с трансформаторной, автотрансформаторной и ёмкостной обратной связью. На «низких» частотах коэффициент обратной связи транзисторного АГ определяется аналогичными соотношениями как в ламповых АГ. При этом остаются в силе все те особенности схем, что были отмечены выше при обсуждении ламповых АГ. В любой схеме транзисторного АГ коэффициент включения контураp< 1.

Как и ламповые АГ, транзисторные АГ могут быть построены с заземлением по высокой частоте любого электрода транзистора. Выбор электрода для заземления определяется теми же соображениями, что и в ламповых схемах.

Возможные варианты схем транзисторных АГ показаны на рис.19.17 при включении транзистора с общим эмиттером. Соответственно, схема (рис.19.17,а) – схема с трансформаторной обратной связью, схема (рис.19.17,б) – схема с автотрансформаторной обратной связью, схема (рис.19.17,в) – схема с ёмкостной обратной связью.

Во всех схемах по высокой частоте заземлён эмиттер. Напряжение смещения, задающее начальную рабочую точку (моментt₀), подаётся от источника коллекторного напряжения через делитель из сопротивленийR₁,R₂. Автоматическое смещение в процессе работы АГ создаётся за счёт цепи эмиттерного смещенияR_Э,С_Эи базового смещения за счёт протекания постоянной составляющей базового токаI_Б0через параллельное соединение сопротивленийR₁,R₂.

В представленных схемах (рис.19.17) показано использование транзисторов n-p-nтипа. Аналогично выполняются схемы на транзисторахp-n-pтипа. Отличие только в полярности источника коллекторного питания относительно электродов транзистора. Как и в ГВВ, в транзисторных АГ наиболее широко применяются транзисторыn-p-nтипа.

На рис.19.18 показаны схемы одноконтурных транзисторных АГ с автотрансформаторной и ёмкостной обратной связью с заземлённой базой. В схемах (рис.19.18,а,б) база заземлена как по высокой частоте, так и по постоянному току. Начальное смещение подаётся от отдельного источника -Е_Б.

В схеме (рис.19.18,в) база по высокой частоте заземлена, а по постоянному току изолирована от земли за счёт присоединения к резисторуR₂. Начальное смещение в схеме создаётся за счёт источника коллекторного питания с помощью делителя из сопротивленийR₁,R₂. В схемах (рис.19.18,а,б) применено параллельное питание коллектора, а в схеме (рис.19.18,в) – последовательное питание коллектора. Очевидно, в схемах АГ с автотрансформаторной обратной связью (рис.19.18,а) и с ёмкостной обратной связью (рис.19.18,б) может быть также реализовано последовательное питание коллектора как в схеме (рис.19.18,в). Как и в ламповом варианте, для повышения стабильности частоты автоколебаний предпочтительна схема последовательного питания коллектора. Она требует также меньшего числа элементов. Однако при осуществлении последовательного питания коллектора в схемах (рис.19.18,а,б), как и в схеме (рис.19.18,в), параллельно части контура будет подключаться блокировочный дроссельL_БЛв цепи эмиттера.

Очевидно, любая из рассмотренных схем транзисторных АГ может быть реализована в двухтактном исполнении.

На рис.19.19 представлена схема транзисторного АГ, часто называемая схемой с контуром между коллектором и базой, которая нашла широкое применение на высоких частотах, когда необходимо учитывать фазу средней крутизны коллекторного тока. В этой схеме, как будет показано в следующей лекции, может быть обеспечена автоматическая компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока. Контур образован ёмкостями С₁,С₂и индуктивностьюL_К. Вместо ёмкости контураС₂может быть разделительная ёмкость. Между коллектором и эмиттером включена ёмкость обратной связиС_КЭ. Иногда между базой и эмиттером также включается ёмкостьС_БЭдля лучшей компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока. В представленной схеме заземлён коллектор как по постоянному току, так и по высокой частоте. Очевидно, может быть другое исполнение схемы. Начальное смещение задаётся от источника коллекторного питания с помощью делителя из сопротивленийR₁,R₂. В установившемся режиме АГ смещение обеспечивается за счёт эмиттерного, базового токов и источника коллекторного питания, у которого в представленной схеме с землёю (корпусом) соединён положительный полюс.

Во всех схемах транзисторных АГ сопротивление R_Эслужит не только для создания эмиттерного автосмещения. Оно обеспечивает также практически постоянство режима АГ в широком диапазоне температур (эмиттерная термостабилизация режима).

Выбор АЭ и основы расчёта режима и схемы АГ

В АГ, в отличие от ГВВ, колебательная (полезная) мощность и мощность, затрачиваемая во входной цепи (мощность возбуждения), создаются самим АЭ. Следовательно, при условии обеспечения одинаковой колебательной мощности АЭ для АГ должен выбираться на большую мощность, чем для ГВВ – усилителя мощности. Колебательная мощность, которую должен обеспечивать АЭ АГ, должна определяться с учётом КПД контура (цепи согласования), как и в случае ГВВ. С целью повышения стабильности частоты автоколебаний КПД контура АГ обычно выбирается существенно ниже, чем в случае ГВВ. Таким путём ослабляется влияние полезной нагрузки на контур, соответственно и на частоту автоколебаний. Если от АГ не требуется большая мощность, то КПД контура обычно не превышает (10…20)%. Таким образом, номинальная колебательная (выходная) мощность АЭ для АГ должна выбираться из условия

Выбрав АЭ по мощности и частоте, производят расчёт его режима как ГВВ на соответствующую колебательную мощность в полезной нагрузке Р_~Н(см. лекцию 7). В результате расчёта находят амплитуду выходного колебательного напряженияU_{MA, MK}и амплитуду напряжения возбужденияU_{MC, МБ}, знание которых позволяет определить необходимую величину коэффициента обратной связиk. Знаяk, для выбранной схемы АГ, используя соответствующее выражение, например, из приведенных выше (19.17) – (19.20), находят параметры элементов цепи обратной связи.

Обобщённая трёхточечная схема АГ. Ёмкостная и индуктивная трёхточки АГ

При использовании электронной лампы или транзистора в качестве генераторного прибора – АЭ АГ его входная и выходная цепи имеют один общий полюс, поэтому в единой эквивалентной схеме АГ (рис.19.2) по одному из полюсов плеч 1 и 2 должны быть непосредственно соединены между собою, как показано на рис.19.20.

При таком условии любая электрическая цепь, присоединяемая к генераторному прибору и отображаемая пассивным четырёхполюсником на схемах (рис.19.2 и рис.19.20), может быть представлена в виде Т- или П- образного соединения трёх комплексных сопротивлений (рис.19.21). Оба соединения являются равноправными и легко преобразуются друг в друга. Соединения известны также как соединение звездой и треугольником, соответственно.

Эти три сопротивления подключаются к трём электродам лампы или транзистора. Следовательно, любая схема АГ может быть представлена в виде эквивалентных схем рис.19.22.

Наиболее широко используется эквивалентная схема рис.19.22,б, которая носит название обобщённой трёхточечной схемы АГ.

В общем случае комплексные сопротивления, например, в терминах П-образной схемы, можно представить в виде:

(*)

Если не учитывать входной ток АЭ, то есть ток сетки и базы,¹²то в схемах (рис.19.22,б) комплексные амплитуды напряжений можно определить как

(19.22)

где – комплексная амплитуда тока через сопротивления левой ветви цепи, образованной последовательным соединением сопротивленийи.

Отношение этих напряжений определяет коэффициент обратной связи в АГ. Следовательно,

(19.23)

Так как противофазность напряжений на входном и выходном электродах АЭ в схеме (рис.19.22,б) учтена в записи выражений (19.22), то, очевидно, применительно ко всем рассмотренным схемам одноконтурных ламповых и транзисторных АГ выражение (19.23) должно приводить к вещественному положительному значению коэффициента обратной связи. Это может иметь место только при явно выраженном реактивном характере сопротивлений (*), когда можно считать:

,

причём реактивные составляющие сопротивлений х₁их₃должны быть разного знака (разного характера) и при этом должно быть |x₃| > |x₁|.

Таким образом, при принятых допущениях согласно обобщённой трёхточечной схеме АГ (рис.19.22,б)

. (19.24)

Для получения гармонических колебаний в АГ сопротивления должны формировать избирательную электрическую цепь и если не учитывать инерционные процессы в лампе или транзисторе, то частота автоколебаний АГ практически совпадает с резонансной частотой этой цепи. Следовательно, на частоте автоколебаний выполняется соотношение, определяющее условие резонанса электрической цепи из сопротивлений:

х₁+х₂+х₃= 0, (19.25)

из которого следует

х₁+х₃= –х₂.

Соответственно, согласно (19.24) получаем

Так как должно быть k> 0, то из последнего соотношения следует, что реактивные сопротивлениях₁их₂должны быть одного знака (одного характера).

Таким образом, в обобщённой трёхточечной схеме АГ на частоте автоколебаний сопротивления х₁,х₂,х₃должны удовлетворять условию

х₁> 0;х₂> 0;х₃< 0 (19.26)

или условию

х₁< 0;х₂< 0;х₃> 0. (19.27)

Причём на частоте автоколебаний всегда должно также выполняться условие (19.25).

Условие (19.26) называется условием индуктивной трёхточки и ему соответствует обобщённая трёхточечная схема АГ рис.19.23,а. Условие (19.27) называется условием ёмкостной трёхточки и ему соответствует схема рис.19.23,б.

Следует отметить, что АГ по схеме ёмкостной трёхточки принципиально позволяют получить большую стабильность частоты автоколебаний благодаря лучшей фильтрации гармонических составляющих тока АЭ (параллельно АЭ присоединяется ёмкостный элемент, обеспечивающий сопротивление х₂), а также благодаря возможности реализации колебательной системы АГ с большей стабильностью параметров элементов. Лучшая фильтрация гармонических составляющих выходного тока генераторного прибора (напряжения на электродах более приближаются к чисто гармоническим) уменьшает их влияние на фазу средней крутизны и, следовательно, на частоту автоколебаний. В схеме два конденсатора и одна индуктивность, а конденсаторы по своим параметрам более стабильны и более добротны, нежели индуктивности. В схеме индуктивной трёхточки две индуктивности и один конденсатор. Индуктивности по своим параметрам менее стабильны и менее добротны, чем конденсаторы. В схеме хуже фильтрация гармоник, так как обе ветви на высших гармониках имеют индуктивное сопротивление, возрастающее с повышением номера гармоники.

Сопоставляя рассмотренные в лекции схемы одноконтурных АГ, нетрудно заметить, что индуктивной трёхточке соответствуют схемы АГ с автотрансформаторной обратной связью, а ёмкостной трёхточке соответствуют схемы АГ с ёмкостной обратной связью. Схемы с трансформаторной обратной связью соответствуют индуктивной трёхточке, в чём нетрудно убедиться, заменив трансформатор соответствующей схемой замещения и выполнив соответствующие преобразования сопротивлений.

Сопротивления (рис.19.22,б) образуют колебательную систему - контур АГ, эквивалентное сопротивление которого является нагрузкой АЭ. Определяется это сопротивление соотношением

Так как на частоте автоколебаний , а, то¹³

где - коэффициент включения контура автогенератора;ρ- характеристическое сопротивление контура:ρ= | x₁+x₂| = |x₃|.

В трёхточечной схеме АГ (рис.19.23) всегда имеет место неполное включение контура, что отмечалось при рассмотрении схем с автотрансформаторной и с ёмкостной обратной связью.