Фильтровые схемы каг

Однокаскадные трёхточечные схемы КАГ могут быть не только осцилляторными, но и фильтровыми. В таких схемах КвР (вместе с подстроечным элементом) ведёт себя на рабочей частоте как активное сопротивление. Автоколебания в фильтровых схемах возможны и без проявления кварцевой пластиной резонатора явления пьезоэффекта, в частности, при коротком замыкании КвР, а часто и при замене КвР в схеме конденсатором с ёмкостью С₀. При изъятии КвР из схемы и разрыве таким образом цепи автоколебания в схеме не возникают.

Фильтровые трёхточечные схемы могут быть построены как на основе ёмкостной трёхточки, так и индуктивной трёхточки. Однако применение индуктивной трёхточки в ряде случаев затруднено из-за большого влияния высших гармонических составляющих тока генераторного прибора и склонности к паразитному самовозбуждению.⁷

На рис.22.15 представлены возможные варианты фильтровых схем КАГ на основе ёмкостной трёхточки при использовании транзисторов. Аналогично могут быть выполнены схемы на основе индуктивной трёхточки,⁸а также при использовании ламп. Для понимания сути схем на рис.22.15 показаны их эквивалентные аналоги по высокой частоте. Некоторые основные принципиальные схемы будут рассмотрены ниже.

Фильтровые схемы (рис.22.15) классифицируются по месту включения КвР и, соответственно, носят названия:

а) с кварцем между эмиттером и контуром (между катодом и контуром). Схема известна также как схема Батлера;

б) с кварцем между базой и контуром (между сеткой и контуром). Схему часто называют схемой с кварцем в цепи обратной связи;

в) с кварцем между коллектором и контуром (между анодом и контуром);

г) с кварцем в контуре.

Любая из представленных схем генерирует на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса используемой гармоники кварцевой пластины КвР, поскольку при этом в колебательную систему АГ вносится минимальное затухание со стороны КвР и наилучшим образом выполняется условие самовозбуждения (коэффициент обратной связи в схеме оказывается наибольшим). Контур L,С₁,С₂настраивают так, чтобы АГ с закороченным резонатором возбуждался приблизительно на частоте последовательного резонанса нужной гармоники кварцевой пластины, чем исключается опасность самовозбуждения АГ на основной частоте и низших гармониках.

В схемах (рис.22.15) заземлён (в первую очередь по высокой частоте) коллектор. Как и в бескварцевых схемах АГ в КАГ может быть заземлён любой электрод АЭ и выбор электрода для заземления определяется аналогичными соображениями (см. лекцию 19). В то же время при надлежащем выборе электрода для заземления может облегчиться реализация КАГ с требуемыми параметрами и на нужную частоту. Частично эти вопросы мы обсудим при рассмотрении конкретных схем.

В схеме (рис.22.15,г) возможно возникновение паразитных автоколебаний на частоте

Для предотвращения этого параллельно КвР подключают резистор R_Ш, сопротивление которого должно удовлетворять условию

На частоте, близкой к частоте последовательного резонанса КвР, R_Шпрактически не оказывает влияния на работу АГ.

В схеме (рис.22.15,б) необходимо, чтобы входное сопротивление АЭ было заметно меньше сопротивления КвРr_К, так как только в этом случае стабильность частоты автоколебаний будет определяться в основном КвР.

Действительно, напряжение , снимаемое с ёмкостиС₁в схеме (рис.22.15,б), распределяется между сопротивлением КвРи входным сопротивлением транзистора. Соответственно амплитуда напряжения возбуждения

(22.13)

Последнее выражение можно представить в следующем виде:

(22.14)

где U_МК– амплитуда напряжения между коллектором и эмиттером (напряжение на ёмкостиС₂);p– коэффициент включения контура со стороны ёмкостиС₂;p_ВХ– коэффициент включения контура со стороны ёмкостиС₁.

Очевидно,

(22.15)

На основании (22.14) коэффициент обратной связи в схеме (рис.22.15,б)

(22.16)

Если пренебречь входным сопротивлением в знаменателе (22.16), то можно считать

(22.17)

Соответственно условие баланса фаз (19.14) применительно к рассматриваемому АГ принимает вид

Условие устойчивости частоты автоколебаний (22.6) для рассматриваемой схемы

Как указывалось, стабильность частоты автоколебаний любого АГ определяется элементом схемы, имеющим наибольшую крутизну фазочастотной характеристики. В схеме КАГ таким элементом является КвР. Следовательно, применительно к рассматриваемой схеме (рис.22.15,б) условие устойчивости частоты автоколебаний принимает вид

(22.18)

На рис.22.16 представлена фазочастотная характеристика КвР.

Как видно из рис.22.16, условие (22.18) выполняется на частоте последовательного резонанса кварцевой пластины резонатораω₁. Частота последовательного резонанса пластины является наиболее стабильной, а крутизна фазочастотной характеристики КвР вблизи этой частоты существенно превосходит крутизны фазовых характеристик остальных элементов колебательной системы АГ.

Очевидно, если условие Z_КВ>>Z_ВХне выполняется, то стабильность частоты автоколебаний в рассматриваемой схеме АГ не будет определяться в основном КвР и, следовательно, будет ниже. Для выполнения указанного соотношения между сопротивлением КвР и входным сопротивлением, учитывая, что на частоте последовательного резонансаZ_КВпрактически равноr_К, параллельно входу АЭ по высокой частоте подключается резистор, сопротивление которогоr<<r_К.

Величина коэффициента обратной связи в схеме (рис.22.15,б) согласно (22.16) зависит от коэффициентов включенияp_ВХ,pи на частоте автоколебаний, совпадающей с частотой последовательного резонанса КвРω₁, при выполнении необходимого соотношения между сопротивлениями, равна

При большом значенииp_ВХсхема может самовозбудиться через статическую ёмкостьС₀, то есть без проявления кварцевой пластиной явления пьезоэффекта, особенно при возбуждении пластины на высшей гармонике. Для предотвращения такого самовозбуждения применяют компенсацию статической ёмкости с помощью параллельно подключаемой к КвР компенсирующей индуктивностиL_КОМП. Можно также нейтрализовать действие ёмкостиС₀, если с выходного электрода АЭ (анода лампы, коллектора транзистора) подать на входной электрод (сетку, базу) высокочастотное напряжение через конденсатор нейтрализации ёмкостьюС_НЕЙТР, которое будет напряжением отрицательной обратной связи.

На рис.22.17 представлены два варианта рассмотренной схемы АГ с кварцем в цепи обратной связи. При этом на рис.22.17,бпредставлен, для примера, ламповый вариант схемы на основе индуктивной трёхточки (на основе одноконтурного АГ с автотрансформаторной обратной связью), с заземлённым (по высокой частоте) катодом. У схемы (рис.22.17,а) заземлён (по высокой частоте) эмиттер.

Если в схеме (рис.22.15,б), соответственно и в схемах (рис.22.17), через КвР протекает только ток входного электрода (базы или сетки, причём последний может быть весьма мал и поэтому обязательно потребуется включение в схему дополнительного резистора с сопротивлениемr), то в схеме (рис.22.15,а) через КвР протекает суммарный ток: эмиттерный или катодный, что увеличивает падение напряжения на КвР. Увеличение падения напряжения на резонаторе эквивалентно увеличению сопротивления КвР по сравнению с входным сопротивлением или же уменьшению входного сопротивления схемы по сравнению с сопротивлением КвР.⁹

В этом случае, по аналогии с (22.13), напряжение возбуждения можно определить подобным соотношением

где с достаточным основанием можно принять А= (1+I_A1/I_C1) в ламповом варианте иА= (1+I_К1/I_Б1) = (1+β) в АГ на транзисторе;β– коэффициент передачи по току транзистора при включении с общим эмиттером;U_C1=p_ВХ U_L;U_L– напряжение на контуре (на индуктивности контура, оно же на ёмкостной ветви контура, образованной последовательным соединением ёмкостейС₁иС₂).

Выходное напряжение в схеме (напряжение между коллектором и эмиттером в транзисторном варианте АГ, между анодом и катодом в ламповом варианте АГ)

На основании последних соотношений получаем (во всех соотношениях коэффициенты включения pиp_ВХопределяются (22.15))

Так как A>> 1, то можно считать

Последнее соотношение подобно (22.17) и для рассматриваемой схемы применимы все рассуждения относительно устойчивости частоты автоколебаний, сделанные для схемы (рис.22.15,б).

На рис.22.18 представлена возможная принципиальная схема КАГ с кварцем между эмиттером и контуром. Для предотвращения самовозбуждения АГ через статическую ёмкость КвР С₀в схеме может быть применена компенсация ёмкостиС₀с помощью индуктивностиL_КОМП. Следует обратить внимание, что сопротивление в цепи эмиттераR_Эподключается по высокой частоте параллельно входу транзистора, уменьшая входное сопротивление АЭ и этим самым способствуя усилению влияния КвР на стабильность частоты автоколебаний.

В схемах (рис.22.15,а,б) монтажная ёмкость КвР, а также монтажная ёмкость компенсирующей индуктивности при её использовании, оказывают влияние на настройку контураL,С₁,С₂, что усложняет настройку АГ в целом. Схема (рис.22.15,в) лишена подобного недостатка: монтажная ёмкость КвР и монтажная ёмкостьL_КОМПне оказывают влияния на элементы контура и его настройку.

Фильтровые схемы КАГ обеспечивают в 10…100 раз лучшую стабильность частоты автоколебаний при изменении питающих напряжений, чем осцилляторные схемы. Одна из причин этого в том, что межэлектродные ёмкости, как правило зависящие от режима АЭ, в фильтровых схемах подключаются к контуру через КвР, а не непосредственно, как в осцилляторных схемах.

Благодаря применению компенсации статической ёмкости КвР удаётся строить фильтровые схемы КАГ вплоть до частоты 300 МГц при возбуждении кварцевой пластины на 11 или 13 механической гармонике. Более часто фильтровые схемы КАГ используют на частотах до 50…100 МГц.