1.4. Схемы автогенераторов гармонических колебаний

До сих пор рассматривались общие вопросы теории автогенерато­ров гармонических колебаний. При этом предполагалось наличие схе­мы, в которой имеется трансформаторная обратная связь между вхо­дом и выходом активного элемента. Такая схема автогенератора не единственная. В настоящее время используют большое число различ­ных схем автогенераторов гармонических колебаний, которые клас­сифицируют по ряду признаков. Различают автогенераторы: по типу активных элементов - электровакуумные и полупроводниковые, по виду обратной связи — с внешней и внутренней обратной связью, по виду колебательных систем - LC и RC - автогенераторы, по схеме пи­тания - автогенераторы последовательного и параллельного питания.

Как отмечалось, в качестве активных элементов в автогенераторах можно использовать электровакуумные и полупроводниковые прибо­ры. Тип активного элемента не влияет на характер процессов, проис­ходящих в автогенераторе. Однако различие в характеристиках и параметрах активных элементов приводит к некоторым отличиям в схемах ламповых и полупроводниковых автогенераторов. Главные из этих отличий обусловлены разными величинами входных и выходных сопротивлений лампы и биполярного транзистора, а также тем, что инерционность транзисторов проявляется при значительно меньших частотах, чем в ламповых. Так, в ламповом автогенераторе из-за малых сеточных токов мож­но считать, что сопротивление промежутка сетка - катод бесконечно велико и, следовательно, не учитывать шунтирующего действия вход­ной цепи лампы. Биполярный транзистор, наоборот, работает при на­личии базового тока, вследствие чего сопротивление промежутка база - эмиттер всегда оказывается малым. Поэтому в транзисторном автогенераторе нужно учитывать шунтирующее действие входной цепи биполярного транзистора и в ряде случаев принимать специальные меры для уменьшения этого эффекта.

Внутреннее сопротивление электронной лампы, как правило, боль­ше резонансного сопротивления контура, вследствие чего оно слабо шунтирует колебательный контур и в схеме лампового автогенератора можно использовать полное включение контура в анодную цепь лампы. Выходное сопротивление биполярного транзистора на порядок мень­ше резонансного сопротивления контура, поэтому в транзисторных автогенераторах принимают специальные меры для их согласования. С этой целью, так же как в избирательных усилителях, используют неполное включение контура в коллекторную цепь транзистора.

Относительно большое время движения неосновных носителей за­ряда через базу биполярного транзистора приводит к. тому, что уже на частотах порядка сотен килогерц коллекторный ток транзистора за­паздывает относительно напряжения а_бэ - в биполярном транзисторе проявляется инерционность. Запаздывание коллекторного тока тран­зистора можно рассматривать' как дополнительный фазовый сдвиг между его выходным током и входным напряжением. Это приводит к тому, что баланс фаз в транзисторном автогенераторе выполняется на частоте, отличной от резонансной частоты контура. Поэтому в транзи­сторных автогенераторах вводят либо подстройку частоты, либо спе­циальные цепочки, компенсирующие дополнительный фазовый сдвиг в транзисторе. Изложенное убеждает в том, что транзисторные автогенераторы сложнее ламповых (рис. 4.8, а и б).

Обе схемы рис. 8 относятся к автогенераторам с внешней обратной связью, обобщенная схема которых имеет вид, представленный на рис. 4.9, а. Для того чтобы в этой схеме существовали незатухающие гармонические колебания, необходимо выполнить условия баланса фаз и амплитуд.

Рис. 4.8. Принципиальные схемы лампового (а) и транзисторного (б) автогераторов с

трансформаторной связью

Выполнение условия баланса амплитуд обычно не вызывает затруд­нений, так как при правильно выбранном режиме работы активного элемента автогенератора по постоянному току легко получить коэффи­циент усиления, при котором выполняется условие Kξ >1 (К — коэф­фициент усиления, ξ - коэффициент передачи цепи обратной связи).

Условие баланса фаз выполняется тогда, когда напряжение U1 приложенное к входу активного элемента, вызывает появление напря­жения , которое, пройдя через сопротивление Z₁ создает новое на­пряжение , совпадающее по фазе с первоначальным напряжением

. Поскольку автогенераторы всегда работают на частоте, близкой к собственной частоте колебательной системы, а колебательная система составлена из сопротивлений Z₁, Z₂, Z₃, напряжения U₁ и U₂ сказы­ваются сдвинутыми по фазе на 180°. Если частота напряжения U1 совпадает с собственной частотой колебательной системы автогенератора, то нагрузка

Рис. 4.9. Обобщенные схемьг трехточечных автогенераторов

является чисто активной. При этом переменное на­пряжение на аноде лампы противоположно по фазе сеточному напря­жению, так же, как переменное напряжение на коллекторе биполяр­ного транзистора противоположно по фазе напряжению на базе, а переменное напряжение на стоке полевого транзистора - напряже­нию на затворе. Следовательно, во всех схемах автогенераторов с внешней обратной связью баланс фаз будет выполняться при условии

противофазности напряжений и .

Иными словами, делитель Z1, Z2 должен обеспечивать сдвиг фаз меж­ду напряжениями и , равный ± π. Указанный сдвиг фаз может быть получен с помощью трех схем: трансформаторной (рис. 4.9, б), автотрансформаторной (рис. 4.9, в) и емкостной (рис. 4.9, г), каждой из которых соответствуют различные схемы автогенераторов.

В схеме автогенератора с трансформаторной обратной связью пра­вильные фазовые соотношения обеспечиваются выбором знака коэф­фициента взаимной индуктивности М, в двух других схемах автогене­раторов, называемых трехточечными,— выбором характера всех трех сопротивлений (Z1, Z₂, Z₃).

Рассмотрим последний вопрос подробнее. В большинстве реальных схем используют индуктивные катушки и конденсаторы с малыми по­терями, поэтому для простоты будем полагать, что

; • ; з.

Так как автогенератор работает на частоте, близкой к собственной частоте колебательной системы, выполняется равенство

Х1 +Х2+Хз = О. (4.20)

Коэффициент передачи делителя (цепи обратной связи)

или с учетом равенства (4.20)

(4.21)

Для того чтобы сдвиг фаз в цепи обратной связи был равен ,

величина должна быть действительной и отрицательной. Это будет при условии, если реактивные сопротивления Х₂ и Х₃ имеют один характер (либо L, либо С). Тогда для выполнения равенства (4.20) характер сопротивления Х_г должен быть противоположен характеру сопротивлений Х₂ и Х₃. Эти условия соответствуют двум основным трехточечным схемам автогенераторов: индуктивной и емкостной. Для того чтобы подчерк­нуть необходимость правильной фазировки в цепи обратной связи, трехточечные схемы обычно изображают так, как показано на рис. 4.10, а, б.

В более общем случае между электродами активного элемента вместо любого чис­то реактивного сопротивления может оказаться включенным колебательный контур — как параллельный, так и последовательный. Например, в автогенераторах, работаю­щих в диапазоне СВЧ, очень часто оказываются включенными параллельные колебательные контуры.

Рис. 4.10. Принципиальные схемы индуктивной, емкостной и трехконтурной «трехточек»

Наиболее сложная схема подобного вида, называемая трехконтурной, приведена на рис. 10, в.

Самовозбуждение трехконтурного автогенератора возможно при условии, что на частоте генерации характер реактивного сопротивления колебательного контура, включенного между входом и выходом (Х_г), противоположен характеру реактивного сопротивления двух других контуров. Это условие будет выполнено, если один контур (между входом и выходом) расстроен в одну сторону по отношению к генерируемой частоте, а два других — в другую сторону.

Перейдем к рассмотрению способов питания автогенераторов на примере автогенератора с трансформаторной обратной связью.

До сих пор рассматривались схемы, где активный элемент и коле­бательный контур включены последовательно по отношению к источ­нику питания. Такую схему называют схемой последовательного пи­тания.

Схема последовательного питания автогенератора наиболее про­ста, но она имеет ряд недостатков, которые особенно резко проявляют­ся в мощных ламповых генераторах. С конструктивной точки зрения удобно заземлять один из электродов лампы и один из полюсов источ­ника" анодного питания. В ламповых схемах чаще всего соединяют с «землей» катод лампы и отрицательный полюс источника питания (см. рис. 8, а). При этом оба элемента колебательного контура автогене­ратора находятся под высоким (относительно «земли») потенциалом. Обычно конденсатор С является конденсатором переменной емкости, и в схеме последовательного питания необходимо принимать специаль­ные меры для изоляции ротора и статора этого конденсатора от «зем­ли», что усложняет и удорожает конструкцию конденсатора. При этом большое постоянное напряжение на роторе конденсатора С оказы­вается небезопасным для оператора при настройке автогенератора. Поэтому целесообразно изменить схему анодного питания таким образом, чтобы кроме катода лампы и «ми­нуса» источника питания можно было заземлить одну из точек колебательного контура. Такой схемой является схема параллельного питания (рис. 11), где лампа и колебательный контур включе ны параллельно по отношению к источ-^ , 11 т- нику анодного питания. В этои схеме в анодную цепь добав- лены два элемента: блокировочный конденсатор С_бл и разделительный дроссель L_р -

­

Рис. 4.11. Принципиальная схе­ма параллельного питания авто­генератора

. Введение этих-элемен­тов позволяет разделить постоянные и переменные токи во внеш­них относительно лампы участках схемы автогенератора. Постоянный ток I_а проходит от источника питания +Е_а через разделительный дроссель L_р и промежуток анод — катод лампы. В колебательный контур постоянный ток не проходит, так как этому препятствует кон­денсатор С_бл. Переменный ток проходит через промежуток анод — катод, блокировочный конденсатор С_бл и колебательный контур. В ис­точник питания переменный ток не проходит, так как для него сопро­тивление дросселя оказывается очень высоким (ω_гL_р>R_экв), поэтому большая емкость источника питания С_и не шунтирует колебательный контур.

Основное преимущество схемы параллельного питания состоит в том, что колебательный контур не находится под постоянным напря­жением. Поэтому конструкция кoнденсатора переменной емкости по­лучается достаточно простой, а настройка автогенератора — более удобной. Однако введение двух дополнительных элементов (С_бл, L_р) приводит к ухудшению таких параметров автогенератора, как ста­бильность частоты и надежность.

Кроме постоянного анодного напряжения необходимо создать так­же напряжение смещения. В схеме рис. 4.11 его получают с помощью цепочки R_СС_С, называемой гридликом. Величина постоянного напря­жения на гридлике зависит от амплитуды колебаний автогенератора, что создает благоприятные условия его работы. Действительно, в на­чальный момент времени напряжение на конденсаторе С_с равно нулю, напряжение смещения также равно нулю, а рабочая точка находится на участке динамической характеристики лампы с большой крутизной. Это приводит к тому, что автогенератор легко самовозбуждается. После возникновения колебаний за счет сеточного тока, проходящего в мо­менты времени, когда , на гридлике появляется постоянное на­пряжение. Величина этого напряжения сначала будет возрастать, а затем, после того как заряд конденсатора С_с уравновесится его разря­дом через резистор R_с, в моменты времени, соответствующие u_с<0, установится динамическое равновесие. При выполнении условия

или (4.22)

напряжение смещения Е_с0 будет близко к постоянному, а путем выбо­ра величины R_с можно добиться такого положения, чтобы в стацио­нарном режиме лампа работала в выгодном с энергетической точки зре­ния режиме (режим В).

Все рассмотренные LC-автогенераторы можно привести к эквива­лентной схеме, в которой отдельно представлены цепь усиления и цепь положительной обратной связи. Однако современная радиоэлектрони­ка располагает активными элементами, при использовании которых отпадает необходимость во внешней положительной обратной связи. Эти активные элементы имеют падающие участки вольт-амперных характеристик и являются элементами с внутренним отрицательным сопротивлением.

*

Рис. 4.12. Эквивалентные, схемы автогене­ратора с отрицательным сопротивлением

Рис. 4.13. Вольт-амперная ха­рактеристика туннельного диода (а) и принципиальная схема 1С-автогенератора на туннельном диоде (б)

Рассмотрим сначала эквивалентную схему и найдем некоторые количествен­ные соотношения для автогенераторов гармонических колебаний с внутренним отрицательным сопротивлением, а затем изучим принципиальную схему такого автогенератора.

Пусть активный элемент #_ (рис.4.12, а), имеющий вольт-амперную характеристику, показанную на рис. 4.13, а, подключен параллель­но колебательному ЬС-контуру. Напряжение источника питания выбирают таким, чтобы рабочая точка Р оказалась на середине падаю­щею участка вольт-амперной характеристики активного элемента.

Эквивалентная схема рис. 4.12, а может быть легко преобразована в эквивалентную схему, приведенную на рис. 4.12, б, где

* •

Для последней схемы справедливо дифференциальное уравнение

(4.23)

которое после несложных преобразований может быть приведено к виду

(4.24)

Из уравнения (4.24) следует, что условием самовозбуждения авто­генератора с внутренним отрицательным сопротивлением является не­равенство

(4.25)

В начальный момент времени колебания в автогенераторе имеют малую амплитуду, не выходят за пределы падающего участка вольт- амперной характеристики и близки по форме к гармоническим. По мере роста амплитуды колебаний начинают использовать участки вольт-ам-- перной характеристики с положительным сопротивлением, что приводит к уменьшению отрицательного сопротивления, а значит к установлению динамического равновесия, т. е. стационарной амплитуды колебаний, при которой выполняется равенство \r_\=r. Процесс установления колебаний в автогенераторе с внутренним отрицательным сопротивле­нием полностью совпадает с процессом установления колебаний в авто­генераторе с внешней положительной обратной связью, только в пер­вом случае изменяется величина отрицательного сопротивления, а во втором — крутизны характеристики.

В стационарном режиме ток активного элемента отличается от гар­монического. Однако из-за высокой добротности контура напряжение на нем близко к гармоническому.

В качестве примера разберем схему LС-автогенератора на туннельном диоде (рис. 4.13, б). В этой схеме используется колебательный контур, состоящий из индуктивной катушки L и конденсатора С. За . счет делителя R₁R₂ рабочая точка устанавливается на середине падаю-щего участка вольт-амперной характеристики диода. Для того чтобы туннельный диод по высокой частоте был подключен параллельно ко­лебательному контуру, между его анодом и «землей» включают кон­денсатор большой емкости С_бл, сопротивление которого на частоте ω_г близко к нулю. Эквивалентная схема такого автогенератора в точности соответствует рис. 4.12, б.