7.2.2. Схемы автогенераторов

Известны различные схемы транзисторных АГ. Наиболее часто используется трехточечная схема (рис. 7.7), в которой колебательный контур тремя точками подключен к электродам транзистора.

Если пренебречь влиянием входной и выходной проводимостей транзистора, то:

_вых = _{к 1}; _вх = – _{к 2} (7.9)

(İ_к – комплексная амплитуда тока в контуре);

_к = ₁( ₂ + ₃)/( ₁ + ₂ + ₃). (7.10)

Рис. 7.7. Обобщенная трехточечная схема АГ на биполярном транзисторе

Знак « – » во второй формуле (7.9) обусловлен выбранной полярностью (направлением) напряжения вх на рис. 7.7, которая совпадает с полярностью, принятой на структурной схеме АГ (рис. 7.1). В соответствии с (7.3) для комплексного коэффициента обратной связи (ОС) в трехточечной схеме АГ получаем формулу ос= 2/ 1 (7.11) Элементы колебательной системы АГ обычно имеют малые потери. Поэтому в выражениях (7.10) и (7.11) можно положить:

₁ ≈ iX₁; ₂ ≈ iX₂; ₃ ≈ iX₃. (7.12)

При этих условиях _ос = К_ос ≈ Х₂/Х₁, т.е. коэффициент ОС – величина действительная. Для обеспечения положительной ОС (К_ос > 0) необходимо, чтобы характер реактивных сопротивлений Х₁ и Х₂ был одинаков. Третий элемент должен иметь противоположный характер реактивности для образования параллельного колебательного контура.

Отсюда следуют две возможные реализации обобщенной схемы АГ (рис. 7.8): индуктивная и емкостная трехточечные схемы (ИТТ и ЕТТ).

Рис. 7.8. Эквивалентные трехточечные схемы автогенераторов:

индуктивная (а) и емкостная (б)

Если АГ выполняется на достаточно высокочастотном транзисторе таком, что ω_кол<<ω_s (ω_s – граничная крутизна транзистора по крутизне), то можно пренебречь инерционностью транзистора как активного элемента и считать φ_s = 0. При условии (7.12) и положительной ОС φ_ос = 0. Из уравнения баланса фаз (7.7) следует, что при этих предположениях φ_к = 0, т.е. колебания в АГ возникают на резонансной частоте контура: ω_кол = ω₀. Последняя может быть найдена из уравнения

Х₁(ω₀) + Х₂(ω₀) + Х₃(ω₀) = 0. (7.13)

На резонансной частоте из выражения (7.10) с учетом (7.13) получаем:

Ż_к = R_к = Х₁²/r_к, (7.14)

поскольку Ż₁ + Ż₂ + Ż₃ = i(Х₁ + Х₂ + Х₃) + r_к (r_к – сопротивление потерь колебательного контура).

В схемах АГ на рис. 7.8 колебательный контур оказывается частично включенным в коллекторную цепь транзистора с коэффициентом включения p_к = =Х₁/(Х₁+Х₂). Для индуктивной трехточки (рис. 7.8, а) p_к = L₁/(L₁+L₂), для емкостной (рис. 7.8, б) p_к = 1/ ωС₁/(1/ ωС₁ +1/ ωС₂) = С₁/(С₁+С₂).

Используя введенный коэффициент включения и учитывая, что (Х₁+Х₂) = = – Х₃, выражение (7.14) можно переписать в виде

R_к = p_к²Х₃²/r_к = p_к²ρ²/r_к = p_к²Qρ,

где ρ = ω₀L = 1/ω₀С – характеристическое сопротивление контура (L и С – полные индуктивность и емкость контура при последовательном обходе: для ИТТ ρ = |X₃| = 1/ ω₀С₃, для ЕТТ ρ = X₃ = ω₀L₃); Q – добротность контура.

Как отмечалось, для обеспечения высокой стабильности частоты АГ необходимо, чтобы он работал в недонапряженном режиме. Для этого требуется иметь R_к достаточно малым (единицы – десятки Ом). С другой стороны, высокая стабильность частоты АГ может быть достигнута лишь при высокой добротности Q колебательного контура и соответственно высоком значении его полного эквивалентного сопротивления R_ое = Qρ (сотни Ом – единицы кОм). Эти два требования можно совместить, если в схеме АГ обеспечить p_к<<1. Однако в схемах на рис. 7.8, а, б p_к = 1/(1+К_ос) и является недостаточно малым, поскольку К_ос обычно несколько единиц.

Малую величину p_к можно обеспечить, если составить элемент Ż₃ обобщенной схемы (рис. 7.7) из двух сопротивлений с противоположным характером реактивности. В частности, широко используется на практике схема ЕТТ с малым включением колебательного контура в коллекторную цепь транзистора (называемая также схемой Клаппа), показана на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Автогенератор на биполярном транзисторе по схеме Клаппа:

а – эквивалентная схема; б – практическая схема с цепями питания

В этой схеме конденсатор С₃ обычно имеет малую емкость:

С₃<<С₁,С₂. (7.15)

Коэффициент включения контура в коллекторную цепь равен:

p_к = 1/ωС₁/(1/ωС₁ +1/ωС₂ + 1/ωС₃) ≈ С₃/С₁.

Его можно взять достаточно малым (p_к ~ 0,1). При условии (7.15) резонансная частота контура, в основном, определяется элементами L₃, C₃, включенными в промежуток коллектор-база транзистора. Запертый p-n переход, который расположен в этом промежутке, оказывает слабое шунтирующее влияние на контур, что способствует поддержанию его высокой добротности и обеспечивает высокую стабильность частоты АГ. Значения емкостей С₁ и С₂, в свою очередь, определяют в соответствии с формулами (7.11) и (7.14) необходимые значения К_ос и R_к, т.е. амплитудные условия самовозбуждения и режим работы АГ. Из схемы на рис. 7.9, б нетрудно видеть, что высокочастотный элемент  конденсатор С₃ обеспечивает гальваническую развязку цепей коллектора и базы, т.е. одновременно является разделительным в цепи питания АГ.

Рассмотрим назначение остальных элементов в схеме АГ на рис. 7.9, б. В схеме использовано параллельное питание цепей базы и коллектора транзистора. L_бл1 и L_бл2 являются блокировочными дросселями в цепях питания, конденсатор С_бл блокирует источник питания по высокой частоте, индуктивность дросселей определяется из условий: ωL_бл1>>1/ωС₂, ωL_бл1>>R_к. Поскольку уровни постоянных составляющих токов коллектора и базы в схемах АГ обычно малы, вместо дросселей часто используют резисторы, сопротивление которых определяется из условий, аналогичных записанным. Потери энергии в этих резисторах будут незначительны.

В схеме АГ (рис. 7.9, б) применено автоматическое смещение на базу транзистора. Напряжение смещения Е_б равно разности двух напряжений: фиксированного Е_R1, которое определяется напряжением питания Е_п и величинами сопротивлений базового делителя R₁-R₂, и переменного Е_э на цепочке эмиттерной стабилизации R_э-С_э, которое зависит от режима работы АГ:

Е_б = Е_R1 – Е_э . (7.16)

При правильном выборе элементов схемы автосмещения обеспечивается «мягкое» самовозбуждение АГ и устойчивая его работа.

Процесс установления стационарных колебаний при самовозбуждении АГ иллюстрируется на рис. 7.10. При подаче питания на схему АГ в начальный момент времени конденсатор С_э не заряжен, напряжение Е_э=0. Начальное смещение на базе Е_бнач = Е_R1 определяет исходное положение рабочей точки (Р.Т.)₀, которое, как было показано, следует выбирать на достаточно крутом участке характеристики (с большой локальной крутизной S₀), чтобы создать необходимый запас по самовозбуждению S₀R_y = 2...3 (R_y=K_ocR_к). Положению рабочей точки (Р.Т.)₀ соответствует зависимость S_ср(U_б) в виде кривой 1 на рис. 7.11. Как было показано, при таком виде этой зависимости обеспечивается «мягкое» самовозбуждение АГ.

В процессе самовозбуждения по мере увеличения амплитуды напряжения на базе U_б одновременно растет напряжение Е_э на цепочке R_э-С_э (эту цепочку можно рассматривать как нагрузку последовательной схемы детектирования, в которую, кроме цепочки R_э-С_э, входит эмиттерный p-n переход транзистора и источник высокочастотного сигнала – конденсатор С₂). Напряжение смещения на базе, как следует из формулы (7.16), уменьшается, рабочая точка транзистора смещается влево. По мере этого смещения происходит плавная деформация вида зависимости S_ср(U_б) на рис. 7.11: от кривой 1 к кривой 2, а затем к 3. В стационарном режиме при напряжении смещения на базе Е_{б. ст} (см. рис. 7.10), при котором зависимость S_ср(U_б) характеризуется кривой 3 на рис. 7.11, амплитуда колебаний U_{б. кол} определяется точкой пересечения этой кривой и линии 1/R_y.

Рис. 7.10. Процесс установления стационарных колебаний при «мягком» самовозбуждении

Рис. 7.11. Деформация вида зависимости Sср(Uб) по мере установления колебаний

Параметры цепочки R_э-С_э в значительной мере определяют устойчивость работы АГ. С одной стороны, постоянная времени этой цепочки τ_э= R_эС_э должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить тепловую стабилизацию режима АГ по постоянному току. С другой стороны, при большой величине τ_э (например, за счет большого сопротивления R_э) в процессе установления колебаний напряжение Е_э может достигнуть большого отрицательного значения, рабочая точка (рис. 7.10) сместится влево настолько, что колебания в АГ сорвутся. На рис. 7.11 этому будет соответствовать случай, когда кривая 3 окажется ниже уровня 1/R_y. После срыва колебаний постепенно произойдет разряд конденсатора С_э, напряжение Е_э станет равным нулю. Рабочая точка транзистора снова возвратится в положение (Р.Т.)₀ (рис. 7.10), а зависимость S_ср(U_б) – в положе- ние 1. Снова произойдет самовозбуждение АГ и т.д. Процесс будет периодически повторяться. Рассмотренный случай носит название прерывистой генерации. Чтобы избежать этого явления, постоянную времени эмиттерной цепочки следует ограничивать по величине: R_эС_э<<τ_к, где τ_к = 2Q/ω₀ – постоянная времени колебательного контура АГ.

Схема АГ на рис. 7.9,б оказывается неудобной, когда требуется производить электронную перестройку его частоты. Как отмечалось, частота колебаний такого АГ, в основном, определяется элементами L₃, C₃. Для электронной перестройки конденсатор С₃ (или его часть) заменяют варикапом. Поскольку напряжение смещения на варикап следует подавать относительно «Земли», более удобной оказывается схема Клаппа с заземленным коллектором, показанная на рис. 7.12,а.

На рис. 7.12,б изображена схема ИТТ на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом. Транзисторы этого типа имеют «левую» проходную характеристику: значительная часть ее рабочего участка располагается в области отрицательных напряжений на затворе, а при нулевом напряжении на нем характеристика имеет значительную крутизну. По этой причине не требуется подавать начальное отпирающее смещение на затвор, чтобы вывести начальную рабочую точку на участок проходной характеристики со значительной начальной крутизной. Автоматическое смещение на затвор образуется на сопротивлении R_c за счет протекания по нему тока затвора и смещает рабочую точку транзистора влево по мере нарастания амплитуды колебаний АГ.

Рис. 7.12. Практические схемы автогенераторов:

а – схема Клаппа на биполярном транзисторе

с заземленным коллектором;

б – ИТТ на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом