Глава 12 реактансные схемы

12.1. Основная схема с управляемым реактивным сопротивлением

Электронные реактансные схемы, эквивалентные реактивной цепи, можно построить, используя резисторно-емкостные цепи с транзистором, и таким образом получить реактивный эле­мент, потребляющий либо опережающий, либо запаздывающий ток относительно приложенного к элементу колебательного на­пряжения; таким напряжением обычно является напряжение на колебательном контуре автогенератора. Если реактансную схе­му подключить параллельно колебательному контуру автогене­ратора, то появляется возможность управлять частотой генера­ции. Управление реактансной схемой в свою очередь осуществ­ляется путем изменения напряжения смещения, подаваемого на ее вход. Таким образом, появляется возможность подстройки частоты автогенератора путем изменения управляющего напря­жения смещения.

Специальные полупроводниковые диоды при подаче на них обратного смещающего напряжения обладают свойствами пере­менной емкости и также могут использоваться для подстройки частоты резонансного контура. Такие диоды, называемые ва-ракторами, изменяют величину емкости при изменении прило­женного напряжения. Эти приборы называют также варикапа­ми. Они находят широкое применение в радио- и телевизионных приемниках и позволяют упростить блоки настройки. Транзис­торные реактансные RС-схемы также широко применяются в промышленных системах управления, в блоках перестройки ча­стоты и устройствах регулирования фазы (см. также рис. 4Д. 6.6, 15.2 и 15.9).

Типичная схема управления реактивным сопротивлением ре­актансной схемы на основе полевого транзистора изображена-на рис. 12.1. Здесь С₁ и R₁ являются фазосдвигающими элемен­тами, которые обусловливают протекание реактивного тока че­рез выходной резистор R_z. Подробнее свойства этой схемы рас­сматриваются в следующем разделе. Через конденсатор Сз осу­ществляется связь реактансной схемы с колебательным конту­ром автогенератора для перестройки частоты генерации путем изменения амплитуды и полярности сигнала, подаваемого на затвор полевого транзистора. Реактансная схема может иметь или емкостный, или индуктивный характер в зависимости от соотношения фаз напряжений на выходе реактансной схемы и на контуре автогенератора. В случае чисто емкостного харак­тера реактансной схемы потребляемый ею ток будет опережать напряжение на 90°, а при чисто индуктивном характере этой схемы потребляемый ток будет отставать на 90°. Таким образом, создавая отставание или опережение потребляемого тока, схема имитирует емкостную или индуктивную нагрузку, действие ко­торой будет описано в разд. 12.2 и 12.3.

Рис. 121. Основная схема с управляемым реактивным сопротивлением.

12.2. Реактансная схема rс-типа

Реактивности различного характера можно получить, ком­бинируя элементы ri и С₁ (рис. 12.2). Для сравнения на рис. 12.2, а и в приведены упрощенные варианты схемы, изобра­женной на рис. 12.1, с соответствующими векторными диаграм­мами (рис. 12.2,б и г]. Схема на рис. 12.2,а имеет емкостную характеристику, и так как она подключена параллельно коле­бательному контуру автогенератора, то ее эквивалентная ем­кость добавляется к емкости колебательного контура. Таким образом, образуется результирующая колебательная система автогенератора, состоящая из указанных емкостей и индуктивности контура автогенератора. Небольшие паразитные емкости и индуктивности, имеющиеся в схеме, также оказывают влия­ние на частоту. Частота генератора определяется суммарными значениями индуктивности и емкости элементов параллельного резонансного контура L и С. Поэтому изменение величины ем­кости или индуктивности колебательного контура приводит к изменению частоты генерируемых колебаний. Частота колеба­ний определяется общеизвестной формулой

(12.1)

В схеме на рис. 12.2, а элементами, определяющими емкост­ную характеристику реактансной схемы, являются конденса­тор C₁ и резистор R₁, причем С₁ включают между стоком транзистора, и затвором, a R₁ — между затвором и землей. Таким об­разом, указанные два элемента реактансной схемы фактически присоединены параллельно колебательному контуру автогенера­тора. Следовательно, вырабатываемый автогенератором сигнал оказывается приложенным к цепи R₁C₁.

Рис. 12.2. Реактангные схемы RC-тuna.

Значения емкости С₁ и сопротивления R₁ выбираются таким образом, чтобы на частоте колебаний автогенератора емкостное реактивное сопротивление С₁ было значительно выше сопротив­ления R₁. При этом на колебательное напряжение автогенера­тора, воздействующее на эту цепь, основное влияние будет ока­зывать емкость. Следовательно, ток в этой цепи на частоте ко­лебаний автогенератора будет опережать напряжение Е₀ на колебательном контуре автогенератора. Если вектор напряже­ния ЕС изобразить графически (рис. 12.2,6), то вектор тока I_R1C1, протекающего через цепь R₁ и C₁, будет опережать век­тор E₀ на 90°. Однако напряжение на R₁ и ток через него изме­няются синфазно. Следовательно, напряжение E₃ на затворе, равное падению напряжения на R₁, также будет опережать на­пряжение E₀ на 90°. Так как ток стока находится в фазе с на­пряжением на затворе, то вектор тока стока I_с совпадает по направлению с вектором Е₃. Отсюда следует, что ток стока опе­режает напряжение генератора на 90°. Именно опережение то­ка стока обеспечивает емкостную характеристику реактансной схемы, присоединенной к контуру генератора. Эквивалентная емкость реактансной схемы С_э зависит от крутизны g_T полево­го транзистора и выражается формулой

C_э = g_TR₁C₁. (12.2)

где С_э — эквивалентная емкость, Ф;

g_T — крутизна характеристики транзистора, А/В;

Ri — сопротивление резистора, Ом;

С1 — емкость конденсатора в цепи обратной связи, Ф. На практике сопротивление резистора Ri выбирается таким образом, чтобы оно составляло приблизительно десятую часть реактивного сопротивления емкости Ci, благодаря чему обеспе­чивается емкостный характер цепи обратной связи. Если со­противление Ri равно десятой части емкостного сопротивле­ния С], то приведенную выше формулу можно записать в виде

(12.3)

где f — рабочая частота.

Формула (12.3) показывает, что эквивалентная емкость за­висит только от крутизны транзистора и рабочей частоты. Емкостное сопротивление Х_с также связано с частотой и эквива­лентной емкостью:

(12.4)

Из закона Ома следует, что емкостное сопротивление связано с напряжением и током:

(12.5)

Из приведенного анализа видно, что изменение переменной со­ставляющей тока стока I_с полевого транзистора приводит к из­менению емкостного реактивного сопротивления и, следователь­но, эквивалентной емкости. Меняя амплитуду входного напря­жения, подаваемого на затвор, можно изменять ток стока. Ток стока можно увеличивать или уменьшать, подавая на затвор отрицательное или положительное напряжение смещения, и та­ким образом изменять величину емкости, моделирующей реак­тивное сопротивление. Входной сигнал может также содержать составляющую звукового сигнала, которая будет увеличивать и уменьшать ток стока в соответствующие полупериоды. Таким образом, частота генератора будет увеличиваться и уменьшать­ся в зависимости от частоты входного звукового сигнала. Такая система используется в передатчиках с ЧМ и в других устрой­ствах, где требуется частотная модуляция (гл. 6 и 15).

Предположим, что для получения сигнала с ЧМ использует­ся сигнал звуковой частоты. При подаче звукового сигнала большей амплитуды отклонение тока стока увеличивается и ток будет иметь величину выше и ниже среднего значения, опреде­ляемого смещением. Следовательно, частота сигналов генерато­ра будет изменяться в сторону больших и меньших значений от­носительно ее номинального значения (несущей частоты). Таким образом, когда реактансная схема находится под воздействием управляющего звукового сигнала, частота генератора изменяет­ся пропорционально частоте звукового сигнала, а величина де­виации частоты определяется амплитудой звукового сигнала, подаваемого на вход.

В схеме на рис. 12.2,0 характеристика реактансной схемы является индуктивной. Здесь резистор R₁ и конденсатор С₁ так­же образуют реактивную цепочку. Разделительный конденса­тор С₂ служит для того, чтобы напряжение стока не подавалось на затвор. Этот конденсатор имеет большую емкость, так что его последовательное реактивное сопротивление достаточно ма­ло и обеспечивает хорошую связь на частоте сигнала между стоком и цепью обратной связи R₁C₁.

В этой схеме сопротивление резистора R₁ выбирается при­мерно в 10 раз больше реактивного сопротивления конденсато­ра Cj. Поэтому сигнал от автогенератора, приложенный к этой цепи, вызовет протекание тока I_R1C1. находящегося в фазе с на­пряжением (рис. 12.2, г). Поскольку входное напряжение на затвор подается с конденсатора C₁, ток конденсатора I_R1C1 опе­режает напряжение Е₃ на конденсаторе на 90°. Но так как ток стока Iс совпадает по фазе с напряжением Е₃ на затворе, то ток стока Iс отстает от напряжения Е₀ генератора на 90°. Таким образом, вследствие запаздывания тока стока относительно Ео моделируемое реактансной схемой эквивалентное реактивное со­противление носит индуктивный характер. Величину эквива­лентной индуктивности можно рассчитать по формуле

(12.6)

где L₃ — эквивалентная индуктивность, Г;

g_T — крутизна характеристики транзистора, А/В;

f — рабочая частота.

Так же как и в схеме на рис. 12.2, а, величину реактивного сопротивления можно изменять путем подачи напряжения сме­щения между затвором и землей. Индуктивное сопротивление зависит от частоты и определяется формулой

X_L = 6,28fL. (12.7)

В соответствии с законом Ома индуктивное сопротивление оп­ределяется следующим выражением:

(12.8)

Так же как и в схеме на рис. 12.2, а, величину реактивного сопротивления можно изменять, варьируя модулирующее на­пряжение на затворе. Таким образом, величина эквивалентной индуктивности, шунтирующей колебательный контур автогене­ратора, может изменяться при помощи входного сигнала.