Электронные генераторы. Фильтры учебное пособие

Каждый сомножитель в формуле (2.66в) не более 1: С/С1 <

< 1, С/С2 < 1, r/Rвх << 1, а Rрез и Rэкв одного порядка. Даже если Rрез превысит Rэкв в несколько раз, это все равно не нарушит неравенство (2.66в). С учетом (2.66в) частота генерации мало от-

личается от резонансной:

Решение этого уравнения дает минимальную величину S (или β ), при которой еще происходит самовозбуждение на частоте гене-

рации (2.66):

Подставив значения τ 1, τ 2 из формулы (2.64), С – из формулы (2.60) и произведя довольно громоздкие преобразования, получим:

RэквRвх

Чтобы оценить величину ∆ A, преобразуем формулу, помножив числитель и знаменатель на rC, и учтем (2.60):

111

где Rрез – резонансное сопротивление (см. формулу (1.5)). Сомножители Rрез/Rэкв, r/Rвх те же, что и в (2.66в). Послед-

ний сомножитель тоже меньше 1, так как обычно Rвх≤ Rэкв. С учетом (2.67а)

где n = С1/С2 – коэффициент отношения емкостей секций С1, С2, аналогичный коэффициенту трансформации в формуле (2.57).

При заданных параметрах усилителя и контура β , Rвх, Rэкв, L, C из формулы (2.67) можно найти минимальное отношение n, при котором происходит самовозбуждение колебаний. Условие (2.67) аналогично условию (2.57), только коэффициенты n разные. В формуле (2.67) тоже можно принять β – n β , так как С1/С2 < 1, а β >> 1. Результат будет аналогичен (2.58б):

где Rвх Б, α , Rэкв, β – то же, что и в формуле (2.58).

112

2.4.4. Индуктивная трехточка

Принципиальная схема индуктивной трехточки (ее часто называют генератором Хартлея) приведена на рис. 2.7,а. На рис. 2.7,б показана ее малосигнальная эквивалентная схема. В этой трехточке индуктивность (индуктивная ветвь контура) разделена на две секции L1 и L2. Полная индуктивность L контура равна их сумме:

Рис. 2.7

Среднюю точку вывода (третью точку подключения к транзистору) а между секциями L1 и L2, как правило, получают путем отпайки от витка катушки L. По этой причине такую трехточку называют автотрансформаторной (в отличие от трансформаторной). Параллельно выходу транзистора VT (между коллектором и эмиттером) в индуктивной трехточке включен не весь LC- контур, а только его часть L1, что уменьшает степень шунтирования контура выходным сопротивлением усилителя Ri (при наличии нагрузки Rн – эквивалентным сопротивлением Rэкв). Осталь-

113

ные элементы схемы (R1, R2, RЭ, CЭ, VT, Cр, Cр1) выполняют те же функции, что и в предыдущих генераторах: они образуют усилительное звено (УНЧ). Резонансный контур, точнее часть контура L1, включен последовательно с усилительным звеном (транзистором VT), как и в рассмотренном ранее трансформаторном генераторе на рис. 2.5,а. Но он также может быть включен параллельно транзистору.

Сигнал обратной связи UОС, подаваемый на базу, определяется напряжением на секции L2 (WБ). Требуемая фаза этого сигнала определяется тем, что напряжения UК, UБ на секциях L1 и L2 находятся в противофазе относительно средней точки а, которая подключена к эмиттеру. Величина сигнала обратной связи UОС определяется отношением числа витков WБ секции L2 к числу витков WК секции L1. Сигнал обратной связи UОС подается на базу через конденсатор Ср1 (Ср1>>С). Выходной сигнал переменного тока U2 снимается с коллектора транзистора через разделительную емкость Ср (Ср >>С). На малосигнальной эквивалентной схеме

(см. рис. 2.7,б) в Rэкв тоже включены Ri, Rн (Rэкв = Ri||Rн), а в Rвх – входное сопротивление усилительного каскада в схеме ОЭ Rвх Э

и сопротивление делителя R1, R2 (Rвх = Rвх Э||R1||R2). Индуктивная трехточка тоже может быть представлена

обобщенной эквивалентной схемой (см. рис. 2.6,в). Следовательно, коэффициенты усиления K&U и обратной связи γ&ОС определя-

ются формулами (2.61), (2.62), а формулы (2.63а) и (2.63) также определяют условия самовозбуждения индуктивной трехточки.

Условия самовозбуждения индуктивной трехточки (неидеальные)

114

Подставим их в условия самовозбуждения (2.63) и, произведя несложные (хотя и громоздкие) вычисления, получим уравнение вида a+jb, аналогичное (2.65):

Чтобы точнее представить величину ∆F, надо ее преобразовать, умножив числитель и знаменатель на rL:

где Rрез = L /Cr – резонансное сопротивление контура на резонансной частоте; r – сопротивление потерь в ветвях контура; L = = LК + LБ – общая индуктивность контура.

Все сомножители в формуле (2.72) не превышают единицы:

115

Величина Rрез одного порядка с Rэкв или даже может превышать Rэкв в несколько раз, неравенство (2.72) при этом не нарушается. С учетом (2.72) частота генерации мало отличается от резонансной:

При заданных параметрах контура L, C, L1, L2 и Rэкв, Rвх можно найти минимальную величину S (или β ), при которой происходит самовозбуждение:

где n = L2/L1 = W22/W12 – отношение индуктивностей секций индуктивной ветви контура, на резонансной частоте оно равно модулю коэффициента обратной связи:

116

Преобразуем ∆А аналогично преобразованию ∆F в формуле (2.72), помножим числители и знаменатели слагаемых в скобках на Lr:

где Rрез, r, L – то же, что и в формуле (2.72).

Каждое слагаемое в скобках много меньше единицы, так

как L1/L < 1, r/Rэкв << 1, L2/L < 1, r/Rвх << 1. Отношение Rрез/Rэкв

то же, что и в формуле (2.72). C учетом (2.74)

При заданных параметрах усилителя и контура β , Rвх, Rэкв, L, C из формулы (2.75а) можно найти минимальное значение отношения n = L2/L1, при котором происходит самовозбуждение колебаний. Условие (2.75) аналогично условиям (2.57) и (2.67), только по-другому определяется n. Также можно принять β – n ≈ β , так как L2/L1 < 1, а β >> 1. В результате получаются формулы, аналогичные

(2.58) и(2.67в):

117

или

где Rвх Э, Rвх Б, β, α – то же, что и в формуле (2.58).

2.5. LC-генераторы с отсечкой тока

Одним из важнейших показателей работы LC-генераторов средней и большой мощности является коэффициент полезного действия (КПД) генератора ηг. Максимальный КПД может быть получен в режиме с отсечкой тока коллектора (анода), когда ток коллектора (анода) протекает только часть периода колебаний. Во время остальной части периода транзистор закрыт. Как уже указывалось (см. п. 2.4.1), такой режим в теории генераторов называют режимом II рода. В LC-генераторах средней и большой мощности используют только режим II рода (режим с отсечкой тока). В теории усилителей такой режим соответствует классам АВ, В и С.

Режим II рода используют и в маломощных LC-генераторах (с выходной мощностью, измеряемой единицами и долями ватта), питание которых осуществляется от автономных источников питания (гальванических элементов). В режиме II рода через источник питания, LC-контур и транзистор (лампу) протекает прерывистый ток в виде импульсов. При этом в нагрузку передается синусоидальный ток и напряжение. Это становится возможным благодаря наличию в цепи коллектора колебательного LC-кон- тура с хорошими резонансными свойствами (с высокой добротностью Q). Разумеется, режим II рода не возможен в RC-гене- раторах.

Как уже указывалось ранее, мощные LC-генераторы могут быть как автогенераторами, так и генераторами с независимым возбуждением. В автогенераторах колебания возникают внутри

118

схемы за счет положительной обратной связи (ПОС), это было рассмотрено ранее. В генераторах с независимым возбуждением колебания с резонансной частотой ω 0 LC-контура на вход мощ-

ного генератора подаются от автогенератора малой мощности. Сам генератор, по сути, является резонансным усилителем мощности на частоте ω 0 .

Процессы, происходящие в выходной цепи генератора (коллектор, контур, транзистор), не зависят от типа возбуждения (самовозбуждение или внешнее возбуждение). Поэтому для определенности (для упрощения) эти процессы будут рассмотрены на примере генератора с независимым возбуждением.

2.5.1. Схема LC-генератора с независимым возбуждением

На рис. 2.8 приведена принципиальная схема транзисторного LC-генератора с независимым возбуждением. LC-контур включен последовательно с транзистором. Мощность колебаний в нагрузку P (полезная мощность) передается при помощи спе-

циальной обмотки W2 (трансформаторная связь). В качестве уси-

лительных элементов используются специальные мощные высокочастотные генераторные транзисторы или генераторные лампы.

Колебательный LC- контур характеризуется резонансной частотой ω0, добротностью Q, волновым сопротивлением ρ и резонансным сопротивлением Rрез

(см. (1.2), (1.3), (1.4), (1.5)).

Ко входу генераторного транзистора VT подводится переменное синусоидальное напряжение с амплитудой Uгт:

119

от постороннего источника (от задающего генератора). Напряжение и ток в схеме приняты косинусоидальными для упрощения нахождения коэффициентов ряда Фурье. Переменное напряжение между базой и эмиттером вызывает изменение тока базы и тока коллектора, т.е. появляется переменная составляющая тока коллектора iК~, что, в свою очередь, вызывает переменное напряжение на контуре uz~ (во избежание путаницы в обозначениях тока и напряжения коллектора и тока и напряжения в контуре первые будут обозначаться с индексом «К», например iК, uК, вторые – с индексом «z», например iz, uz).

В LC-контуре при этом происходят колебания (контур возбуждается), и в ветвях L и C контура протекает переменный ток (с частотой ω 0 ), а в нагрузку R н передается полезная мощность

P через обмотку W2 . Таким образом, энергия источника питания

Еп с помощью усилительного элемента (транзистора) вводится в колебательный контур, а оттуда – в нагрузку.

Передача энергии от источника Еп в контур может происходить непрерывно. Однако это не обязательно. Даже более того, такой режим невыгоден. Более выгодна кратковременная передача энергии в контур (порциями), когда энергия в контур передается только некоторую (часто меньшую) часть периода. В остальное время транзистор закрыт, и энергия в контур не передается. Это и есть режим II рода. Однако в LC-контуре за счет его резонансных свойств поддерживаются непрерывные (незатухающие) колебания, и энергия в нагрузку Rн передается

непрерывно. В этом и состоит существенное отличие генератора с независимым возбуждением (резонансного усилителя мощности) от обычных (нерезонансных) усилителей мощности.

Характер процессов в цепи коллектора определяется свойствами LC-контура и режимом в базовой цепи (величиной постоянного напряжения между базой и эмиттером (смещением) и величиной сигнала иг ). Для упрощения рассмотрения в схему между базой и эмиттером включен источник постоянного смещения

120