2363
.pdf
Автоматическое смещение за счет базового тока мало, в виду малости
базового тока по сравнению с автосмещением за счет эмиттерного тока.
Сопротивление резисторов R |
и R |
выбирают достаточными, чтобы |
1 |
2 |
|
обеспечить малое шунтирование высокочастотных цепей транзистора.
Значение ѐмкости Сбл выбирается таким образом, чтобы предотвра-
тить возникновение прерывистой автогенерации. Действительно, если посто-
янная времени R3Сбл велика, то при уменьшении амплитуды автоколеба-
ний смещение на базе транзистора остаѐтся большим, а Sср малой, при этом
условия самовозбуждения Sср K |
1 |
не выполняются и колебания сры- |
|
|
|||
Z экв |
|||
|
|
ваются. Ток эмиттера уменьшается и смещение уменьшается, средняя кру-
тизна растѐт, в результате чего колебания возобновляются. Для того, чтобы
предотвратить прерывистую |
автогенерацию, постоянная времени |
||||
T R3Сбл выбирается меньше постоянной времени колебательной систе- |
|||||
мы автогенератора |
|
2Q |
, где |
- частота генерации. |
|
R3Сбл |
|||||
|
|
|
|||
В трѐхточечных схемах контур АГ включѐн в выходную цепь АЭ не полностью. В схеме ѐмкостной трѐхточки (рис. 3.16) известной как схема Клаппа, введением конденсатора С3 и подбором индуктивности контура L1
можно добиться еѐ максимальной добротности на рабочей частоте.
Введение конденсатора С3 уменьшает коэффициент включения тран-
зистора к контуру, снижая тем самым дестабилизирующее влияние изме-
няющихся параметров транзистора на частоту автогенератора.
Эквивалентная схема такого модифицированного автогенератора пред-
ставлена на рис. 3.16.а.
91
Рис.3.16. Схема Клаппа
Автогенераторы с фазированием
|
С повышением рабочей частоты крутизна АЭ становится комплексной |
|||||||||
S |
Se j s , |
s |
0 , где |
s |
- угол крутизны. Если |
|
s |
|
40...600 |
, заметно |
|
|
|||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
падает мощность, уменьшается стабильность частоты и ухудшается форма колебаний. Это наблюдается для биполярных транзисторов в верхней части диапазона ОВЧ, а также в диапазонах УВЧ и СВЧ.
Для устранения этих недостатков в схеме АГ коэффициент обратной должен быть комплексным и должен удовлетворять усло-
s 
k 0 .
Схемы, в которых выполнено это условие называются схемами с пол-
ным фазированием. Для создания необходимого фазового сдвига в цепи об-
ратной связи в схему вводят специальную фазокомпенсирующую цепочку
(рис. 3.17).
92
Z3
Сф
Z1
Z2
Rф
Рис. 3.17. Схема автогенератора с фазированием
Стабилизация частоты колебаний автогенераторов
Основным требованием предъявляемым к автогенераторам является высокая стабильность частоты колебаний. Отклонение частоты автогенера-
тора от заданной называется нестабильностью частоты. Различают абсолют-
ную и относительную нестабильность частоты. |
|
|
Абсолютная нестабильность частоты |
ƒ представляет разность между |
|
фактической частотой автогенератора и |
ее номинальным |
значением |
ƒ=ƒфакт-ƒно.
Относительной нестабильностью называют отношение абсолютной ƒ к номинальному значению частоты автогенератора. Нормы допустимой не-
стабильности частоты установлены определенными стандартами. Нестабиль-
ность частоты обусловлена воздействием на автогенератор дестабилизирую-
щих факторов. Частота колебаний автогенератора определяется: собственной частотой эквивалентного колебательного контура и его добротностью; фазо-
вого сдвига между первой гармоникой выходного тока и напряжением кон-
тура.
Эквивалентный колебательный контур определяется индуктивностью и емкостью, вносимыми комплексными сопротивлениями от активного эле-
мента, параметрами нагрузки. Под действием дестабилизирующих факторов параметры эквивалентного контура автогенератора изменяются во времени.
Основными дестабилизирующими факторами являются: изменение темпера-
93
туры, изменение напряжения питания, старение элементов. Кроме того, дес-
табилизирующими факторами могут быть воздействия облучения, вибрации и другие. Отклонения температуры вызывают изменения режимов работы транзисторов, а также изменения емкостей его коллекторного и эмиттерного p-n-переходов. Колебания температуры изменяют параметры конденсаторов,
индуктивности. Обкладки конденсаторов при колебаниях температуры изме-
няют геометрические размеры, изменяется диэлектрическая проницаемость,
в результате емкость конденсаторов также изменяется.
Относительное изменение частоты автогенератора при изменении тем-
пературы |
на 1˚С называется температурным коэффициентом частоты |
||
ТКЧ f |
|
f |
. |
f |
|
||
|
t |
||
Для температурной стабилизации транзисторных схем, например, при-
меняют автоматическое смещение включением резистора в эмиттерную цепь.
Эффективным способом термостабилизации яаляется термостатирова-
ние. Кроме того, применяется включение в схему термокомпенсирующих элементов. Для уменьшения нестабильности частоты автогенераторов необ-
ходимо применение колебательных систем с высокой добротностью. Чем выше добротность, тем круче фазо-частотная характеристика, тем меньше отклонение генерируемой частоты.
Так как всякое изменение режима работы усилительного элемента ве-
дет к изменению фазового сдвига в цепи обратной связи, что вызывает от-
клонение частоты, для повышения стабильности частоты автогенератора следует применять в нем контур с высокой добротностю. Добротность на-
груженного контура зависит от сопротивления, вносимого последующим каскадом. Для повышения добротности вносимое сопротивление нужно уменьшать, что достигается уменьшением связи последующего каскада с вы-
ходной цепью задающего автогенератора.
Для уменьшения влияния температуры на параметры элементов авто-
генераторов необходимо использование материалов с малым температурным
94
коэффициентом. Катушки индуктивности изготовляются на керамическом каркасе. Накрутку осуществляют вжиганием серебра в керамику. Для печат-
ных плат используют керамику или фторопласт с малым температурным ко-
эффициентом диэлектрической проницаемости. Перечисленные выше меры
стабилизации обеспечивают относительную нестабильность |
f |
10 |
4 10 5 , |
|
|
||||
f r |
||||
|
|
|
что не всегда удовлетворяет требованиям современных радиоэлектронных средств(РЭС). Для обеспечения лучшей стабилизации необходимо использо-
вать пьезоэлектрический резонатор, в том числе кварцевые резонаторы. Эк-
вивалентная схема кварцевого резонатора содержит индуктивность - Lкв, ем-
кость выводов - Св (рис. 3.18).
Св
Рис.3.18. Эквивалентная схема пьезорезонатора
В такой схеме возможны два резонанса в последовательном контуре rкв, cкв, Lкв на частоте f1( кв) и в параллельном контуре rкв, cкв, Lкв, cв на частоте f2( 0), причем частота параллельного резонанса f2>f1. Зависимости сопротив-
лений кварцевого резонатора Хкв и Rэ представлены на рис. 3.19.
Рис. 3.19. Резонансные характеристики кварца
95
На частотах в интервале от f1( кв) до f2( 0) резонатор имеет индуктив-
ное сопротивление, в остальном диапазоне частот емкостное сопротивление.
Кварцевый резонатор обладает очень высокой добротностью более 10000, а
для обычного контура Q=100…200.
Схемы кварцевых автогенераторов
В высокостабильных схемах автогенераторов кварцевый резонатор может быть применен как высокостабильная и высокоэталонная индуктив-
ность вместо индуктивности в трехточечной схеме (осцилляторные схемы),
либо как высокодобротный последовательный колебательный контур в цепи положительной обратной связи (фильтровые схемы). При последовательном резонансе сопротивление кварцевого резонатора активно и минимально. На частоте последовательного резонанса коэффициент ОС максимален и сильно уменьшается при отклонении от резонансной частоты.
В осциляторных схемах колебания генерируются на частотах, когда кварц имеет индуктивное сопротивление, на других частотах баланс фаз не выполняется и колебания в автогенераторе не возникают. На практике чаще всего кварц включают вместо индуктивности в емкостной трехточечной схе-
ме (рис. 3.20).
Рис. 3.20. Эквивалентная схема осцилляторного кварцевого генерато-
ра
96
Недостатком этой схемы является то, что кварц шунтируется сопротив-
лением коллекторно-базового перехода транзистора, что снижает стабиль-
ность частоты генерируемых колебаний.
На резонаторе в цепи коллектора создается значительное напряжение,
вызывающее его нагрев – это также снижает стабильность частоты. В связи с этим кварцевые резонаторы применяются в маломощных автогенераторах.
Нестабильность частоты в осцилляторных схемах автогенераторов при доб-
ротности кварца Q ≈ 1
105 составляет 10-6 … 10-7.
Рис. 3.21 Принципиальная схема осцилляторного кварцевого генератора
Вфильтровых схемах кварцевый резонатор включают последовательно
вцепь обратной связи, соединяющую базу, эмиттер или коллектор транзи-
стора с колебательным контуром.
Рис.3.22. Принципиальная схема кварцевого автогенератора с кварцем в це-
пи обратной связи
97
Недостатком схем автогенераторов с кварцем в цепи ПОС является на-
личие дополнительной обратной связи через емкость кварца, в следствии че-
го может возникнуть паразитная автогенерация. Для компенсации емкости кварца применяется параллельное включение кварцу индуктивности.
Для частот выше 20 МГц кварцевую пластину нужно изготовить тонь-
ше 0,1 мм. Такая пластина оказывается механически непрочна. Поэтому на частотах превышающих 5 МГц используют кварцевые резонаторы, работаю-
щие на высших механических гармониках. При этом для исключения генера-
ции на частотах посторонних гармоник в схему включают дополнительные контуры, предотвращающие баланс фаз на паразитных гармониках (рис.
3.23).
Рис. 3.23. Схема автогенератора на гармонике
Здесь параллельный контур L1C1 в цепи эмиттера, имея индуктивный характер сопротивления на частотах более низких, чем частота генерации, а
параллельный контур L2C2 на более высоких частотах, не допускают само-
возбуждения. Если часть напряжения с колебательного контура подать на эмиттер через кварцевый резонатор, то получим автогенератор, работающий на частоте кварца. Эта схема называется схемой Батлера (рис. 3.24.а).
98
а) б)
Рис.3.24. Схемы Батлера
Баланс фаз обеспечивается тем, что напряжение через кварцевый резо-
натор подается на эмиттер в противофазе. Баланс амплитуд достигается под-
бором сопротивления резистора Rэ.
Создание высокостабильных колебаний в схеме Батлера достигается включением в цепь обратной связи эмиттерного повторителя на транзисторе
VT2 (рис. 3.24.б).
99
Заключение.
Учебное пособие «Физические основы электроники» включает мате-
риал для изучения лишь небольшой части электронных устройств: усилители постоянного тока, дифференциальные усилительные каскады, операционные усилители, автогенераторы.
Они представляют основные аналоговые устройства электроники, на базе которых возможно дальнейшее усвоение других устройств электрони-
ки: компараторов, импульсных устройств. Кроме этих устройств, широко применяются устройства цифровой электроники. Такие из них, как комбина-
ционные логические устройства, последовательностные логические устрой-
ства, запоминающие устройства, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, таймеры могут быть отражены в самостоятельных учебных пособиях или составлять содержание отдельных глав учебников по электро-
нике. Следует отметить, что все эти разделы электроники просто необходи-
мы для изучения работы вычислительной техники, персональных ЭВМ, сис-
тем автоматики, радиоэлектроники. Перечисленные выше устройства элек-
троники являются классическими, постоянно совершенствуются, разрабаты-
ваются новые схемы, новые изделия электроники. Тенденции развития элек-
троники определяются необходимостью обработки все большего количества информации, что возможно благодаря развитию интегральной электроники.
Современные электронные устройства схемотехники имеют пределы макси-
мальной скорости обработки информации 109-1010 операций в с ,что недоста-
точно для обработки информации в области искусственнного интелекта, в
области космических исследований. Одним из перспективных направлений для повышения скорости обработки информации является оптоэлектроника.
Более высокую скорость обработки информации позволяют устройства функциональной электроники, которые способны обработку информации не в виде отдельных байтов, а целиком. При этом возможна обработка инфор-
100