2363

средствах связи, медицине, технологических устройствах, в вычислительной технике.

Генераторы в зависимости от назначения должны обеспечивать коле-

бания в широком диапазоне частот от долей герц до десятков гигагерц.

Генераторы с внешним возбуждением подобны усилителям, на вход которых подаются колебания, формируемые зачастую автогенератором,

принципы работы которого рассмотрим более детально.

Структурная схема автогенератора (рис.3.1) включает источник питания (ИП), активный четырехполюсник (АЧ), пассивный четы-

рехполюсник (ПЧ). Автогенератор - нелинейное устройство, так как включа-

ет активные элементы.

Активный четырехполюсник содержит активный элемент, который может быть диодом с отрицательным участком вольтамперной характекри-

стики, полевым или биполярным транзистором, лампой и т.д. Активный эле-

мент обеспечивает подачу энергии от источника питания в колебательную систему (КС). Пассивный четырехполюсник включает колебательную систе-

му, цепь обратной связи и внешнюю нагрузку.

Колебательная система в зависимости от диапазона генерируемых час-

тот может быть на основе LC – контуров (LC – генераторы), резистивноем-

костных схем (RC – генераторы), на основе пьезоэлектрических резонаторов,

на устройствах активно-поверхностных волн (АПВ).

Процесс возбуждения колебаний происходит при включении источника питания, при этом в колебательную систему вносится извне некоторое коли-

чество энергии в виде флуктуации зарядов. Колебательная система выделяет спектральную составляющую с частотой, равной еѐ собственной частоте, ко-

торая за счет цепи положительной обратной связи подается на вход активно-

го четырехполюсника и усиливается. Усиленные колебания снова поступают в контур. Режим нарастания амплитуды колебаний называется переходным, а

режим, когда устанавливается постоянное значение амплитуды – стационар-

ным режимом работы автогенератора. Переход в стационарный режим обу-

72

словлен нелинейными свойствами активного четырехполюсника. При дости-

жении определенного значения амплитуды коэффициент усиления активного четырехполюсника уменьшается и амплитуда сигнала не изменяется

(рис.3.1).

Рис.3.1 Структурная схема автогенератора

Uвх , Uвых комплексные амплитуды входного и выходного напряже-

ний;

. .

73

. .

ос — фаза коэффициента обратной связи.

Условие (3.11) — называется балансом амплитуд. Второе условие

(3.12) — называется условием баланса фаз. Оно позволяет определить часто-

74

ту генерируемых колебаний. В комплексной форме эти условия можно запи-

сать :

жим работы автогенератора, амплитуду и частоту генерируемых колебаний.

Условием возникновения и нарастания амплитуды колебаний является вы-

вующие линейной схеме замещения активной цепи.

В интервале времени, когда колебания нарастают, переходный режим,

К и Кос представляют средние по первой гармонике коэффициент усиле-

ния и коэффициент обратной связи, они зависят от напряжения на входе. Ко-

эффициент K по модулю уменьшается с ростом амплитуды сигнала на входе активного четырехполюсника.

3.2. Генераторы гармонических колебаний

Широкое применение получили транзисторные автогенераторы гармо-

нических колебаний, в которых колебательная система выполнена в виде LC

контуров, фазосдвигающих RC, RL — цепей. Применяются два варианта схем автогенераторов с трансформаторной обратной связью, отличающиеся подключением колебательного LC контура: в первом варианте схемы — кон-

тур подключен в цепь коллектора биполярного транзистора (либо в цепь сто-

ка полевого транзистора, или в цепь анода), второй вариант — контур вклю-

чен в цепь базы (затвора, сетки), — условия самовозбуждения автоколеба-

ний такие же, как и в первом варианте.

75

Самовозбуждение автогенератора с трансформаторной связью в схеме с полевым транзистором можно проанализировать на основе предположения,

что электронный прибор можно заменить управляемым источником тока вы-

ходной схемы, ток которого линейно зависит от управляющего напряжения: i i0 SдифU , Sдиф - крутизна вольтамперной характеристики транзистора

в рабочей точке. Такое предположение вполне обосновано, так как в момент возбуждения колебания малы и активный элемент обладает линейной зави-

симостью тока от напряжения.

Рис 3. 2. Схема транзисторного генератора с трансформаторной обратной связью

Если в схеме возбуждаются малые колебания, а U – напряжение на конденсаторе, то при определенном значении коэффициента взаимоиндукции

устойчивой; любое возмущение колебательного контура приводит к появле-

нию такого сигнала положительной обратной связи, который, складываясь с первоначальным возмущением, увеличивает этот сигнал.

76

Анализ стационарного режима необходимо проводить с установления режима работы автогенератора. Известно, что усилительный элемент может работать в недонапряженном, критическом или перенапряжѐнном режиме

(рис. 3.3, рис 3.4).

Рис. 3.3. Статические характеристики iвых(Uвых) при постоянных Uвх

для лампы (а), биполярного (б) и полевого (в) транзисторов

Недонапряжѐнный режим характеризуется областью (I) слабого влия-

ния выходного напряжения на выходной ток. Для биполярных транзисторов на выходных характеристиках это область, в которой характеристики распо-

лагаются полого к оси абсцисс, т.е. ток коллектора мало зависит от напряже-

ния на коллекторе и определяется напряжением на базе. В другой области (II)

выходные характеристики биполярного транзистора имеют крутой наклон,

т.е. коллекторные токи существенно зависят от напряжения на коллекторе.

Это область перенапряжѐнного режима. Эти две области характеристик раз-

деляются линией критического режима. При линейной аппроксимации на-

пряжение сдвига Е определяется отрезком оси абсцисс между началом ко-

77

ординат и точкой пересечения спрямлѐнной статической характеристики с осью абсцисс (рис.3.4).

В недонапряжѐнном режиме КПД генератора мало, поэтому обычно ав-

тогенераторы работают в критическом, слегка перенапряжѐнном режиме.

В недонапряжѐнном режиме работы усилительного элемента для рас-

чѐта параметров генерируемого колебания можно пользоваться статическими характеристиками: статической зависимостью от амплитуды входного на-

пряжения среднего значения крутизны по первой гармонике S1СТ (UВХ ) и

колебательной характеристикой I1СТ (UВХ ) .

В перенапряженном режиме для определения стационарных амплитуд необходимы динамические характеристики S1дин(UВХ ) ; I1дин(UВХ ) .

Рис. 3.4. Аппроксимация статических проходных (а)

и выходных (б) характеристик обобщенных АЭ

Стационарные амплитуды получаются пересечением зависимостей

крутизны колебательной характеристики с линиями обратной связи (рис.3.5).

Уравнения S1Ry=1, Xy=0 описывают стационарные режимы работы од-

туда стационарных колебаний. При этом Ry вычисляем на частоте к. Вид

78

функции S1(Uвх) зависит от положения рабочей точки на статической харак-

теристике активного элемента iвых(Uвх), которое задается смещением Ес и от характера режима. Существуют два вида зависимости средней крутизны S1 от амплитуды (Uвх):

1)S1(Uвх) монотонно падает с ростом (Uвх) (рис. 3.5, а),

2)S1(Uвх) при малых (Uвх) равна нулю, затем нарастает, проходит через максимум, затем спадает (рис. 3.5, б).

Рис. 3.5. Определение стационарных значений амплитуды колебаний:

а) графическое решение уравнения баланса амплитуд для мягкого режима возбуждения; б) графическое решение уравнения баланса

амплитуд для жѐсткого режима возбуждения.

Амплитуда напряжения (Uвх) в точках, удовлетворяющих уравнению автогенератора S1(Uвх)= R1 y , определяется пересечением зависимости средней

стей S1(Uвх) в одной точке равновесия а, а зависимость второго типа в двух точках б и в.

На частотах до ста мегагерц применяют автогенераторы на биполярных и полевых транзисторах по схеме емкостной трехточки (рис.3.6 а). Кроме ем-

79

костной трехточки, применяется индуктивная трехточка (рис.3.6, б). Эквива-

лентные схемы емкостной и индуктивной трехточек представлены на рис.3.7.

С4

Рис. 3.6. Трехточечные схемы автогенераторов токов

Условие баланса амплитуд и фаз позволяют определить характер со-

транзистора) действительно выполняется, то можно считать транзистор бе-

80