3564

263

Таблица 5.Основные параметры высоковольтных и мощных ОУ

264

2.17. Генераторы электромагнитных колебаний на транзисторах

2.17.1. Основные понятия

Генератором электромагнитных колебаний называют радиоэлектронное устройство, преобразующее энергию источника питания в электромагнитные колебания заданной формы, необходимой частоты, мощности.

Генераторы электромагнитных колебаний подразделяются на автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением.

Автогенераторы – это радиоэлектронные устройства, преобразующие энергию источника питания в электромагнитные колебания в режиме самовозбуждения, т.е. без воздействия на вход внешних электромагнитных колебаний.

Генераторы с внешним возбуждением формируют электромагнитные колебания заданной формы, частоты и мощности только при поступлении на вход электромагнитных сигналов возбуждения.

В радиоэлектронике широкое применение различных типов генераторов обусловлено тем, что генераторы необходимы почти в каждом устройстве, работа которого связана с периодическими процессами. Они применяются для измерения точного времени и исследования сигналов в осциллографах, частотомерах, мультиметрах, в электронных часах, в ЭВМ и т.д.

Генератор может применяться в качестве источника импульсов со стабильной частотой, в качестве опорного интервала времени. Генераторы широко применяются в радиопередающих и радиоприемных устройствах, в телевизионной технике.

Генераторы классифицируются по форме и параметрам вырабатываемых колебаний, по области применения. Различают генераторы синусоидальных колебаний и релаксационные генераторы, генераторы линейных импульсов. По назначению генераторы бывают измерительные, используемые в средствах связи, медицине, технологических устройствах, в вычислительной технике.

Генераторы в зависимости от назначения должны обеспечивать колебания в широком диапазоне частот от долей герц до десятков гигагерц.

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

3

генератором, принципы работы которого рассмотрим более детально.

Структурная схема автогенератора (рис. 1.120) включает источник питания (ИП), активный четырехполюсник (АЧ), пассивный четырехполюсник (ПЧ). Автогенератор - нелинейное устройство, так как включает активные элементы.

Активный четырехполюсник содержит активный элемент, который может быть диодом с отрицательным участком вольтамперной характекристики, полевым или биполярным транзистором, лампой и т.д. Активный элемент обеспечивает подачу энергии от источника питания в колебательную систему (КС). Пассивный четырехполюсник включает колебательную систему, цепь обратной связи и внешнюю нагрузку.

Колебательная система в зависимости от диапазона генерируемых частот может быть на основе LC – контуров (LC – генераторы), резистивноемкостных схем (RC – генераторы), на основе пьезоэлектрических резонаторов, на устройствах активноповерхностных волн (АПВ).

Процесс возбуждения колебаний происходит при включении источника питания, при этом в колебательную систему вносится извне некоторое количество энергии в виде флуктуации зарядов. Колебательная система выделяет спектральную составляющую с частотой, равной еѐ собственной частоте, которая за счет цепи положительной обратной связи подается на вход активного четырехполюсника и усиливается. Усиленные колебания снова поступают в контур. Режим нарастания амплитуды колебаний называется переходным, а режим, когда устанавливается постоянное значение амплитуды – стационарным режимом работы автогенератора. Переход в стационарный режим обусловлен нелинейными свойствами активного четырехполюсника. При достижении определенного значения амплитуды коэффициент усиления активного четырехполюсника уменьшается и амплитуда сигнала не изменяется (рис.

2.120).

4

5

Так как резонансная система настроена на первую гармони-

ку, то

Первое условие — называется балансом амплитуд. Второе условие — называется условием баланса фаз. Оно позволяет определить частоту генерируемых колебаний. В комплексной форме эти условия можно записать:

вившийся) режим работы автогенератора, амплитуду и частоту ге-

6

нерируемых колебаний. Условием возникновения и нарастания амплитуды колебаний является выполнение неравенства

Так как в момент возникновения колебаний их амплитуда мала, К и Кос представляют постоянные дифференциальные

параметры, соответствующие линейной схеме замещения активной цепи.

В интервале времени, когда колебания нарастают, переход-

ный режим, К и Кос представляют средние по первой гармо-

нике коэффициент усиления и коэффициент обратной связи, они

зависят от напряжения на входе. Коэффициент K по модулю уменьшается с ростом амплитуды сигнала на входе активного четырехполюсника.

2.17.2. Генераторы гармонических колебаний

Широкое применение получили транзисторные автогенераторы гармонических 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 — контур подключен в цепь коллектора биполярного транзистора (либо в цепь стока полевого транзистора, или в цепь анода), второй вариант — контур включен в цепь базы (затвора, сетки), — условия самовозбуждения автоколебаний такие же, как и в первом варианте.

Самовозбуждение автогенератора с трансформаторной связью в схеме с полевым транзистором (рис. 2.121) можно проанализировать на основе предположения, что электронный прибор можно заменить управляемым источником тока выходной схемы, ток которого линейно зависит от управляющего напряжения:

i i0 SдифU , Sдиф - крутизна вольтамперной характери-

стики транзистора в рабочей точке. Такое предположение вполне обосновано, так как в момент возбуждения колебания малы и ак-

7

тивный элемент обладает линейной зависимостью тока от напряжения.

Рис 1.121

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

становится неустойчивой; любое возмущение колебательного контура приводит к появлению такого сигнала положительной обратной связи, который, складываясь с первоначальным возмущением, увеличивает этот сигнал. Анализ стационарного режима необходимо проводить с установления режима работы автогенератора. Известно, что усилительный элемент может работать в недонапряженном, критическом или перенапряжѐнном режиме (рис. 2.122, рис 2.123). На рис. 2.122 приведены статические характеристики

iвых(Uвых) при постоянных Uвх для лампы (а), биполярного (б) и полевого (в) транзисторов.

8

Внедонапряжѐнном режиме КПД генератора мало, поэтому обычно автогенераторы работают в критическом, слегка перенапряжѐнном режиме.

Внедонапряжѐнном режиме работы усилительного элемента для расчѐта параметров генерируемого колебания можно пользоваться статическими характеристиками: статической зависимостью от амплитуды входного напряжения среднего значения крутизны по

первой гармонике S1СТ (U вх ) и колебательной характеристикой

I1СТ (Uвх ) .

В перенапряженном режиме для определения стационарных амплитуд необходимы динамические характеристики S1дин (U вх ) ;

S1дин (U вх ) .

Рис. 2.123

Стационарные амплитуды получаются пересечением зависимостей крутизны колебательной характеристики с линиями обратной связи (рис. 2.124).

Уравнения S1Ry=1, Xy=0 описывают стационарные режимы работы одноконтурных схем автогенераторов. Из уравнения

При этом Ry вычисляем на частоте к. Вид функции S1(Uвх) зависит от положения рабочей точки на статической характеристике активного элемента iвых(Uвх), которое задается смещением Ес и от характера режима. Существуют два вида зависимости средней кру-

10