3564
.pdf
тизны S1 от амплитуды (Uвх):1) S1(Uвх) монотонно падает с ростом
(Uвх) (рис. 2.124, а),
2) S1(Uвх) при малых (Uвх) равна нулю, затем нарастает, проходит через максимум, затем спадает (рис. 2.124, б).
|
|
|
|
|
U вх1. |
U вх2. |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
U вх. |
||||||
a) |
|
б) |
||||
Рис. 2.124
Амплитуда напряжения (Uвх) в точках, удовлетворяющих |
||||||
уравнению автогенератора S1(Uвх)= |
1 |
, определяется пересечением |
||||
|
||||||
|
Ry |
|
|
|
|
|
зависимости средней крутизны от Umвх и линией |
1 |
. Линии |
1 |
|
||
|
|
|
||||
|
|
|
Ry |
Ry |
||
пересекают первый тип зависимостей 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. 2.125 а). Кроме емкостной трехточки, применяется индуктивная трехточка (рис. 2.125, б). Эквивалентные схемы емкостной и индуктивной трехточек представлены на рис. 2.126, где а) обобщенная трѐхточечная схема;б) индуктивная трѐхточечная схема; в) ѐмкостная трѐхточечная схема.
11
С4
Рис. 2.125
Условие баланса амплитуд и фаз позволяют определить ха-
|
рактер сопротивлений |
Z1 , |
Z |
2 , |
Z3 . |
|
|
|
|
|
|
Если ( |
s)<20...300, что при частотах fo<0,5fs (fs–граничная |
||||
частота транзистора) действительно выполняется, то можно считать
транзистор безынерционным элементом, и ( |
s)=0. Тогда полага- |
|
ем, что крутизна – вещественна. |
|
|
. |
. |
|
Тогда S1 |
S1 , Z y Ry . Так как колебательные системы |
|
должны обладать малыми потерями, то активные сопротивления в
|
r1 |
jx , |
|
r2 |
jx |
, |
r3 |
jx малы: |
|
|
|
||
Z1 |
1 |
Z 2 |
2 |
Z3 |
3 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
(r2 jx2)(r3 jx3) |
|
x2 |
x3 |
. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
j( x1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Z y |
r1 r2 r3 |
x2 x3) |
r |
j x |
|||||
а) |
б) |
в) |
Рис. 2.126
12
Из этого уравнения можно предположить, что X2 X3>0, так как Х=Х1+Х2+Х3, Х=0. Поэтому знаки реактивных сопротивлений Х2, Х3 должны совпадать, а сопротивление Х1 должно иметь противоположный знак.
Возможны два варианта трехточечных схем автогенерато-
ров:
а) схема индуктивной трехточки, когда X2>0, X3>0, X1<0
(рис. 2.126, б),
б) схема емкостной трехточки X2<0, X3<0 (имеют емкостный характер), а X1>0 (индуктивный характер) (рис. 2.126, в).
Важным достоинством одноконтурных трехточечных схем является единственная частота генерации, близкая к собственной частоте колебательного контура, и исключены перескоки частоты, как в многоконтурных схемах.
2.17.3. Режимы работы автогенераторов
Колебательной характеристикой называется зависимость амплитуды тока Iвых от управляющего напряжения. Для биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, это зависимость Iк1 от
управляющего напряжения на базе транзистора Iк1= |
(Uбэ). Вид |
колебательной характеристики зависит от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора (рис. 2.127).
Когда рабочая точка расположена на середине линейного участка проходной характеристики (А), транзистор работает колебаниями первого рода. В этом случае переменный ток iвых в выходной цепи генератора протекает на протяжении всего периода колебаний во входной цепи (рис. 2.127а).
вых
Рис. 2.127
13
Т.к. рабочая точка находится на прямолинейном участке проходной характеристики, то приращение выходного тока прямо пропорционально приращению входного напряжения в пределах линейного участка. При увеличении амплитуды входного напряжения за пределами линейного участка дальнейший рост амплитуды выходного тока уменьшается из-за нелинейности верхнего и нижнего участков проходной характеристики. Это соответствует недонапряженному режиму работы генератора. Недонапряженный режим характеризуется малым КПД. Колебательная характеристика имеет выпуклую форму (I) (рис. 2.127, б).
Если рабочая точка на проходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока В (режим колебаний второго рода), то колебательная характеристика начинается несколько правее нуля. По мере увеличения управляющего напряжения колебательная характеристика имеет верхний и нижний из-
гиб (II) (рис. 2.127, б).
Линия обратной связи представляет зависимость напряжения обратной связи от тока в выходной цепи транзистора (рис
2.127, в).
В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике различают мягкий (рис. 2.128а) и жесткий режимы самовозбуждения автогенераторов.
Мягкий и жѐсткий режим самовозбуждения
Рис. 2.128
Мягкий режим самовозбуждения. Точка пересечения ко-
лебательной характеристики с линией обратной связи определяет
14
устойчивое состояние автогенератора. Если в выходной цепи усилительного элемента возникает ток Iвых 1, а следовательно и в колебательном контуре, этот ток образует по цепи обратной связи напряжение U1, которое создает в выходной цепи ток I2. Так колебания будут нарастать до точки А. Если же Iвых увеличится до значения I5, то по линии обратной связи ток Iвых уменьшится до значения
Iустан. это означает, что потери в контуре будут больше и напряжения на вход по цепи обратной связи будут меньше. Точка А будет
точкой устойчивого состояния. На участке, где колебательная характеристика проходит над линией обратной связи, энергия вносимая в контур больше, чем теряемая в контуре, и амплитуда колебаний увеличивается. В области, где колебательная характеристика проходит над линией обратной связи потери в контуре больше и амплитуда колебаний уменьшается.
При мягком режиме самовозбуждения происходят колебания первого рода в недонапряженном режиме, которые возникают после включения источника питания и самостоятельно нарастают.
Жесткий режим самовозбуждения. Рассмотрим режим са-
мовозбуждения, когда рабочая точка выбрана на проходной характеристике в области отсечки. Такому положению рабочей точки соответствует колебательная характеристика (рис. 2.128, б). В области I колебательная характеристика проходит под линией обратной связи. Это означает, что поступаемая энергия в контуре меньше потерь и колебания не возникают. Колебания могут нарастать только в области II, где пополнение в контур больше, чем их потери. Но для их возникновения необходимо внешнее возбуждение автогенератора напряжением амплитуды Uвозб>Uн. Самопроизвольно генератор возбудиться не может. Такой режим называется жестким режимом. Жесткий режим происходит колебаниями второго рода, когда выходной ток протекает на протяжении части периода изменения входного напряжения. Ток в выходной цепи усилительного элемента имеет форму периодической последовательности импульсов, их продолжительность зависит от значения напряжения смещения.
15
2.17.4 Способы подачи смещения в автогенераторах
В схемах автогенераторов применяются различные способы подачи смещения: от отдельного источника, автоматическое, комбинированное.
Смещение от отдельного источника можно получить от выпрямителя, достоинство такого типа смещения — постоянство напряжения смещения, недостаток — увеличение габаритных размеров устройства.
Зависимость амплитуды колебаний Umвх от смещения Ес при заданном значении статической крутизны S и управляющего сопротивления Ry называется диаграммой срыва. Диаграмма срыва может
быть построена, |
заменив в уравнении S1 U вх |
1 |
среднюю кру- |
|||||
|
||||||||
Rу |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
тизну S1 произведением S 1 . |
|
|
|
|
|
|||
Получим |
1 ( ) |
1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
SRy |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
При данном значении произведения SRу коэффициент |
1 |
и |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
угол отсечки 
постоянны. Поэтому амплитуда Uбэ должна меняться от напряжения смещения так, чтобы угол отсечки оставался неизменным. Отсюда следует, что Uбэ от Ес зависит линейно. Зависимость Uбэ(Ес) представляет пучок прямых, проходящих через
точку (Ес=Е/; Uбэ=0) с угловым коэффициентом, равным |
1 |
|
|
||
cos |
||
|
||
(рис. 2.129). |
|
16
Рис. 2.129
Схемы автогенераторов с внешним смещением представлены на рис. 2.130, где схема с трансформаторной связью (а-в) и с автотрансформаторной связью (г), соответственно.
Смещение в схеме с общей базой подается на эмиттерный вывод, в схеме с общим эмиттером — на базовый вывод. Режим возникновения генерации мягкий, вначале усиление колебаний без ограничения, затем по мере роста амплитуды наступает ограничение за счет отсечки тока.
Рис. 2.130
Автогенераторы с внешним смещением обычно работают в недонапряженном режиме, что обеспечивает незначительные искажения формы синусоидальных колебаний и более высокую стабильность частот. Схемы автогенераторов с автоматическим смещением представлены на рис. 2.131.
17
а) |
б) |
|
Рис. 2.131 |
В автогенераторах с автосмещением напряжение положительной обратной связи, снимаемое с контура, подается в цепь эмиттера (с эмиттерным автосмещением) или в цепь базы (базовое автосмещение).
На рисунке 2.131( а) схема с ОБ, б) схема с ОЭ) представлены схемы автогенераторов, в которых напряжение положительной обратной связи подается в цепь эмиттера через разделительный конденсатор Сэ .
На рисунке 2.132 схемы автогенераторов с базовым смещением. В этих схемах включены RбCб –цепи. Через конденсатор Cб к базе транзистора подводится напряжение обратной связи. После включения питания на основании условия K Koc>1 амплитуда колебаний возрастает. С ростом амплитуды колебаний напряжение на контуре приближается к напряжению питания, наступает перенапряженный режим, при котором импульсами тока через отпирающийся коллекторный переход осуществляется заряд конденсатора Cб, возникает смещающее напряжение Uс, запирающее транзистор, который в связи с этим начинает работать с отсечкой тока. Недостатком этих схем является ухудшение стабильности, что характерно для работы автогенератора с отсечкой тока. Транзистор в автогенераторах с базовым смещением поочередно в течение периода колебаний находится в трех состояниях: запертом (отсечки), отпертом (активном) и насыщения.
18
Рис. 2.132
Комбинированное автосмещение
Мягкий режим работы обладает преимуществом по сравнению с жестким в том, что колебания автоматически возникают в схеме самостоятельно без дополнительного напряжения возбуждения. В то же время при работе в мягком режиме невысок КПД автогенератора, что существенно в схемах мощных генераторов. При колебаниях первого рода при мягком режиме самовозбуждения через транзистор протекает большая постоянная составляющая тока, что приводит к дополнительным потерям энергии. Преимуществом жесткого режима самовозбуждения является более высокий КПД, но для перехода в жесткий режим необходимо дополнительное возбуждение автогенератора. Для повышения КПД транзисторные генераторы обычно работают в режиме колебаний второго рода с уг-
лом отсечки 
900 , т.е. в классе В или С. Использовать преимущества мягкого и жесткого режимов позволяет схемное решение (рис. 2.133), которое обеспечивает положение рабочей точки в начальный момент возбуждения и дальнейшее ее смещение за счет сопротивления R3 и конденсатора Сб.
19
Рис. 2.133
Для возникновения колебаний в мягком режиме начальное смещение должно сдвигать рабочую точку вправо — внешнее от-
пирающее напряжение |
|
R2 |
|
Eк |
. С ростом эмиттерного тока |
|
|
|
|||
|
R1 |
|
R2 |
|
|
возникает падение напряжения на R3, которое перемещает рабочую точку влево проходной характеристики, что соответствует жесткому режиму самовозбуждения. В стационарном режиме напряжение на базе
ЕБ |
|
R2 |
ЕК |
R1 R2 |
I БО R1 I КО I БО |
R1 |
|
|
|||
|
R2 |
R1 R2 |
|||
должно быть меньше напряжения отсечки E
. Делитель R1R2 обеспечивает отпирающее смещение Eб1 , которое выводит рабочую точку в область максимальной крутизны – мягкий режим самовозбуждения. При этом транзистор открывается, за счѐт токов I ко , I эо , I бо на базе транзистора появляется автоматическое смещение.
Определим его величину
Еб Еб1 Еб2 Еб3 ,
где Eб1 
R1 R2 R2 Eк - напряжение отпирающего смещения,
20