34

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИИ

Пермский государственный университет

Кафедра экспериментальной физики

Lc Автогенераторы

Методические указания

Пермь 2002

Составители: доц. Н.Н.Коротаев, доц. И.Л.Вольхин

УДК 621.38

LC-автогенераторы: Методические указания/ Перм. ун-т; Сост. Н.Н.Коротаев, И.Л.Вольхин. - Пермь, 1998. - 31 с.

В издании рассмотрены принципы работы и приведены характеристики LC-генераторов, даны рекомендации по выполнению лабораторной работы. Оно соответствует программам курсов “Основы радиоэлектроники”, “Радиофизика и электроника”, “Основы электроники” и “Радиоэлектроника”.

Предназначено для студентов физического факультета специальностей “Радиофизика и электроника”, “Физика твердого тела” и “Физика”, а также студентов географического и геологического факультетов.

Ил. 19. Таб. 4. Библиогр. 3 назв.

Печатается по постановлению методической комиссии физического факультета Пермского университета

Введение

Генератором называется преобразователь электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока.

Для того чтобы в колебательном контуре транзисторного генератора происходили колебания высокой частоты, необходимо подавать на базу биполярного или затвор полевого транзистора соответствующее напряжение возбуждения U_б или U_з. По способу возбуждения колебаний генераторы делятся на генераторы с независимым (внешним) возбуждением и автогенераторы.

В генераторах с независимым возбуждением напряжение U_б (U_з) подается от постороннего источника ЭДС высокой частоты. В принципе генератор с независимым возбуждением является резонансным усилителем колебаний.

В генераторах с самовозбуждением (автогенераторах) напряжением возбуждения служит часть напряжения, снимаемая с колебательного контура самого генератора и подводимая к базе биполярного или затвору полевого транзистора с помощью специальной цепи обратной связи. Только наличие обратной связи создает возможность для возбуждения в схеме устойчивых колебаний без воздействия внешнего источника. На рис.1 приведены схемы автогенераторов с индуктивной (трансформаторной) обратной связью.

В этих схемах Е_п служат для создания коллекторного и стокового питания, а Е_б – для создания смещения на базе транзистора (относительно эмиттера), а Е_з – для задания отрицательного смещения на затвор полевого транзистора (относительно истока). Все источники питания шунтированы конденсаторами для уменьшения их сопротивления по переменному току.

1. Условия самовозбуждения

Возникновение колебаний в автогенераторе можно представить следующим образом. В момент включения схемы во всех цепях генератора проходят кратковременные импульсы токов, заряжающих емкости схемы. Одиночный импульс образует сплошной спектр колебаний, одно из которых обязательно совпадет с собственной частотой колебательной системы генератора. В контуре возникнут колебания с частотой, зависящей от параметров L и С (ударное возбуждение). По цепи обратной связи напряжение данной частоты поступит на базу биполярного или затвор полевого транзистора. Под действием этого напряжения коллекторный или стоковый ток транзистора будет изменяться с той же частотой. Переменная составляющая этого тока, проходя через контур, будет усиливать возникшие в нем колебания. Амплитуда колебаний будет нарастать до тех пор, пока энергия, вносимая в контур, не сравняется с энергией потерь. После этого в схеме установятся колебания с постоянной амплитудой.

Процесс возникновения колебаний в автогенераторе называется самовозбуждением. Для получения в контуре незатухающих колебаний необходимо выполнение условий самовозбуждения. Представим автогенератор как генератор с внешним возбуждением, вход и выход которого соединены линией обратной связи. Выше говорилось, что генератор с внешним возбуждением является усилителем. Тогда автогенератор можно представить в виде схемы, изображенной на рис.2.

Применим к данной схеме теорию усилителей с обратной связью. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью , где ‑ комплексный коэффициент усиления усилителя без обратной связи, ‑ комплексный коэффициент обратной связи. Если на некоторой частоте  произведение - действительное положительное число, то при будет происходить неограниченное увеличение . Для усилителя с обратной связью равенство , выполняемое на соответствующей частоте, определяет амплитуду незатухающих колебаний, возникающих в усилителе, превращающемся в этом случае в генератор незатухающих колебаний. Любое слабое возмущение на входе системы (рис.2) начнет циркулировать по кольцу, его амплитуда увеличивается в усилителе и убывает в цепи обратной связи. Если коэффициент передачи при этом движении по кольцу по модулю больше единицы, то колебания будут нарастать, а если меньше единицы – будут убывать.

Для того чтобы в кольце существовали незатухающие колебания, на вход системы из цепи обратной связи должен поступать сигнал, амплитуда и фаза которого совпадают с амплитудой и фазой сигнала на входе, вызвавшего распространение колебаний по кольцу обратной связи (положительная обратная связь). Это может иметь место только в том случае, когда коэффициент передачи по разомкнутому кольцу в виде последовательного соединения “усилитель + система обратной связи” (рис.3) =1. или . Это уравнение распадается на два:

К=1 - условие баланса амплитуд,

_к+_=2n ‑ условие баланса фаз. Здесь n=0,1,2,3…

Условия 1 и 2 являются условиями существования стационарных (установившихся) колебаний в кольце обратной связи. Из условия баланса амплитуд можно определить амплитуду установившихся колебаний при выбранном значении коэффициента обратной связи . Ответ на вопросы, как нужно выбирать коэффициент , и как этот выбор влияет на амплитуду колебаний в схеме, можно получить из колебательных характеристик генератора. Для их построения воспользуемся представлением автогенератора в виде генератора с независимым возбуждением, вход и выход которого соединены цепью обратной связи (рис.2). Теперь разорвем обратную связь. Тогда получим генератор с внешним возбуждением.

Рассмотрим сначала генератор на биполярном транзисторе. Пусть на базе имеется переменное напряжение U_б. В коллекторной цепи транзистора будет протекать ток, первая гармоника которого равна I_к=h_21эI_б. Здесь h_21э – коэффициент усиления тока базы в схеме с общим эмиттером. На контуре появится напряжение U_к=I_кR_экв. ( ‑ сопротивление контура на резонансной частоте, R – омическое сопротивление контура). В первом приближении I_б пропорционально U_б. Тогда I_К=f(U_б) и U_к=f(U_б).

В случае генератора на полевом транзисторе при появлении на затворе переменного напряжения U_з в цепи стока потечет ток I_с=S_ср U_з, где S_ср – средняя крутизна проходной характеристики полевого транзистора. На контуре появится напряжение U_с=I_с R_экв=S_ср U_з R_экв. В генераторах на биполярном и полевом транзисторе учитывается только ток первой гармоники I_к или I_с и, соответственно, падение напряжения на контуре только за счет этих гармоник, так как для всех остальных гармоник сопротивление контура очень мало.

Зависимость первой гармоники коллекторного (стокового) тока генератора или напряжения на контуре за счет этих гармоник в генераторе с разомкнутой цепью обратной связи от напряжения возбуждения U_б или U_з, снятая при постоянном смещении на базе Е_б или на затворе Е_з называется колебательной характеристикой.

Рассмотрим ламповый генератор. При Е_C=2В лампа открыта (рабочая точка А, рис.4) и увеличение амплитуды переменного напряжения на ее сетке приводит к пропорциональному возрастанию I_А1 и U_К, так как лампа работает на линейном участке анодно-сеточной характеристики.

При дальнейшем увеличении амплитуды сигнала на сетке форма импульсов анодного тока вначале искажается и в дальнейшем ограничивается, что связано с нижним и верхним загибами анодно-сеточной характеристики. Поэтому колебательная характеристика U_К=f(U_С) при малых амплитудах напряжения на сетке будет линейной, а при дальнейшем увеличении U_С произойдет отклонение от линейности и загиб, как это показано на рис.5 (кривая 1).

При большом напряжении смещения Е_С (рабочая точка В, рис.4) первоначальное увеличение переменного напряжения на сетке приводит сначала к малому возрастанию анодного тока I_А1 и выходного напряжения U_К из-за малой крутизны анодно-сеточной характеристики. По мере роста амплитуды U_С лампа начинает работать на средней части характеристики и при дальнейшем росте U_С происходит ограничение I_А1 и U_К из-за верхнего загиба этой характеристики. В связи с этим колебательная характеристика U_К=f(U_C) принимает S - образную форму (кривая 2).

Рассмотрим теперь транзисторный автогенератор. Переходная характеристика транзистора I_К=f(U_Б), включенного по схеме с общим эмиттером, представлена на рис.6. При напряжении смещения Е_Б=0,6В (рабочая точка А) первоначальное увеличение переменного напряжения на базе приводит к пропорциональному увеличению коллекторного тока, так как транзистор работает на линейном участке характеристики. При дальнейшем увеличении сигнала на входе транзистора форма импульсов коллекторного тока сначала искажается, а затем ограничивается из-за верхнего и нижнего загибов переходной характеристики. Поэтому колебательная характеристика U_К=f(U_Б) будет линейной при малых и нелинейной при больших амплитудах U_Б (кривая 1 на рис.5).

При работе с малым напряжением смещения (рабочая точка В, рис.6) колебательная характеристика U_К=f(U_Б) будет иметь S – образную форму (кривая 2, рис.5).

Теперь замкнем цепь обратной связи, т.е. перейдем от усилителя или генератора с независимым возбуждением к автогенератору. Колебательные характеристики при этом останутся прежними. В генераторе с самовозбуждением величина переменного напряжения, подаваемого на управляющий электрод усилительного элемента (на сетку лампы или на базу транзистора), зависит от коэффициента обратной связи: U_С=U_К или U_Б=U_К. Можно также написать U_ВХ=U_ВЫХ, так как U_С и U_Б есть входное напряжение, а U_К – выходное. При заданных  и К величина напряжения возбуждения зависит от величины выходного напряжения U_К и эта зависимость выражается прямой линией. На рис.7 изображена колебательная характеристика, ранее показанная на рис.5 (кривая 1), и семейство прямых обратной связи, построенных для различных , причем ₁₂₃₄.

Пусть коэффициент обратной связи равен ₂. Предположим, что при включении генератора в контуре возникнут слабые колебания U_ВЫХ1, которые благодаря обратной связи создадут на входе напряжение U_ВХ1. Напряжение U_ВХ1, усилившись, даст на выходе напряжение U_ВЫХ2. За счет обратной связи на входе появится напряжение U_ВХ2U_ВХ1. Напряжение U_ВХ2 после усиления даст на выходе напряжение U_ВЫХ3. Таким образом, колебания будут нарастать до тех пор, пока система не придет в состояние, соответствующее точке А, т.е. точке пересечения колебательной характеристики с линией обратной связи. В этом случае генератор будет иметь выходное напряжение U_ВЫХА. Если при включении генератора в контуре возникнут весьма большие колебания с напряжением U_ВЫХ4, то при обратной связи ₂, как видно из рис.7, их амплитуда уменьшится и генератор придет в состояние, соответствующее точке А. Аналогичным образом можно получить установившиеся выходные напряжения U_ВЫХ при коэффициентах обратной связи ₃ и ₄. Выходные напряжения U_ВЫХ в этом случае определяются точками В и С. Легко видеть, что при обратной связи ₁ любые колебания, возникшие в контуре, будут затухать.

Из рис.7 видно, что по мере увеличения  напряжение U_ВЫХ постепенно нарастет. При уменьшении  амплитуда колебаний постепенно уменьшается. Режим самовозбуждения, при котором колебания в генераторе начинают плавно нарастать от нуля, т.е. возбуждаются самостоятельно без внешнего толчка, носит название мягкого режима самовозбуждения. Во всех случаях, когда прямая обратной связи находится под кривой колебательной характеристики, произведение К1. Когда же прямая  лежит выше колебательной характеристики, К1. В точке пресечения прямой  и колебательной характеристики К=1.

По колебательной характеристике и набору прямых обратной связи легко получить зависимость U_ВЫХ=f(), которая изображена на рис.8.

Иной характер имеет самовозбуждение при S – образной колебательной характеристике. Совместив ее с семейством прямых обратной связи, получим рис.9. Линия, соответствующая связи ₂, пересекает колебательную характеристику в двух точках: А и С. Легко убедиться, что в точке А система будет находиться в неустойчивом состоянии. Действительно, если в момент включения возникнут колебания, которые создадут возбуждение меньшее, чем U_ВХ1, то их амплитуда уменьшится до нуля. При амплитудах возбуждения больших, чем U_ВХ1, амплитуда колебаний будет нарастать до значения, определяемого точкой С. Если же колебания возникнут в тот момент, когда система находится в состоянии, обозначенном точкой А, то в зависимости от случайных обстоятельств амплитуда колебаний либо уменьшится до нуля, либо система перейдет в устойчивое состояние, соответствующее точке С. Очевидно, что при любом коэффициенте обратной связи ₁ колебания возникнут, если в момент включения в контуре появятся достаточно сильные колебания, которые смогут далее самостоятельно нарастать до амплитуд, соответствующих точкам С и D. Сильные колебания можно вызвать резким включением напряжения питания генератора. Если увеличивать напряжение питания начиная от нуля, то колебания при коэффициентах связи ₃ не возникнут. Если включить напряжение питания генератора при =0, а затем начать увеличивать обратную связь, то колебания возникнут только тогда, когда  достигнет величины ₃ и будут существовать при всех ₃. Скачкообразное возникновение колебаний при увеличении обратной связи характерно для жесткого режима самовозбуждения.

Важным показателем режима работы генератора является его КПД. Он представляет собой отношение полезной (колебательной) мощности к мощности, подводимой от источника питания %. Полезная мощность (R_Н – сопротивление нагрузки). Подводимая мощность Р=U_ПИТI_ПИТ. Чтобы увеличить , необходимо уменьшить потребляемую мощность, снизив ток I_ПИТ, потребляемый генератором от источника питания. Ток I_ПИТ будет небольшим, если лампа лампового генератора работает на нижнем загибе анодно-сеточной характеристики в точке В (Е_С=-6В) или еще левее (рис.4). В этом случае колебательная характеристика имеет S – образную форму и генератор работает в жестком режиме. Однако в жестком режиме генератор трудно возбуждается. Поэтому в момент включения генератор должен работать в режиме мягкого самовозбуждения, после чего он должен автоматически перейти в жесткий режим. Для этого в ламповом генераторе применяют цепочку автоматического смещения – гридлик (grid – сетка, leak – утечка), как это показано на рис.10а.

Рис.10. Получение автоматического смещения от сеточного сопротивления (гридлика)

t

А

I_А

Последовательно с сеткой и катушкой обратной связи включается цепочка RC. При включении генератора величина напряжения смещения Е_С=0 (рабочая точка А расположена на участке характеристики лампы с большой крутизной (рис.10б)) и генератор начинает работать в мягком режиме. Появившееся напряжение на катушке обратной связи поступает на сетку и в моменты, когда напряжение на сетке оказывается положительным, по сопротивлению R протекает сеточный ток I_С. Этот ток создает на сопротивлении R падение напряжения с полярностью, показанной на рис.10а. Напряжение на сопротивлении R является пульсирующим. Конденсатор С, подключенный параллельно R, сглаживает пульсации и повышает постоянное напряжение, приближая его к величине амплитуды переменного напряжения. Для того, чтобы конденсатор выполнял эту роль, постоянная времени цепочки R и С =RС должна быть больше периода колебаний Т.

Напряжение на гридлике, знаком “” приложенное к сетке, а знаком “+” (через катушку обратной связи) – к катоду лампы, является напряжением смещения Е_С.

Из рис.10б видно, что по мере нарастания амплитуды колебаний на катушке обратной связи напряжение смещения увеличивается и рабочая точка из положения А переходит в положение В. Таким образом, генератор легко возбуждается в мягком режиме, а затем автоматически переходит в экономичный жесткий режим.

Описанный процесс установления колебаний при автоматическом смещении имеет место при условии, что постоянная времени гридлика =RС сравнительно невелика. Если величины R и С слишком велики, то может возникнуть следующее явление. После включения автогенератора процесс зарядки конденсатора будет протекать длительное время и нарастание отрицательного смещения Е_С произойдет очень медленно. В течение некоторого промежутка времени смещение останется близким к нулю и колебания будут быстро нарастать. При этом сеточный ток I_С достигнет столь большого значения, что отрицательное смещение Е_С=I_СR возрастет до большой величины и запрет лампу, что, в свою очередь, приведет к прекращению генерирования колебаний. Затем будет происходить медленный разряд конденсатора С через сопротивление R и смещение Е_С будет уменьшаться до тех пор, пока лампа не откроется. Тогда генератор заработает снова. Далее процесс возникновения и исчезновения колебаний будет п

ериодически повторяться. Графически явление “прерывистой генерации” показано на рис.11.

В транзисторном генераторе режим работы транзистора может быть задан с помощью фиксированного смещения, как это показано на рис.1. Если ЭДС батареи Е_Б=0,6В, то рабочая точка на переходной характеристике транзистора (рис.6) находится на прямолинейном участке (точка А) и генератор работает в режиме мягкого самовозбуждения. При Е_Б=0,15В (точка В) или меньше генератор работает в жестком режиме. Колебательные характеристики генератора, работающего в мягком и жестком режиме, показаны на рис.5. Кривая 1 относится к генератору с мягким самовозбуждением, кривая 2 – с жестким. Однако фиксированное смещение на практике применяется очень редко. Значительно чаще используется автоматическое смещение (рис.12). Через делитель напряжения R₁R₂ протекает ток делителя I_Д. Падение напряжения на резисторе R₂, равное I_ДR₂, знаком “+” через катушку обратной связи подается на базу транзистора. Кроме этого напряжения между базой и эмиттером действует еще одно напряжение U_Э=I_ЭR_Э, которое образуется из-за протекания эмиттерного тока I_Э, через резистор R_Э. Полярность этого напряжения показана на рис.12, из которого видно, что напряжение смещения Е_Б, приложенное между базой и эмиттером, равно разности Е_Б=I_ДR₂I_ЭR_Э. Если эта разность равняется +0,6В, то рабочая точка на переходной характеристике транзистора (рис.6) находится на линейном участке (точка А) и генератор будет работать в режиме мягкого возбуждения. При нарастании колебаний и появлении отсечки коллекторного (и эмиттерного) тока падение напряжения на эмиттерном резисторе R_Э увеличится и разность Е_Б=I_ДR₂I_ЭR_Э уменьшится. При этом рабочая точка из положения А сдвинется влево, например, в положение В (Е_Б=0,15В) и генератор автоматически переходит в жесткий режим работы. Конденсатор С_Э, включенный параллельно R_Э, служит для сглаживания пульсаций напряжения смещения и устранения отрицательной обратной связи по переменному току. Поэтому его сопротивление на рабочей частоте генератора должно быть значительно меньше R_Э. Конденсатор С₂ при условии Х_С2R₂ вместе с конденсатором С_Э позволяет без потерь передавать напряжение обратной связи с катушки обратной связи на участок эмиттер-база транзистора.

Переход из режима мягкого возбуждения в жесткий режим работы можно также получить с помощью цепочки R_БС_Б, которая на рис.12 показана пунктиром. В этом случае цепочка R_ЭС_Э не ставится.