21.2. Высокочастотные гармонические генераторы

Обобщенная схема классического автогенератора приведена на рис. 21.3. Его основу составляет резонансный усилитель с колебательным контуром LC, катушка которого индуктивно связана с катушкой обратной связи L_ос, выполняющей роль четырехполюсника обратной связи. Величина взаимоиндукции между катушками равна М. Для обеспечения положительной обратной связи катушки L и L_ос должны быть включены встречно (показано точками на рис. 21.3).

Стационарный режим работы, условия баланса амплитуд и фаз. Комплексный коэффициент передачи резонансного усилителя равен отношению комплексных амплитуд напряжений на его выходе и входе:

К=U_вых / U_ос=I₁ Z_k /U_ос=S_ср Z_k, (21.6)

где I₁ - комплексная первая гармоника тока через колебательный контур,

Z_k– комплексное сопротивление колебательного контура,

S_ср=I₁ / U_ос- комплексная средняя крутизна вольтамперной характеристики транзистора в рабочей точке.

С учетом (21.6) условие (21.1) запишется следующим образом:

S_ср Z_kК_ос= 1 , (21.7)

что приводит к новым выражениям условий баланса амплитуд

S_ср Z_kК_ос= 1 (21.8)

и баланса фаз

φ_s + φ_z+φ_ос = 2 π n, (21.9)

здесь S_ср , Z_k,К_осявляются модулями, аφ_s , φ_z,φ_ос - аргументами комплексных величинS_ср , Z_k,К_ос.

На частоте резонанса колебательного контура LC (частота гармонических колебаний автогенератора очень близка к ней) модуль сопротивленияZ_kимеет максимальное значение, равноеR₀ , а сдвиг фазφ_zравен нулю. Условие баланса амплитуд приобретает вид:

S_ср R₀ К_ос= 1 . (21.10)

При инженерных расчетах автогенератора может быть полезен тот факт, что величина коэффициента обратной связи К_осчисленно равна коэффициенту связиk_свдвух магнитно связанных катушекL иL_оспри величине взаимной индукцииМ:К_ос=k_св= .(21.11)

Практическая схема классического автогенератора.На рис. 21.4 показана электрическая схема высокочастотного гармонического автогенератора с трансформаторной обратной связью. Эту схему принято называть классической. Частично включенный колебательный контурLCпоследовательно включен в нагрузочную цепь биполярного транзистораp-n-p-типа c общим эмиттером. РезисторR_э блокирован конденсаторомC_э для устранения отрицательной обратной связи по переменному току. РезисторыR₂ , R₁ обеспечивают необходимое начальное положение рабочей точки. КонденсаторС_рявляется разделительным. ФильтрR_ф , C_ф в цепи питания исключает проникновение токов рабочих частот в источник питания, исключая тем самым возможность паразитных связей между каскадами устройства по цепям питания.

Исходное положение рабочей точки А (рис. 21.5) на входной характеристике транзистора обеспечивает возможно большее значение крутизны транзистора S , необходимое для выполнения условия самовозбуждения S Z_k К_ос > 1, при этом в системе возникают и начинают расти автоколебания. По мере их роста начинается отсечка базового тока, что приводит к появлению постоянной составляющей тока, которая заряжает конденсатор С_р, смещая рабочую точку влево до тех пор (положение С), пока величина крутизны не снизится до значения S_ср,удовлетворяющего условию(21.10) стационарного режима работы.

Мягкий и жесткий режимы работы автогенератора. Применительно к автогенераторным устройствам существуют два понятия: мягкий режим работы, жесткий режим работы. Сделаем пояснения с помощью рис. 21.5.

Предположим, что рабочая точка на входной характеристике может занимать либо позицию А, либо позицию С. В первом случае, как было пояснено выше, после пуска генератора в нем плавно, начиная с нуля, колебания нарастают до стационарного уровня. Такой режим работы получил название «мягкий». Положительным качеством такого режима является простота запуска, недостатком – низкий коэффициент полезного действия.

При положении рабочей точки в позиции С генератору необходим внешний толчок для возбуждения в нем колебаний. Этот режим работы получил название «жесткий». Положительным качеством такого режима является высокий коэффициент полезного действия, недостатком – сложность возбуждения в нем колебаний.

В автогенераторе на рис. 21.4 перемещение рабочей точки из положения А в положение С происходит автоматически, что обеспечивает ему два полезных качества:

• легкий и плавный запуск,

• высокий коэффициент полезного действия в стационарном режиме.

Автогенератор на основе операционного усилителя. На рис. 21.6 изображена схема гармонического автогенератора с применением операционного усилителя. РезисторыR₂ иR₁ в цепи отрицательной обратной связи задают операционному усилителю коэффициент усиления по неинвертирующему входу, равный

К = 1 +R₂ /R₁. (21.12)

Конденсатор C_рявляется разделительным для токов рабочей частоты. РезисторRпредохраняет колебательный контурLC от шунтирования низким выходным сопротивлением операционного усилителя. Выход колебательного контура соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, что эквивалентно наличию в системе положительной обратной связи. При этом коэффициент передачи в цепи положительной обратной связиК_ос (на частоте генерации, близкой к резонансной частоте контура) может быть выражен через значения параметров элементов схемы как

К_ос = U₁ / U₂ = R₀ / (R₀ + R) , (21.13)

где R₀ является резонансным сопротивлением параллельного колебательного контура. Для возникновения автоколебаний в схеме необходимо выполнение неравенства (21.5), которое с учетом (21.12 и 21.13) принимает вид:

. (21.14)

Следует иметь в виду, что напряжение U₂на выходе операционного усилителя не является гармоническим. Выходное напряжениеU₁ гармонической формы снимается с колебательного контура. Выражение (21.14) характеризует условие баланса амплитуд в рассматриваемой схеме и является полезным для расчета резисторовR₁, R₂ иRпри известной величинеR₀ . Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контураLC.

Трехточечные автогенераторы. Трехточечными называют автогенераторы, в которых активный элемент (например, биполярный транзистор) своими электродами подключен к трем точкам сложного параллельного колебательного контура. На рисунке 21.7 изображена обобщенная схема такого генератора. Сумма реактивностейХ₁ , Х₂ , Х₃ идеального (без потерь) колебательного контура на резонансной частоте равна нулю

Х₁ + Х₂ + Х₃ = 0 илиХ₁ + Х₂ = − Х₃ .(21.15)

Ясно, что для соблюдения условия (21.15) одна из реактивностей должна иметь знак, противоположный двум другим. Комплексный коэффициент обратной связи, как следует из рис. 21.7, равен

К_ос =U₁ / U₂ = Х₂ / Х₁ + Х₂ =− Х₂ / Х₃. (21.16)

Отсюда следует, что коэффициент обратной связи является действительным отрицательным числом. За счет применения инвертирующего усилителя с общим эмиттером выполняется условие баланса фаз, если реактивностиХ₂ и Х₃ имеют одинаковый характер, а реактивность Х₁ имеет характер противоположный. Таким образом, исходя из условия выполнения баланса фаз в рассматриваемой системе, возможно построить два варианта трехточечных автогенераторов, обобщенные схемы которых представлены на рисунках 21.8 и 21.9. Первый из них получил название емкостного трехточечного автогенератора, другой – индуктивного трехточечного автогенератора.

На рисунке 21.10 изображена схема одного из популярных трехточечных автогенераторов – генератора Хартли. Колебательный контурLСподключен к полевому транзистору тремя точками. Разделительный конденсаторС_рпредохраняет базу транзистора от напряжения источника питания. РезисторR выполняет роль сопротивления утечки. ЭлементыR_И, С_И в цепи истока создают автоматическое смещение рабочей точки, необходимое для обеспечения мягкого режима самовозбуждения автогенератора.

Читателю предоставляется возможность показать, что данный автогенератор сводится к индуктивной трехточечной схеме.

Практическая схема одного из возможных вариантов емкостного трехточечного автогенератора показана на рис. 21.11. Особенностью схемы является параллельное включение колебательного контура, для чего в цепь стока транзистора включен нагрузочный резистор R_к. Он несколько ухудшает добротность колебательного контура. Выходное напряжение генератора может быть снято со стоковой нагрузки транзистора.

Стабильность частоты колебаний автогенератора.При передаче информации по радиоканалам требуется высокая стабильность частоты радиопередающего устройства, недостижимая без принятия специальных мер по стабилизации частоты задающего генератора. Сделаем некоторые пояснения. Обозначим номинальную частоту некоторого высокочастотного автогенератора f₀ . Под действием целого ряда дестабилизирующих факторов (влияние окружающей температуры, нестабильность источников питания, влажность, вибрации, старение элементов схемы и др.) мгновенное значение частоты f_г автогенератора отличается от номинального. Разность f_г – f₀ = Δf носит название абсолютной нестабильности частоты автогенератора. Качество автогенератора принято характеризовать относительной нестабильностью его частоты δ_f = Δf / f₀. Для автогенератора, в котором не предпринято специальных мер по стабилизации частоты, значение относительной нестабильности его частоты δ_f ≈ 10^-3, что не является удовлетворительным. В результате применения целого комплекса конструктивно-технологических мероприятий, таких, например, как:

- применение высокостабильных элементов колебательного контура LС,

- применение высокостабильных источников питания,

- обеспечение минимальной связи с нагрузкой,

- стабилизация режима работы нелинейного элемента,

- термостатирование автогенератора и других мер,

удается достигнуть относительной нестабильности не лучше δ_f> 10^-4… 10^-5, что для систем связи также не является удовлетворительным.

Прежде чем наметить пути решения этой проблемы, рассмотрим упрощенный механизм возникновения нестабильности частоты генератора. Вспомним условие баланса фаз в автогенераторе (21.9) и запишем его в несколько иной форме:

(φ_s + φ_ос ) + φ_z =φ₁+φ_z= 2 π n= 0, (21.17)

гдеφ₁= (φ_s + φ_ос ) является в (21.17) слагаемым, практически не зависящим от частоты, в то время какφ_zявляется частотнозависимым. На рисунке 21.12 оба слагаемых уравнения баланса фаз (21.17) представлены своими частотными зависимостями. Слагаемоеφ₁изображено горизонтальной пунктирной линией, слагаемоеφ_z есть фазовая характеристика колебательного контура. Крутая фазовая характеристика (сплошная кривая) соответствует контуру с высокой добротностью, пологая кривая (пунктир) – контуру с низкой добротностью. Точки пересеченияАиВ графиков слагаемых соответствуют условию выполнения баланса фаз и определяют значение частоты автогенератора (на рисункеf_гиf_г1). Обоюднонаправленными стрелками показано, в каких направлениях перемещаются составляющие фазового баланса под воздействием дестабилизирующих факторов. Из рисунка видно, что при крутой фазовой характеристике абсолютные уходы частоты будут меньше, чем при пологой. Следовательно, для повышения стабильности частоты в автогенераторе необходимо использовать колебательные контуры с наибольшей возможной добротностью. Однако наибольшая достижимая в практике величина добротности колебательного контура не превышает 200…300. Выходом из этой ситуации является использование в качестве колебательной системы в автогенераторе кварцевого резонатора, эквивалентная добротность которого на три-четыре порядка превышает добротность обычного колебательного контура.

Кварцованные автогенераторы.Для стабилизации частоты применяются кварцевые пластинки, вырезанные из монокри­сталла кварца под определенными углами к осям кварца и обладающие пьезоэлектрическим эффек­том. Условное графическое обозначение кварце­вого резонатора показано на рис. 21.13. Кварцевую пластину, поме­щенную в кварцедержатель, называют кварцевым резонатором, сокращенно – кварцем. Эквивалентная электрическая схема кварца представляет собой параллель­ный колебательный контур второго рода, показанный на рис. 21.14. На схемеL_кв, C_кв, r_кв являются собственными параметрами кварца, C₀ – емкость кварцедержателя. Их величины определяются геометрическими размерами кварцевой пластины и типом механических колебаний, которые могут быть колебаниями по толщине или по длине. Необычны по срав­нению с колебательным контуром значения собственных параметров кварца: L_кв= 0,1…1 Гн, C_кв = 0,01…0,1 пФ, r_кв = =1…10 Ом. Величина C₀ зависит от конструктивного выполнения и лежит в пределах 1…10 пФ. При этом величина собственной добротности кварца достигает значений 10⁴…10⁶. Кварц имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса f_посл и частоту параллельного резонанса f_пар (рис. 21.15). В полосе частот между двумя резонансными частотами реактивное сопротивление кварца Х имеет индуктивный характер. За пределами этой полосы реактивное сопротивление является емкостным. Частоты f_посл и f_пар близки и отличаются лишь на 0,25% при С₀ / С_кв ≈ 200.

Наиболее часто кварц ис­пользуется как эк­вивалентная ин­дуктивность, при этом частота гене­рацииf_г за­ключена между резонанс­ными частотами после­довательного и параллельного резонанса f_посл < f_г < f_пар, и поэтому воз­можны следую­щие три варианта обобщенных схем трехточеч­ных автоге­нераторов, по­казанные на рис. 21.16 (индуктивные трехточечные) и рис. 21.17 (емко­стной трехточечный). Варианты схемотехнической реализа­ции по этим обобщенным схемам исключительно разнообразны. В на­стоящее время кварцевые генераторы изготавливают с применением микроэлектрон­ных технологий. При этом возможны два варианта:

1) электрическая часть кварцевого генератора выполняется в виде микросхемы, а кварцевый резонатор размещается либо отдельно, либо в одном корпусе с микросхемой;

2) микросхема располагается непосредственно на кварцевом резонаторе, ко­торый используется в качестве подложки. При изготовлении кварцевых гене­раторов, в частности с использованием микроэлектронных технологий, жела­тельно использовать минимальное число катушек индуктивности. Поэтому наиболее приемлема емкостная трехточечная схема. Практическая реализация одной из них на основе резистивного усилителя показана на рис. 21.18. Предельно высокая частота генерирования в этой схеме может быть достигнута при минимально возможных величинах емкостей конденсаторов С₁иС₂, равных межэлектродным емкостям транзистора.

Другой вариант микросхемного выполнения кварцевого генератора, также не требующий в схеме катушек индуктивности, показан на рис. 21.19. Схема является своеобразным пьезоаналогом классического автогенератора с трансформаторной обратной связью. Для создания напряжения обратной связи используется пьезотрансформатор – многоэлектродный кварцевый резонатор. Необходимое значение модуля и аргумента коэффициента обратной связи достигается надлежащим выбором формы и расположения электродов на кварцевой пластине. Схема вырабатывает колебания на частоте параллельного резонанса кварцевой пластины.

Иногда для построе­ния авто­генератора ис­пользуется явле­ние последова­тельного ре­зо­нанса квар­цевой пластины. Вариант такой схемы автогенератора с кварцем в цепи положительной обратной связи показан на рис. 21.20. На частоте последовательного резонанса сопротивление в цепи обратной связи исчезает, на базе действует напряжение положительной обратной связи, и при выполнении условия баланса амплитуд в схеме возникают гармонические колебания на частоте кварца. РезисторыR₂ и R₁ обеспечивают выбор первоначального положения рабочей точки, соответствующего мягкому режиму работы.

В случае использования последовательного резонанса кварцевой пластины возможно изменение частоты автоколебаний в некоторых пределах за счет соединения последовательно с кварцем подстроечного конденсатора величиной 5…50 пФ (рис. 21.21). Относительное изменение частоты последовательного резонансаΔf/f_послпри этом составляет 10^-3…10^-4.

На рис. 21.22 показана еще одна схема автогенератора с использованием последовательного резонанса кварцевой пластины на основе операционного усилителя и с возможностью корректировки частоты генерируемых колебаний. Кварц включен в цепь положительной обратной связи, что обеспечивает выполнение условия баланса фаз. На частоте последовательного резонанса коэффициент положительной обратной связи максимален. Резисторы R₁ и R₂ в цепи отрицательной обратной связи, определяя коэффициент усиления ОУ, обеспечивают выполнение условия баланса амплитуд (21.5). Кроме того, отрицательная обратная связь уменьшает искажения выходного сигнала и стабилизирует его амплитуду. Рассмотренная схема работает в области умеренных частот, не превышающих частоту единичного усиления операционного усилителя.