1.2. Автогенераторы с колебательными контурами

Автогенераторы этого типа (LC-генераторы) содержат колебательный контур в цепи нагрузки или в цепи обратной связи. Контур выступает как фильтр для выделения колебаний в узкой полосе частот. В транзисторных автогенераторах контур может быть включен в цепь стока (коллектора), истока (эмиттера) или затвора (базы). Передачу напряжения обратной связи организуют различными способами.

Рассмотрим работу LC-генератора на полевом транзисторе с контуром в цепи стока и индуктивной обратной связью (рис. 2,а). Цепь обратной связи содержит катушку Lo.c, резистор R1 для ограничения прямого тока через управляющий переход и конденсатор С1 для соединения отвода катушки связи Lo_C по переменному току с общим проводом. Резистор R2 и конденсатор С2 образуют цепь смещения. В качестве активного элемента в цепи /.С-генератора может быть применен биполярный транзистор (рис. 2,6).

В режиме покоя потенциал затвора транзистора (см. рис. 5.2, а) является отрицательным. Этому режиму соответствует положение точки покоя П на крутом участке стоко-затворной характеристики транзистора (рис. 5.3, а) с большим значением ее крутизны.

Рисунок 2 - Схема транзисторных LC-генераторов с индуктивной обратной связью:

а — на полевом транзисторе с контуром в цепи стока; б—на биполярном транзисторе с контуром в цепи коллектора

Рисунок 3 - Графики токов и напряжений электродов транзистора автогенератора:

а — стокозатворная характеристика транзистора, б — напряжение затвор — исток; в — ток стока

После подключения источника питания в цепи стока появляется ток. Происходит зарядка конденсатора Сив контуре LC возникают колебания. В катушке связи индуцируется переменная ЭДС. Возникающее между отводами катушки L_{0 с} напряжение через конденсаторы С1 и С2 подводится к управляющему переходу транзистора и вызывает изменение тока стока. Если обратная связь является положительной и достаточно сильной, то амплитуда напряжения на контуре и амплитуда переменного напряжения затвора возрастают. Амплитуда напряжения между затвором и общим проводом становится больше напряжения смещения, в цепи управляющего перехода появляется прямой ток. Происходит зарядка конденсатора С1. Напряжение на нем выступает как дополнительное напряжение смещения. Напряжение затвор -исток является теперь суммой установленного в режиме покоя напряжения L/знп = urz, напряжения и_с\ на конденсаторе С1 и переменного напряжения обратной связи «ос (рис. 5.3,6). С увеличением «а рабочая точка на характеристике транзистора сдвигается на участок с меньшей крутизной характеристики. В соответствии с изменениями напряжения затвор — исток происходит изменение тока /с (рис. 5.3, в) и возможна его «отсечка». Пределы изменений тока стока, а следовательно, и амплитуды колебаний в контуре оказываются ограниченными.

Покажем, что в рассматриваемом автогенераторе возможно создание положительной обратной связи. Полагаем, что переменные составляющие напряжений и токов автогенератора изменяются по гармоническому закону.

Таким образом, положительная обратная связь в рассматриваемом автогенераторе возможна. Переход от отрицательной обратной связи к положительной осуществляется в результате переключения выводов катушки.

Векторы Ucm и Uocm имеют противоположные направления, что указывает на необходимость сдвига напряжения обратной связи по фазе на угол л или —л по отношению к напряжению «с. Усилитель сдвигает фазу выходного напряжения относительно входного на угол f_K= —л. Чтобы обратная связь была положительной, передаваемое по цепи обратной связи напряжение должно быть сдвинуто по фазе относительно выходного напряжения усилителя на угол ср_? = л или <р_р = —л.

Процесс возникновения колебаний в автогенераторе на биполярном транзисторе (рис. 5.2,6) протекает аналогично процессу, описанному для генератора на полевом транзисторе. В этом случае сильнее проявляется влияние малого входного сопротивления биполярного транзистора и выходного его сопротивления на добротность контура.

Ориентировочно необходимую для возбуждения LC-re-нератора величину коэффициента обратной связи р можно

141

вычислить из соотношения р = Sz_KOHp для генератора

на

IK.pl ' полевом

приняв /С_ыр| = транзисторе и

hi

\K_Uf\ = —— zkohp—на биполярном. Сопротивление г_конр

/II |э

должно определяться с учетом присоединяемой к автогенератору нагрузки и наличия цепей обратной связи. Очевидно, что возбуждение автогенератора происходит при меньших значениях р в случае применения контуров высокой добротности (z_koh p = LoipQ), а также транзисторов с большой крутизной проходной характеристики S или большим значением параметра h₂\₃-

Для оценки амплитуды колебаний в автогенераторе необходимо записать нелинейные уравнения для его токов и напряжений и найти их решения. Выполнение этой задачи сопряжено с определенными трудностями. Амплитуду стационарных колебаний можно установить, если по результатам эксперимента построить график зависимости между амплитудами выходного и входного напряжений, а на нем провести прямую, отражающую взаимосвязь £/ост=Р^„ыхт (рис. 4,а). Очевидно, что при возникновении входного напряжения амплитудой U_wm\ на выходе усилителя появится напряжение амплитудой

Рисунок 4 - Взаимосвязь напряжений генератора при «мягком» (а) и «жестком» (б) режимах самовозбуждения

t/выхть а по цепи обратной связи на вход усилителя будет передано напряжение обратной связи амплитудой U_ocm\ = = fiUmauni- Так как это напряжение является входным, амплитуда напряжения на выходе увеличится до значения £/_Выхт2- Опять возрастут амплитуды напряжения на входе и на выходе и окончательно установится амплитуда колебаний £/_{выхтуст}, определяемая положением точки М на пересечении графиков для К_и и 1/р.

142

График для К_и показывает, что усиление по напряжению имеет место при малых амплитудах входных напряжений. Поэтому возбуждение автогенератора будет происходить при сколь угодно слабом первоначальном изменении напряжения на входе усилителя, что соответствует «мягкому» режиму возбуждения автогенератора.

Возможна такая зависимость между амплитудами напряжений на входе и выходе усилителя, когда соотношение /(_ир > 1 выполняется при амплитуде входного напряжения больше некоторого минимального значения Uexmrnm (рис. 5.5,6). В этом случае возбуждение автогене-ратора происходит только при достаточно большой амплитуде первоначально появляющегося на входе усилителя напряжения. Такой режим самовозбуждения усилителя окажется «жестким».

Высокий КПД генератора устанавливается при его работе с отсечкой коллекторного тока и достаточно большой амплитуде колебаний. Оптимальный угол отсечки Q = 50—60°. В зависимости от амплитуды колебаний различают недонапряженный, перенапряженный и критический режимы. Для автогенератора на биполярном транзисторе режим определяется значением минимального коллекторного напряжения «_Kmm, равным разности напряжения питания £_к и амплитудного значения переменной составляющей коллекторного напряжения 1/_кт. При «ктт = £к—^кт> «кнас режим принимается недонапря-женным, при u_Km,_n< ыкнас—перенапряженным, при

«Kmm « «Кнас — КрИТИЧССКИМ.

В автогенераторе при большом сопротивлении резистора R2 или большой емкости конденсатора С1 (см. рис. 5.2,6) в случае сильной обратной связи может возникнуть прерывистая генерация. Появление импульсов базового тока достаточно большой амплитуды вызывает ззрядку конденсзтора до нзпряжения, превышающего напряжение запирания транзистора. Управление током транзистора под действием напряжения обратной связи на некоторое время прекращается и происходит срыв колебаний. После разрядки конденсатора колебания опять возникают. Прерывистую генерацию устраняют уменьшением обратной связи и емкости конденсатора в цепи базы. Аналогичные ззкономерности проявляются в автогенераторе на полевом транзисторе.

В LC-генераторах возникают колебания, близкие по форме к синусоидальным. Эти генераторы устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов и напряжения питания, имеют сравнительно высокую стабильность частоты. На очень низких, а тем более на сверхнизких и крайне низких частотах LC-гене-раторы применяются сравнительно редко, так как требуются катушки контуров большой индуктивности и конденсаторы большой емкости. Контуры генераторов становятся громоздкими, имеют низкую добротность. Кроме того, возбуждение генераторов осложняется и в них приходится создавать очень сильную обратную связь.