Анализ стационарного режима автогенератора при фиксированном и автоматическом смещении

Основной задачей анализа работы АГ является установление связи между токами и напряжениями в его цепях при известных параметрах АЭ и НКС. Поставленная задача существенно упрощается, если АЭ является безынерционным. Именно в этом случае при прочих равных условиях удается реализовать максимальную стабильность частоты генерируемых колебаний. Поэтому будем считать, что _S=0.

Зависимости первой гармоники выходного тока АЭ от амплитуды высокочастотного напряжения на входном электроде I_ВЫХ1(U_ВХ), представленные на рис. 18, носят название колебательных характеристик. Для их построения удобно воспользоваться зависимостями S₁(U_ВХ), нормированные модификации которых приведены на рис. 16, умножив каждое значение S₁ на соответствующее ему U_ВХ. Далее для определения точек равновесия целесообразно в поле колебательных характеристик построить линии управляющих сопротивлений в соответствии с соотношением U_ВХ=I_ВЫХ1R_У.

Рис. 18. Нормированная колебательная характеристика автогенератора

Точки пересечения колебательных характеристик с линиями управляющего сопротивления а, b, с и d на рис. 18, являющиеся точками равновесия, соответствуют одноименным точкам на рис. 16. Если учесть, что S₁=I_ВЫХ1/U_ВХ, условие устойчивости баланса амплитуд в данном случае можно представить в виде

дI_ВЫХ1/дU_ВХ<I_ВЫХ1/U_ВХ. (36)

В соответствии с выражением (36) точка равновесия является устойчивой, если крутизна касательной к колебательной характеристике меньше крутизны линии управляющего сопротивления.

При принудительном изменении смещения точка равновесия будет переходить по линии управляющего сопротивления с одной колебательной характеристики на другую. Естественно, будут изменяться и U_ВХ, и I_ВЫХ1. Получающиеся при этом зависимости U_ВХ(Е_ВХ) принято называть диаграммами срыва. На рис. 19 представлены диаграммы срыва, построенные для двух значений SR_У.

При 1<SR_У<2 колебания в АГ, как показано на рис. 19,а, возникают в режиме мягкого самовозбуждения, как только Е_ВХ превысит E_ОТС. При этом на начальном участке диаграммы в области недонапряженного режима U_ВХ и Е_ВХ связаны линейной зависимостью. Наклон прямой определяется значением SR_У. Ограничение амплитуды колебаний при каждом конкретном значении Е_ВХ может осуществляться только за счет уменьшения угла отсечки с ростом U_ВХ, а значения угла отсечки в стационарном режиме лежат в пределах π/2<θ<π. При больших значениях Е_ВХ, а значит и U_ВХ, АЭ переходит в перенапряженный режим, и в импульсе выходного тока появляется провал, препятствующий росту его первой гармоники. Поэтому дальнейшее увеличение Е_ВХ вызывает лишь незначительное возрастание U_ВХ. Можно считать, что U_ВХ≈К_ОСЕ_П, где Е_П – напряжение питания АЭ.

Рис. 19. Диаграммы срыва в автогенераторе с фиксированным смещением

Зависимость U_ВХ(E_ВХ), приведенная на рис. 19,б, соответствует режиму "жесткого" самовозбуждения. При SR_У>2 колебания в АГ возникают также при Е_ВХ=E_ОТС, но ограничение амплитуды автоколебаний теперь происходит только за счет перехода АЭ в перенапряженный режим (точка f на рис. 19,б и 16). Поэтому U_ВХ возрастает скачком до значения, близкого к К_ОСЕ_П, и при дальнейшем увеличении Е_ВХ лишь незначительно изменяется. Если после возникновения колебаний начать принудительное уменьшение Е_ВХ, то срыв колебаний наступит при таком смещении Е_ВХ.СР, меньшем E_ОТС, при котором нарушится устойчивость баланса амплитуд, т.е. тогда, когда соответствующая колебательная характеристика станет касательной к линии управляющего сопротивления (точка е рис. 19,б и 16). Таким образом, на диаграмме срыва появится область гистерезиса, ширина которой будет возрастать с ростом SR_У. В заключение отметим, что АГ с фиксированным смещением находят весьма ограниченное применение.

Как правило, высокая стабильность амплитуды и частоты колебаний в АГ обеспечивается при работе АЭ в недонапряженном режиме с углом отсечки θ<π/2. Но, как следует из анализа колебательных характеристик и диаграммы смещения, приведенных на рис. 20,а, точка "1", соответствующая этому случаю, согласно критерию (36) является точкой неустойчивого равновесия, а режим возникновения колебаний – жестким.

Рис. 20. Колебательные характеристики (а) и упрощенная схема (б)автогенератора с комбинированной схемой смещения

Указанное противоречие удается разрешить при использовании автоматического смещения, например, в АГ на биполярном транзисторе за счет базового и эмиттерного токов (упрощенная схема смещения приведена на рис. 20,б). Если напряжение источника базового смещения Е_Б0 больше напряжения запирания Е_БЗ, колебания в АГ возникают в режиме мягкого самовозбуждения, увеличение амплитуды колебаний приводит к росту U_Б и сопровождается ростом базового и эмиттерного токов, в том числе их постоянных составляющих I_Б0 и I_Э0. Это ведет к уменьшению напряжения смещения в соответствии с соотношением

Е_Б=Е_Б0-I_Э0R_Э-I_Б0R_Б

и при определенных значениях R_Э и R_Б к уменьшению угла отсечки и средней крутизны S₁, что и способствует ограничению дальнейшего увеличения амплитуды колебаний.

Результирующая колебательная характеристика АГ с комбинированным смещением изображена пунктирной линией на рис. 20,а. Нетрудно убедиться, что в соответствии с условием (36) точка равновесия "1" для этой колебательной характеристики является устойчивой.

Следует отметить, что для получения подобной характеристики необходимо, чтобы напряжение Е_Б успевало «следить» за изменением амплитуды колебаний. Для этого постоянные времени цепей автоматического смещения τ_Э=R_ЭС_Э и τ_Б=R_БС_Б должны быть меньше постоянной времени колебательной системы τ_КС=2Q/ω, где Q – добротность нагруженной НКС, а ω – круговая частота генерируемых колебаний.

Если цепочка автосмещения обладает большой постоянной времени, АГ переходит в режим прерывистой генерации. В этом случае при возникновении колебаний их амплитуда быстро нарастает до значения U_Б.mах. Затем начинается заряд конденсаторов цепей автосмещения и постепенное уменьшение U_Б и e_Б до тех пор, пока напряжение смещения между базой и эмиттером не достигнет значения E_Б.ср, при котором наступает срыв колебаний. После того как колебания прекращаются, начинается разряд конденсаторов c_Б и С_Э, и напряжение Е_Б постепенно возрастает. При достижении смещением значения Е_Б колебания АГ возникают вновь и процесс повторяется. На рис. 20,а при помощи стрелок показано перемещение рабочей точки АГ на семействе колебательных характеристик при прерывистой генерации.