2. Основы расчета транзисторного автогенератора

Транзисторные автогенераторы чаще всего выполняются по схеме емкостной и реже – индуктивной трехточки. Сравнительный анализ стабильности частоты указанных схем АГ показывает, что лучшими характеристиками обладает схема емкостной трехточки. Преимущества этой схемы особенно проявляются на высоких частотах, где необходимо считаться с инерционными свойствами транзистора (> 0,3f_s), так как в ней полное фазирование может быть достигнуто за счет взаимной компенсации фазовых углов крутизны и коэффициента обратной связи (+= 0). В этом случае транзистор работает на настроенную нагрузку (cos = 1) и, следовательно, отдает большую мощность

Таблица 1.1

№ п/п	Обозна- чение	Тип проводи-мости	Основные параметры							Предельные параметры
			fт, МГц	Sгр, А/В	0	Eб0, В	Cк, пФ	rб, Ом	uк. доп, В		Uэ-б доп, В	iк. доп, А	Pк. доп, Вт
1	ГТ311	n-p-n	300…800	0,05	50	0,25	3,0	60	12		2,0	0,05	0,15
2	ГТ313	p-n-p	450…1000	0,05	50	0,25	3,75	60	12		0,5	0,03	0,09
3	ГТ330	n-p-n	1000…1500	0,06	75	0,25	2,0	30	13		1,5	0,02	0,05
4	КТ306	n-p-n	500…650	0,03	50	0,6	3,0	300	15		4,0	0,03	0,2
5	КТ316	n-p-n	600…800	0,03	40	0,6	4,5	100	10		4,0	0,06	0,25
6	КТ324	n-p-n	600…800	0,03	40	0,6	3,75	100	10		4,0	0,02	0,025
7	КТ326	n-p-n	450…900	0,03	60	0,6	4,0	80	15		4,0	0,05	0,25
8	КТ337	p-n-p	500…600	0,05	50	0,6	6,0	60	6		4,0	0,03	0,15

P_~= 0,5 cos , а частота генерируемых колебаний практически совпадает с собственной частотой контура, где его фазовая характеристика наиболее крута.

Наибольшее практическое применение получила не классическая схема емкостной трехточки (рис. 1.1, а), а схема Клаппа (рис. 1.1, б), в которой последовательно с контурной индуктивностью включается дополнительный конденсатор С3. Это уменьшает коэффициент включения контура в коллекторную цепь и позволяет использовать контуры с высоким волновым сопротивлением и высокой добротностью Q.

а б

Рис. 1.1

При расчете контура обычно задаются волновым сопротивлением = (100...200) Ом и, зная частоту генерируемых колебаний, определяют индуктивность катушки L_к и полную емкость контура C₀. Затем по извест-ной добротности нагруженного контура Q_н = 100...150 можно определить его коэффициент включения p в коллекторную цепь транзистора:

,

где – расчетное значение коллекторной нагрузки АГ. Значения емкостей контурных конденсаторов определяются из простых выражений

; ; , (1.5)

где K_о.с– коэффициент обратной связи. При необходимости учитываются влияние входной и выходной емкостей транзистора. Номинальные значения емкостей конденсаторов подбираются по каталогу.

Электрический расчет режима АГ практически совпадает с соответствующим расчетом генератора с внешним возбуждением и будет рассмотрен в приведенном далее примере. Расчет цепей базового питания транзисторного АГ имеет особенности.

При расчете делителя в базовой цепи сопротивления резисторов R1 и R2 выбираются исходя из следующих требований: во-первых, напряжение смещения на базе транзистора должно быть равно полученному в результате расчета режима. Для этого необходимо, чтобы

, (1.6)

где – cопротивление делителя;E_и.к– напряжение источника коллекторного питания;I_к0иI_б0– постоянные составляющие коллекторного и базового тока соответственно;E_см– напряжение базового смещения.

Кроме того, для обеспечения высокой добротности колебательной системы сопротивление базового делителя R_д должно быть существенно больше сопротивления X₂ ветви контура между базой и эмиттером, а с точки зрения термостабилизации – не должно превышать (4...6) R_э , т. е.

(20...50)X₂ < R_д <(4...6)R_э. (1.7)

Выражения (1.6) и (1.7) при известных значениях X₂ и R_э дают возможность выбрать сопротивление R_д, а затем определить сопротивления R₁ и R₂:

R₁ =; . (1.8)

Особое значение при расчете АГ имеет выбор емкости блокиро-вочного конденсатора С_э. Емкость конденсатора С_э должна быть доста-точно велика для обеспечения фильтрации переменной составляющей (R_эC_э > 1 / _г) и, вместе с тем, должна обеспечить устойчивость ста-ционарного режима колебаний АГ, т. е. отсутствие режима прерывистой генерации и самомодуляции. Емкость конденсатора С_э может быть определена при известных R_э [см. выражение (1.3)], Q_н и _г из неравенства

< R_эC_э < . (1.9)

Пример расчета транзисторного АГ.

Рассчитать транзисторный АГ при следующих исходных данных: f_г = 10 МГц; U_н = 1 В; С_н = 10 пФ; R_н = 500 Ом; (P_~н = 1 мВт), где U_н, C_н, R_н — амплитуда напряжения на нагрузке, емкость и сопротивление нагрузки соответственно.

Расчет режима работы.

1. Выбор транзистора. Оценим активную мощность, отдаваемую транзистором P_~, задаваясь КПД контура _к = 0,2; P_~ = P_~н /_к = 1/0,2 = = 5 мВт. Для обеспечения повышенной стабильности частоты АГ выбираем схему Клаппа и транзистор с f_s > 30 МГц, например, типа ГТ311, основные параметры которого приведены в табл. 1.1.

2. Исходя из соотношений (1.1) и (1.2) зададимся значениями  0,4 = 0,4  50 = 20 мА;  = 90° (= 0,32; = 0,5 – коэффициенты разложения импульса тока [1], [2]). Для выбранного режима определим крутизну S₀ и граничную частоту f_s транзистора ГТ311. В соответствии с (1.4):

/( = 15 20 10 50/(15  20 1060 + 50) = = 0,22 A/B;

f_s =f_т /S₀ r_б= 500 / (0,2260)40 МГц;_s= – arctgf_т/f_s= – arctg 10/40 = = –14°(_s<<90°).

3. Постоянная составляющая I_к0 и первая гармоникаI_к1коллекторного тока:

I_к0 = = 0,3220 = 6,4 мА;I_к1= = 0,520 = 10 мА.

4. Амплитуда напряжения на коллекторе

U_к= 2P_~/ I_к1= 2510 / 10= 1 В.

5. Напряжение коллекторного питания E_к. Для этого определим остаточное напряжение на коллекторе в граничном режиме и соответствующий коэффициент :

= /S_гр= 2010/5010= 0,4 В;

= U_к /E_гр= 1 – / (+U_к) = 1 – 0,4 / 1,40,7.

Принимаем: = 0,30,2, что соответствуетE_к=U_к /= 1 / 0,2 = 5 В.

6. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки = U_к / I_к1 = 1 / 10 = 100 Ом.

7. Мощности, подводимая P₀ и рассеиваемая на коллекторе P_к: P₀ = I_к0 | E_к | = 6,4  5 = 32 мВт; P_к = P₀ – P_~ = 32 –5 = 27 мВт <.

8. КПД по коллекторной цепи АГ = P_~ / P₀ = 5/32  0,16 = 16%.

9. Амплитуда напряжения возбуждения на базе

= = 0,095 В.

10. Напряжение смещения на базе E_см = E_б0 + U_б cos  = 0,25 В.

11. Коэффициент обратной связи К_о.с = U_б / U_к = 0,095 / 1  0,1.

12. Сопротивление R_э = (50...100)/S₀ = (50...100)/0,22  390 Ом.

13. Напряжение источника коллекторного питания

| E_и.к | = E_к + I_к0 R_э = 5 + 6,4  10  390 = 7,5 В < .

Расчет колебательной системы АГ.

1. Задаваясь добротностью ненагруженного контура Q_x = 200 при

_к = 0,2, находим Q_н = Q_x (1 – _к) = 200 (1 – 0,2) = 160.

2. Эквивалентное сопротивление контура в точках подключения коллекторной цепи  / cos _s = 100 / 0,97  103 Ом.

3. Задаваясь волновым сопротивлением контура  = 150 Ом, определяем его полную емкость С₀ и индуктивность катушки L_к:

C₀= 1 / = 1 / 210150 = 10510Ф = 105 пФ;

L_к=/ = 150 / 210= 2,410 Гн.

4. Коэффициент включения контура в коллекторную цепь

= = 0,065.

5. Емкости контурных конденсаторов (см. 1.5):

С₁=С₀/p= 105 / 0,0651600 пФ;C₂=C₁/K_о.с= 1,6 / 0,1 = 16 нФ;

С₃= 1/(1/С₀ –1/C₁–1/C₂) = 1/(1/105 — 1/1600 — 1/16000)110 пФ.

В случае необходимости производится учет емкостей транзистора С_вх, C_вых и нагрузки С_н.

Расчет элементов цепей питания.

1. Сопротивление делителя смещения в цепи базы

(20...50)X₂<R_д <R_э(4...6), гдеХ₂= 1 /C₂= 1/21016101 Ом.

Выбираем R_д = 2 кОм, тогда из соотношения (1.8) находим

R₁= | E_и.к| R_д/( I_к0R_э+|E_см|)= 7,52·2·10/ ( 6,410^–3390 + 0,25) 

 5,410³Ом;R₂=R_дR₁/ (R₁–R_д) = 25,4 / (5,4 — 2)3,2 кОм.

2. Емкость конденсатора С_э (см. 1.9):

20 / R_э <C_э < 2Q_н/ R_э; 20 / 210⁷390 <C_э< 2160 / 210⁷390;

80010^–12<C_э< 1210^–9; выбираемС_э= 6,8 нФ.

3. Индуктивность блокировочного дросселя

L_бл= (10...20)L_к= 152,4 = 36 мкГн.

Для устранения возможных паразитных колебаний на частоте, ниже заданной, целесообразно снизить добротность дросселя L_бл путем включения последовательно с ним дополнительного резистора R_бл = (100...200) Ом, скорректировав при этом напряжение источника коллекторного питания E_и.к.

В случае необходимости получения напряжения U_н < U_к, разбиваем емкость конденсатора С₁ на две C₁ и С₁, которые находим из соотношений С₁ = C₁(U_к / U_н) – C_н ; С₁ = С₁/(1– С₁ / C₁).