2.1.5. Практические схемы одноконтурных автогенераторов

Транзисторные АГ чаще всего выполняются по схеме емкостной трехточки, имеющая сравнительно высокую стабильность частоты генерируемых колебаний, чем АГ, собранные по индуктивной трехточке. На рис. 2.6 приведены схемы одноконтурного АГ, важным достоинством которых является единственная частота генерации, близкая к собственной частоте контура. Этим исключается перескоки частоты, характерные для многоконтурных схем АГ в СВЧ диапазоне.

а) б)

Рис. 2.6. Трехточечные схемы АГ: а – индуктивная на полевом транзисторе с заземленным истоком; б – емкостная на биполярном транзисторе с заземленным коллектором

В АГ, как и в любой другой электронной схеме, можно заземлить одну любую точку схемы. При этом режим работы АГ не измениться. Выбор заземленной точки обычно связывают с требованиями улучшения стабильности частоты. Для этого стараются избегать схем параллельного питания, чтобы дроссели не влияли на элементы контура.

В схеме на рис. 2.6, а делитель R₁, R₂ создает начальное напряжение смещения на затворе. Сопротивления и имеют один знак, а сопротивление при имеет противоположный знак. На резонансной частоте контура Х₁ + Х₂ + Х₃ = 0, то есть сопротивление контура на частоте первой гармоники тока имеет активный характер.

В схеме на рис. 2.6, б начальное смещение также снимается с делителя R₁, R₂. На резисторах R_б, R_э создается падение напряжения от токов базы и эмиттера. Такая схема подачи начального напряжения смещения называется комбинированной, ее применяют для стабилизации работы АГ при изменении температуры.

В процессе возбуждения АГ (нарастание колебаний в контуре) точка покоя П на входной характеристике смещается к началу координат и мягкий режим переходит в жесткий режим работы АГ. Это смещение обеспечивает цепочка автосмещения R_c, C_c в схеме рис. 2.6, а и R_э, C_э в схеме 2.6, б за счет постоянной составляющей тока стока и тока эмиттера соответственно.

В трехточечных схемах АГ контур следует включать в выходную цепь активного элемента (в частности, транзистора) не полностью, чтобы при обычных значениях волнового сопротивления контура = 50…200 Ом и добротности Q_н = 150…200 можно было получить режим активного элемента близкий к критическому. В этом режиме генерируется наибольшая мощность и обеспечивается близкое к максимальному значение кпд (см. п.2.2. Генератор с внешним возбуждением). Для биполярных транзисторов коэффициент включения контура

. (2.22)

Для индуктивной трехточки (рис. 2.6, а) имеют место следующие величины:

, L_к = L₁ + L₂ + L₃, С_к = С₃;

;

эквивалентное сопротивление контура (сопротивление нагрузки на частоте первой гармоники тока через активный элемент)

;

сопротивление цепи управления на

.

Для емкостной трехточки (рис. 2.6, б) имеем

, L_к = L₃, ;

;

.

На рис. 2.7 приведены схемы транзисторных АГ с параллельным питанием (источник питания включен параллельно активному элементу и колебательному контуру). В сравнении со схемами на рис. 2.6 в схемах на рис. 2.7 колебательный контур не находится под напряжением источника питания, что облегчает его эксплуатацию особенно в том случае, когда в качестве активного элемента используются мощные генераторные лампы.

а) б)

Рис. 2.7. Схемы емкостной трехточки АГ с параллельным питанием: а – классическая схема; б – схема Клаппа

В этих схемах благодаря наличию конденсаторов С₁ и С₂ удается снизить влияние собственных емкостей транзистора (С_вх, С_вых) на частоту генерируемых колебаний и обеспечить меньший уровень высших гармоник в напряжении базы, что положительно сказывается на стабильности частоты. В наибольшей степени преимущества этих схем проявляется в диапазоне ультравысоких частот, где необходимо считаться с инерционными свойствами процессов в транзисторах, так как может быть достигнута взаимная компенсация фазовых углов и ( ). В этом случае транзистор будет отдавать большую мощность в настроенную нагрузку, когда фазовый угол .

Наиболее практическое применение получила не классическая схема емкостной трехточки (рис. 2.7, а), а схема Клаппа (рис. 2.7, б), в которой последовательно с индуктивностью контура включается дополнительно конденсатор С₃, что позволяет уменьшить коэффициент включения контура в коллекторную цепь и обеспечить согласование транзистора с контуром высокой добротности Q. Кроме того, появляется возможность раздельной регулировки коэффициента обратной связи и коэффициента включения.

Для повышения стабильности частоты генерируемых колебаний в цепь положительной обратной связи включают пьезокварцевый резонатор. Эквивалентная схема пьезокварцевого резонатора приведена на рис. 2.8, а. Зависимость реактивного сопротивления схемы от частоты и ее фазовая характеристика в районе резонансных частот показана на рис. 2.8, б.

а) б)

Рис. 2.8. Эквивалентная схема пьезокерамического резонатора и ее характеристики: а – эквивалентная схема резонатора; б – реактивное сопротивление и его аргумент (фаза)

Схема на рис. 2.8, а имеет две резонансных частоты: частоту последовательного резонанса (резонанса напряжений в последовательной r, L, C – цепи) левой ветви схемы

(2.23)

и частоту параллельного резонанса (резонанса токов в левой и правой ветвях схемы)

, (2.24)

где С₀ – емкость электродов кварцедержателя;

L_кв, C_кв – динамические индуктивность и емкость кварцевой пластины соответственно [3].

В узком интервале частот между и (порядка сотых долей процента частоты [4]) реактивное сопротивление и, следовательно, его фазовый угол положительны, то есть осциллирующая (колеблющаяся) кварцевая пластина эквивалентна индуктивности. Схемы АГ с кварцевыми резонаторами называются осцилляторными. Эти схемы работают с высокой стабильностью на частотах вблизи (несколько меньше ее). Высокая стабильность частоты определяется высокой добротностью кварца как колебательной системы. Значение Q_кв достигает сотни тысяч и даже миллионы единиц, что обуславливает большую крутизну фазовой характеристики в районе рабочих частот. При этом даже большие нестабильности в работе АГ, приводящие к нарушению баланса фаз

, ,

компенсируются крайне малым изменением частоты для восстановления этого баланса.