2. Автогенераторы

Бескварцевые автогенераторы редко применяются в качестве источника колебаний высокой частоты в возбудителях. Но, так как принципы построения и расчета любых автогенераторов одни и те же, их удобнее изложить на примере бескварцевых автогенераторов.

В диапазоне сравнительно невысоких частот (до десятков мегагерц) наибольшее применение находят одноконтурные LС-автогенераторы, построенные по так называемой осцилляторной схеме на биполярных и полевых транзисторах (рис. 2).

Рис. 2

В этой схеме реактивные сопротивления , и (емкости или индуктивности) имеют малые потери и образуют высокодобротный контур. Иногда для компенсации фазовых сдвигов в транзисторе (см. ниже) в схему включают дополнительное сопротивление .

Напряжение (жирный шрифт параметров обозначает их комплексный характер), приложенное к входу генератора, вызывает выходной ток .

и ,

где – средняя крутизна активного элемента, определяемая режимом активного элемента.

.

Полученное уравнение определяет то напряжение возбуждения , которое необходимо для поддержания в генераторе тока .Напряжение на части контура прямо пропорционально полному напряжению на контуре .

где – коэффициент обратной связи. Отсюда

,

где – эквивалентное сопротивление нагрузки. Если условие равновесия выполняется ( ), то

или .

Полученное комплексное уравнение можно разбить на два уравнения:

и ,

и получить уравнение баланса амплитуд и уравнение баланса фаз соответственно.

В том случае, если не учитывать инерционные свойства активного элемента ( ) и считать вещественным ( ), из уравнения баланса фаз следует, что , т. е. собственная частота контура автогенератора равна частоте генерации и сумма реактивных сопротивлений контура автогенератора на частоте генерации

и .

Учитывая, что коэффициент обратной связи носит вещественный характер и , реактивные сопротивления Х₁ и X₂ должны быть одного знака. Поэтому возможно два варианта схем автогенератора: индуктивная трехточечная (рис. 3, а) и емкостная трехточечная (рис. 3, б).

Рис. 3

На практике обычно применяют емкостную трехточку. Основным требованием, предъявляемым к автогенератору, является высокая стабильность генерируемой частоты, которая в значительной мере определяется добротностью колебательной системы безынерционностью транзистора и выбранным режимом его работы.

Добротность ненагруженного контура , где – сопротивление суммарных потерь в контуре автогенератора. Обычно потери в индуктивности существенно больше потерь в емкостях, поэтому можно считать, что . Высокая добротность нагруженного контура обеспечивается при работе автогенератора на нагрузку, имеющую большое сопротивление (входное сопротивление последующего каскада), и при малом коэффициенте включения p коллекторной цепи в колебательный контур. Для обеспечения необходимого значения в цепь X₃ последовательно с L₃ включают конденсатор C₃ (схема Клаппа, рис. 3, в). Тогда

,

где .

Инерционность транзистора проявляется в запаздывании первой гармоники выходного тока относительно входного напряжения, что эквивалентно неравенству нулю фазы средней крутизны. На низких частотах . С повышением рабочей частоты автогенератора начинает заметно сказываться инерционность транзистора – его крутизна становится комплексной (транзистор считают безынерционным при ). Из-за сдвига фаз между и , если не принять специальных мер, транзистор будет работать на комплексную нагрузку. В этом случае уравнение баланса фаз приобретает вид и .Это снижает полезную мощность и ухудшает стабильность частоты. На высоких частотах применяют схемы автогенераторов с полным фазированием, у которых коэффициент обратной связи комплексный, и его фаза выбирается равной по значению и противоположной по знаку . Для повышения стабильности генерируемой частоты транзистор должен работать в облегченном режиме. Напряжение питания коллекторной цепи выбирается из условия , максимальное значение коллекторного тока не должно– превышать .

Режим работы транзистора автогенератора выбирают резко недонапряженным, так как в перенапряженном режиме увеличивается влияние на генерируемую частоту изменений питающего напряжения. Дело в том, что из-за повышенного содержания высших гармоник в импульсах коллекторного тока малейшие изменения угла отсечки приводят к заметным относительным изменениям уровня высших гармоник, что эквивалентно изменениям .

При выборе типа транзистора (биполярный или полевой) для автогенератора руководствуются их временной стабильностью. Автогенераторы на полевых транзисторах обладают более высокой кратковременной стабильностью частоты, так как при больших расстройках (десятки килогерц) величина спектральной плотности флуктуаций частоты у них примерно на два порядка меньше. При малых же расстройках преимущество по спектральной плотности флуктуаций частоты сохраняется за автогенераторами на биполярных транзисторах. Эта специфика учитывается при выборе типа транзистора для опорного и управляемого автогенератора синтезатора частот, построенного на основе кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Система ФАПЧ является фильтром нижних частот для флуктуаций частоты (фазы) опорного генератора и, наоборот, фильтром верхних частот для флуктуаций частоты (фазы) управляемого генератора. Таким образом, для опорного генератора выгоднее использовать биполярные транзисторы, а для управляемого – полевые.