Электронные генераторы. Фильтры учебное пособие

Eсм (источник ЭДС), при помощи которого и задается выбранный режим II рода с заданным углом отсечки θ . В реальных схемах LC-генераторов постоянное смещение ( Eсм ) между базой

и эмиттером осуществляется при помощи цепи автоматического смещения (гридлика), которая будет рассмотрена далее.

2.5.2. Процессы в цепи коллектора в режиме II рода

На рис. 2.9 (в I квадранте) приведена линеаризованная прямая ветвь входной ВАХ (эмиттерно-базового р-n-перехода). На этой ВАХ показаны зависимости тока базы iБ и тока коллектора iК (iК= βiБ) от напряжения между базой и эмиттером uБЭ с учетом порогового напряжения Uпор (у кремниевых p-n-пе- реходов Uпор ≈ 0,6 В, у германиевых – Uпор ≤ 0,2 В).

Рис. 2.9

121

Напряжение сигнала иг принято косинусоидальным (выбором начала координат). Напряжение uБЭ определяется суммой

2.9). Ось υ (υ = ωt ) для иг совмещена с ординатой, проходящей

вниз через точку − Есм на оси uБЭ.

Ток через транзистор может протекать только тогда, когда напряжение uБЭ превышает пороговоенапряжение, сучетом (2.76)

Моменты открытия (точка а , υ = − θ) и закрытия (точка b, υ = θ) транзистора, соответствующие равенству в (2.77):

редача энергии в колебательный LC-контур от источника питания Eп .

Напряжение на контуре Uz~ можно считать синусоидальным (косинусоидальным), так как LC-контур пополняется энергией каждый период колебаний:

Напряжение на коллекторе транзистора иК будет равно сумменапряжений источника питания Eп иконтураUz сучетом (2.79):

122

2) перенапряженный, когда при напряжении на коллекторе UКmin транзистор заходит в область насыщения, что ус-

ловно можно отразить неравенством:

UКmin < UКн .

сыщения транзистора больше единицы. При этом мощность, рассеиваемая в коллекторной цепи, мала, но возникают существенные искажения формы импульса тока iК;

3) критический, когда минимальное напряжение на коллекторе находится вблизи напряжения насыщения транзистора:

UКmin ≈ UК н .

При этом рассеиваемая мощность и искажения импульса тока iК малы. Обычно стараются придерживаться критического режима.

Импульсы коллекторного тока

Ток коллектора iК протекает в интервале между точками а и b (см. рис. 2.9) в течение 2θ ( −θ≤ υ ≤ θ). Импульсы коллекторного тока представляют часть косинусоиды, ограниченную двойным углом отсечки 2θ и повторяющуюся каждый период колебаний. Импульсы коллекторного тока iК и тока базы iБ показаны

(2.76) в точке с на графике иг (см. рис. 2.9). На рис. 2.10 импульс коллекторного тока совмещен с напряжением коллектора uК

124

и контура U z ~ . Рассмотрев единичный импульс тока iК, можно найти следующую зависимость:

Периодическая последовательность импульсов коллекторного тока (2.81) содержит постоянную и гармонические составляющие, которые можно найти, разложив (2.81) в ряд Фурье:

туды первой, второй и т.д. гармоник.

При выбранном начале координат для тока iК на рис. 2.9 из ряда (2.82) исчезают синусоидальные члены ряда, что существенно упрощает анализ. Величины IКd, I1m находятся как коэффициенты ряда Фурье (как и при рассмотрении выпрямителей и усилителей классов АВ, В, С):

Существенное значение имеет только постоянная составляющая (2.83) и амплитуда первой гармоники (2.84). Для высших гармоник, начиная со второй, контур представляет малое сопротивление, и их не учитывают.

Величина постоянной составляющей IКd определяет потребляемую от источника питания Eп мощность Pпотр:

125

а величина амплитуды первой гармоники I1m – мощность переменного тока PК~, развиваемую в коллекторной цепи транзистора:

основная часть которой P~ передается в нагрузку Rн. При выбранной схеме генератора величины IК d, I1m согласно (2.81), (2.83), (2.84) являются функциями угла отсечки θ. В теории генераторов используют относительные зависимости:

где α0 – коэффициент использования постоянного тока, α1 – коэффициент использования переменного тока.

Рис. 2.11

На рис. 2.11 приведены графики зависимостей (2.87) в функции от угла θ.

IКd и I1m находятся по формулам (2.83) и (2.84).

126

Колебательная характеристика. Средняя крутизна

При выбранной схеме генератора (транзистор, нагрузка, LC-контур, Eсм) угол отсечки θ согласно (2.78) будет определяться величиной амплитуды Uгт. Но при изменении θ будет изменяться величина амплитуды первой гармоники I1m согласно (2.84). Коэффициент использования переменного тока α1 растет до θ ≈ 120° ( см. рис. 2.11). Значит, амплитуда I1m является функцией амплитуды сигнала Uгт:

Эта зависимость называется колебательной характеристикой. На рис. 2.12 показаны графики колебательных характери-

U'гт (до точки а на рис. 2.9) транзистор закрыт (график 3). Отношение

127

называется средней крутизной (или крутизной по первой гармонике). На рис. 2.12 видно, что Sср изменяется с изменением Uгт, особенно для графиков 2, 3. Для режима I рода (график 1) сред-

няя крутизна равна статической крутизне S (Sср = S ) . Как уже

было показано ранее, в режиме I рода происходит «мягкое» возбуждение. В автогенераторах в режиме II рода возбуждение «жесткое», т.е. возбуждение происходит скачком начиная с ве-

подать напряжение больше ∆ U либо равное ему. Колебательная характеристика и средняя крутизна (2.89)

широко используются при анализе работы электронных генераторов, так как при анализе и расчетах учитывается только первая гармоника тока, а всеми высшими гармониками тока пренебрегают.

2.5.3. Коэффициент полезного действия генератора

где ηК – КПД контура и коллекторной цепи, учитывает потери в контуре и транзисторе. PК~ и Pпотр определяются выражениями

(2.85) и (2.86).

Для резонансной частоты ω0 колебательный контур может быть заменен резонансным сопротивлением Rрез (см. (1.5)). Ограничим рассмотрение достаточно низкими частотами, на которых ток в контуре и коллекторе iК~ и напряжение uК~ совпадают по фазе (синфазны). Это справедливо для частот, значительно

128

меньших граничной частоты транзистора fα. Тогда с учетом (2.85) и (2.86) КПД можно представить в виде

Обычно ηг представляют с учетом коэффициентов (2.87):

где ξ и χ – коэффициенты использования напряжения (ξ ) и то-

ка (χ ):

Согласно графикам на рис. 2.11 величина коэффициента использования тока χ изменяется в пределах 1…2 при изменении θ от нуля до 180°.

Величина ξ зависит от напряженности режима. В генераторах стараются использовать режим, близкий к критическому, при котором ξ = 0,8…0,9. Оптимальный угол отсечки, при котором возможен максимальный КПД, θопт = 70°…90°.

В критическом режиме при оптимальном угле отсечки удается получить ηг = 0,6…0,7.

2.5.4. Цепь автоматического смещения

Ранее было установлено, что высокий КПД генератора можно получить в режиме II рода (аналогично классу C в усилителях) с углом отсечки 70°…90°. Однако при таких углах отсечки происходит «жесткое» самовозбуждение автогенераторов (см. рис. 2.12), т. е. при включении питания генерация самостоятельно не возникает. «Мягкое» самовозбуждение происходит в режиме I рода (аналогично классу А в усилителях), но в режи-

129

ме I рода неприемлемо низкий КПД для генераторов большой

исредней мощности. Для получения высокого КПД при «мягком» самовозбуждении в схему генератора вводят цепь авто-

матического смещения (автосмещение) из Rc и Cc, показанную на рис. 2.13, а. Ее называют также гридликом. Гридлик может быть включен как в базовую цепь (см. рис. 2.13,а), так и в эмиттерную цепь. Возможно комбинированное автосмещение, когда элементы гридлика вводятся одновременно в базовую (Rc, Cc)

ив эмиттерную (RЭ, CЭ) цепи. Свойства автогенераторов с базовым и эмиттерным автосмещением одинаковы, однако в эмиттерном гридлике теряется (рассеивается) значительно бó льшая мощность.

Рис. 2.13

130