книги / Радиопередающие устройства
..pdf1.Какие частоты называют радиочастотами?
2.Назовите частотные границы диапазонов радиочастот.
3. Назовите особенности генераторных ламп и транзисторов.
4.В чем заключается линейная идеализация характеристик электронных приборов и какова ее цель?
5.Как сказывается точность расчета генераторов по идеализированным характеристикам?
6. Назовите виды колебательных контуров и нарисуйте их схемы.
7.Назовите основные свойства колебательных контуров.
8.Что такое генератор с внешним возбуждением?
9.Нарисуйте принципиальную схему генератора с внешним возбуждением.
10. Проследите цепи и направления протекания токов в цепях генератора
снезависимым возбуждением.
11.Как измерить токи и напряжения в схеме генератора?
12. Поясните принцип работы генератора с |
независимым возбуждением. |
|||
13. |
Нарисуйте схему транзисторного генератора с внешним возбуждением. |
|||
Поясните его работу. |
|
|
|
|
14. |
Что такое режим работы генератора колебаниями |
первого рода? |
||
15. |
Нарисуйте графики токов и напряжений |
в схеме |
генератора |
при рабо |
те его в режиме колебаний первого рода. |
|
|
|
|
16. Определите предельный режим работы |
колебаниями первого |
рода. |
||
17.Как определить КПД при колебаниях первого рода?
18.Особенности и области применения режима колебаний первого рода.
19.Что такое режим работы колебаниями второго рода?
20.Нарисуйте графики токов и напряжений в режиме колебаний второго
рода.
21.Что такое угол нижней отсечки?
22.Назовите параметры импульсов выходного тока.
23.Прочитайте теорему Фурье.
24.Что такое коэффициенты разложения импульсов?
Глава 2. АВТОГЕНЕРАТОРЫ
2.1. ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ РАДИОЧАСТОТЫ
В качестве 'первоисточника электрических колебаний радиочасто ты используют колебательный контур из индуктивности L и ем кости С (рис. 2.1). Известно, что если в контур LC ввести извне некоторое количество энергии, то в контуре возникнут свободные затухающие электрические колебания. Колебательный процесс в контуре представляет собой периодический обмен энергией между конденсатором и катушкой. Полученная конденсатором извне энергия в виде электрического заряда является потенциальной
9L
энергией и может храниться в нем неопределенно долго. Это энер гия покоя. Но подключение к -конденсатору катушки индуктив ности создает замкнутую электрическую цепь, а значит, путь для движения зарядов, т. е. цепь разряда «конденсатора. Ток разряда конденсатора, протекая через катушку, создает вокруг нее маг нитное поле. При этом энергия электрического поля конденсато ра преобразуется в энергию магнитного поля катушки.
Энергия магнитного поля — это кинетическая энергия, энер гия движения. После окончания разряда конденсатора она не мо жет останавливаться в поле «катушки. После прекращения тока разряда магнитное поле спадает. В результате энергия магнит ного поля возвращается конденсатору. При уменьшении магнит ного поля создается ток, протекающий через конденсатор и за ряжающий его. Так возникает колебательный процесс обмена энергией между конденсатором и катушкой. Если бы конденса тор и катушка были идеальными без потерь, то колебательный процесс происходил бы бесконечно долго. Но реальный контур имеет собственные потери и колебания оказываются затухающими.
Чтобы колебания в контуре стали незатухающими, необходи мо пополнять потери энергии в контуре от источника питания. Причем пополнения энергии в контур должны поступать в такт с возникающими в нем колебаниями, т. е. с их частотой. Осу ществляется такая взаимосвязь момента потребности пополнения энергии в контур с источником питания при помощи элементов обратной связи. Из этого следует, что автогенератор должен со стоять из следующих элементов: колебательной системы (колеба тельного контура), источника энергии (источника постоянного то ка), элемента, регулирующего поступление энергии в контур для пополнения потерь в нем, и элемента обратной связи.
Электронное устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний радиочастоты без внешнего возбуждения, называется автогенератором.
В связи с этим структурная схема автогенератора приобретает вид, показанный на рис. 2.2.
Колебательные системы автогенераторов выполняются в зави
симости |
от диапазона частот либо на основе элементов с сосре- |
||
|
|
f |
4 « x t ' |
|
|
— ^ |
— |
|
|
|
Активный |
|
|
|
четырехполюс \ Щш |
|
|
|
ник |
|
I |
|
|
U |
Czz |
4 ч |
“4 «1 |
м |
Пассивный |
||
|
|
четырехполюс- К , к |
|
|
|
ник |
|
Рис. 2.1. |
Электрический колебатель |
|
|
ный контур |
|
|
|
«2
доточенными параметрами L и С, либо на элементах с распреде ленными параметрами (IB диапазоне СВЧ). В качестве регули рующего элемента используют усилительные приборы — элек тронные лампы, транзисторы, а также диоды, микросхемы и др. Элементами обратной связи чаще ©сего являются конденсаторы
икатушки индуктивности.
Врадиопередающих устройствах автогенераторы «задают»
частоту первоначальных колебаний и выполняют роль задающих генераторов.
Основными требованиями, предъявляемыми к автогенераторам радиопередающих устройств, являются обеспечение заданного значения номинала и стабильности частоты генерируемых коле баний.
Амплитуда колебаний .на выходе автогенератора невелика, и значение ее жестко не оговаривается, поскольку современные пе редатчики многокаскадные и амплитуда (мощность) колебаний определяется усилителями мощности.
Обычно выходная мощность транзисторных автогенераторов составляет несколько милливатт — единицы ватт в зависимости от назначения. Максимальная рабочая частота может достигать 6 ГГц.
2.2. СХЕМА АВТОГЕНЕРАТОРА С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Принцип построения схем автогенератора. Простейшую схему ав тогенератора можно получить на основе схемы генератора с внеш ним возбуждением, т. е. обычного усилителя мощности. В качест ве примера на рис. 2.3,а приведена схема генератора, напряжение возбуждения UB0Зб которого подается от внешнего источника. Учи тывая усилительные свойства транзистора, считаем, что для по лучения заданного напряжения на выходе значение напряжения на входе требуется значительно меньше, чем на выходе (в К раз, где К — коэффициент усиления каскада). Если в контуре при включении напряжения питания «возникли колебания, то на кон туре появилось некоторое небольшое напряжение. Часть этого нап ряжения можно подать с выхода, т. е. с контура, на вход, в цепь
ю
|
|
|
базы. Для этого катушку L1 надо прибли |
||||||||||
|
|
|
зить к катушке контура L2, как показано |
||||||||||
|
|
|
на рис. 2.3,6. Таким образом получим схе |
||||||||||
|
|
|
му генератора с самовозбуждением или |
||||||||||
|
|
|
автогенератора. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
На рис. 2.3,6 приведена принципиаль |
||||||||||
|
|
|
ная |
схема |
транзисторного |
автогенератора |
|||||||
|
|
|
гармонических |
колебаний |
с |
индуктивной |
|||||||
|
II |
трансформаторной |
связью. |
Колебательной |
|||||||||
|
системой |
в |
этой |
схеме является |
контур |
||||||||
|
II |
L2C2, включенный в выходную (коллек |
|||||||||||
|
1| |
||||||||||||
|
!! |
торную) |
цепь |
транзистора. |
Режим |
базо |
|||||||
|
вой |
цепи |
транзистора |
VT задается |
дели |
||||||||
|
|
у |
|||||||||||
Рис. |
2.4. |
График, пояс |
телем R1R2. Стабилизация |
рабочей |
точки |
||||||||
обеспечивается резистором R9 в цепи эмит |
|||||||||||||
няющий |
реакцию катуш |
||||||||||||
ки и |
конденсатора на |
тера. Нагрузка |
R H генератора подключена |
||||||||||
единичный импульс |
к коллектору транзистора через раздели |
||||||||||||
|
|
|
тельный |
конденсатор |
СЗ. |
Обратная |
связь |
||||||
с выходной цепи во входную осуществляется с помощью катушки связи L1, включенной в цепь база — эмиттер.
Начало самовозбуждения происходит следующим образом. При включении источника питания Е к появляется коллекторный ток /к- В момент включения скорость нарастания тока настолько боль
шая, |
что |
он |
протекает |
только через |
конденсатор |
С2 по |
цепи: |
|
+ Е к, |
конденсатор |
С2, |
коллектор — эмиттер, блокировочный |
кон |
||||
денсатор |
Сэ, |
—£ к- |
Конденсатор С2 |
заряжается. |
Индуктивная |
|||
ветвь в этот момент ©следствие ЭДС самоиндукции оказывает быстрому нарастанию тока большое сопротивление. Ток через нее не протекает. Пояснить процессы в контуре в момент включения источника питания можно так. Известно, что реактивное сопро тивление емкости Хс=1/соС, а индуктивности XL= (t>L. Момент включения /| можно считать скачком напряжения, как показано на рис. 2.4 сплошной линией. Его можно рассматривать как на чальную часть синусоиды колебаний высокой частоты (штриховая
линия :на рис. 2.4, о)-*-оо, |
Г-М)). Сопротивление |
конденсатора |
|
Х с= 1/соС-М). |
Сопротивление |
индуктивной катушки |
XL= <aL-*-oo. |
Поэтому ток |
iK проходит только через конденсатор, |
заряжая его. |
|
По мере заряда конденсатора С2 скорость нарастания коллектор ного тока I'K и соответственно ЭДС самоиндукции уменьшается. При этом медленно изменяющийся коллекторный ток проходит в основном через катушку, сопротивление которой для него неболь шое. Зарядившийся в первый момент включения конденсатор С2 начинает разряжаться через катушку L2. В результате в контуре
возникают колебания с частотой f= 0 ,5 n l/ L4C4. Чтобы эти колеба ния стали незатухающими, необходимо восполнять потери энер гии в контуре хотя бы один раз за период. Для этого схема авто генератора должна быть построена так, чтобы выполнялись усло вия самовозбуждения.
Схема автогенератора с трансформаторной обратной связью
94
на электронной лампе приведена на рис. 2.3,6. По своему по строению и протеканию процессов в ней аналогична транзистор ной схеме.
Условия самовозбуждения. Для устойчивой работы автогене ратора необходимо выполнение двух условий: баланса фаз и ба ланса амплитуд.
Баланс амплитуд — это условие поступления количества энер гии от источника питания Е^(Е3) в контур, необходимой для вос полнения всех потерь в контуре и поддержания колебаний неза тухающими.
Баланс фаз — это условие своевременной подачи энергии в контур.
Подача энергии в контур, т. е. подпитка контура, должна происходить не непрерывно, а импульсами, в такт с частотой воз никших в нем колебаний и в определенном количестве. Регули ровку количества и времени поступления энергии в контур осу ществляет транзистор VT с помощью обратной связи. Компенса ция потерь в колебательном -контуре осуществляется током кол лектора tR. Следовательно, значение этого тока должно быть дос таточным для восполнения всех потерь энергии за период. Но значение коллекторного тока определяется напряжением на базе транзистора, т. е. напряжением обратной связи. Поэтому ампли туда напряжения обратной связи U0.св должна быть достаточной для того, чтобы открыть транзистор до такой степени, при кото рой он будет пропускать ток, достаточный для восполнения всех потерь в контуре.
Условие баланса амплитуд является условием достаточной об ратной связи, и его можно выразить так: амплитуда напряжения обратной связи должна быть достаточной для восполнения всех потерь в контуре.
В рассматриваемой схеме с трансформаторной обратной связью баланс амплитуд достигается подбором обратной связи путем из менения расстояния между -катушками или подбором числа вит ков катушки обратной связи.
Второе условие существования незатухающих колебаний в ав тогенераторе — баланс фаз — означает, что ток от источника питания, проходя через контур, должен совпадать по фазе с кон турным током возникших в контуре колебаний. Только в этом случае он будет поддерживать колебания. Транзистор должен от крываться и пропускать ток от источника питания через контур в те полупериоды, когда конденсатор должен подзаряжаться, а энергия колебательной системы должна увеличиваться. Такое от пирание транзистора осуществляется напряжением обратной свя зи. Для этого концы катушки обратной связи Ь0.св должны быть подключены к базе и эмиттеру так, чтобы напряжение на базе было противофазным напряжению на коллекторе.
Таким образом, баланс фаз состоит в том, что сумма фазовых сдвигов колебаний -по цепям прямой передачи (усиления) и об ратной связи должна быть равна или кратна 360°.
При включении автогенератора может оказаться так, что ко лебания в нем не возникают. В таком случае надо подобрать ба ланс фаз, для чего следует поменять местами концы катушки обратной связи.
Уравнение устойчивого самовозбуждения. При рассмотрении автогенератора было отмечено два режима его работы — режим нарастания колебаний и режим установившихся колебаний. Для того чтобы автогенератор устойчиво работал в установившемся режиме, необходимо, чтобы напряжение на контуре в результате прохождения цикла колебаний по цепи обратной связи II"к сов падало по амплитуде и по фазе с напряжением предыдущего цик ла и \ .
Для определения соотношения токов и напряжений в автоге нераторе в установившемся режиме надо записать условие сохра нения неизменным напряжения на контуре после прохождения цикла колебаний по замкнутой ^епи обратной связи.
Допустим, что в начале рассматриваемого цикла колебаний на контуре действует переменное напряжение U \. При этом по цепи обратной связи на сетку подается напряжение, определяемое коэффициентом обратной связи Oc= R U к- Под действием этого нап ряжения в анодной цепи протекает ток 1 3\ = 0 а/2 э.
Эти выражения написаны в комплексной форме для учета сдвига по фазе между анодным током 1 а1 и напряжением на ано де Uа. Появляется сдвиг потому, что в общем случае частота ге нерируемых колебаний со может несколько отличаться от собст венной частоты контура со0. В результате появится фазовый сдвиг между анодным током 1 3\ и напряжением на контуре (/к и экви валентное сопротивление контура будет иметь кроме активной г* еще и реактивную составляющую Z3 = r 3 -t-j Хэ.
Для упрощения анализа и расчета автогенератора по предло жению Ю. Б. Кобзарева было введено понятие о средней кру тизне 5 Cp=/ai/^c=,Sai (1—cos©), где 5 — мгновенное значение крутизны характеристики. Средняя крутизна S cp за время перио да колебаний напряжения на сетке остается постоянной и изме няется только от периода к периоду по мере изменения напря жения на сетке Uc и анодного тока / аi.
Анодный ток /ai, проходя по контуру, создает на нем напря
жение |
С/"к = /а12к=5ср(К —D)ZKU \. |
В установившемся режиме |
должно |
выполняться равенство U '\ = U \ . Тогда S cpZK(/C—£>) = 1. |
|
Обычно значение D очень мало и им можно пренебрегать. Тогда |
||
можно записать 5ср2эК =1 . Известно, |
что комплексные числа рав |
|
ны, если равны порознь их модули и аргументы. Тогда произве дение модулей
«ScpZgK== 1.
Это уравнение получено немецким ученым Баркгаузеном и на зывается основным уравнением стационарного режима автогене ратора.
В транзисторных автогенераторах условия самовозбуждения имеют некоторые особенности. При анализе их работы .необходи мо учитывать внутренний и внешний коэффициенты обратной свя зи. Внешний 'Коэффициент обратной связи определяется отноше нием амплитуды напряжения возбуждения на внешних зажимах эмиттер — база UB к амплитуде .колебательного напряжения на коллекторном контуре [/к, т. е. /Со.с=Г/Б/£/к.
Внутренний коэффициент обратной связи определяется отно шением амплитуды напряжения возбуждения на внутреннем пе
реходе эмиттер — база 0 ЭБ |
к амплитуде напряжения на контуре, |
||
т. е. K'o.c = U9B IUK (см. рис. 2.9,а). Условие |
баланса |
амплитуд |
|
при этом: S cpK'o.cZ3= 1. Но |
К ^о.с—Uэв к = |
-^эбК о.с» |
где К э б = |
= Uэв /U Б — коэффициент |
передачи напряжения в цепи база — |
||
эмиттер. Тогда основное уравнение самовозбуждения принимает
ВИД 5 с р / ( э Б ^ o . c ^ 9 = 1.
Кроме того, в транзисторных автогенераторах следует учиты вать фазовый сдвиг, вносимый инерцией носителей заряда. В лам повых автогенераторах инерцию электронов можно не учитывать даже на высоких частотах, вплоть до СВЧ. А в транзисторных инерция носителей зарядов сказывается уже на сравнительно не высоких частотах. Для устойчивого самовозбуждения фазовый сдвиг, вносимый инерцией носителей, компенсируется расстройкой коллекторного контура.
2.3. ТРЕХТОЧЕЧНЫЕ СХЕМЫ АВТОГЕНЕРАТОРОВ
В автогенераторе, схема которого приведена на рис. 2.3, напря жение обратной связи снимается по трансформаторной схеме. Од нако напряжение обратной связи можно снять с контура и по автотрансформаторной схеме, т. е. с части витков катушки кон тура, как показано .на рис. 2.5,а. Подобным образом можно по лучить напряжение обратной связи и с емкостной ветви контура с помощью емкостного делителя, как показано на рис. 2.5,6.
а) |
6 ) |
Рис. 2.5. Схемы получения напряжения обратной свя зи с части контура
Принципиальные схемы таких автогенераторов приведены на рис. 2.6. Они называются трехточечными схемами автогенератора (трехточки), так как в них транзистор тремя своими выводами (электродами) — эмиттером, базой и коллектором — подсоеди няется к трем точкам колебательного контура, состоящего из трех реактивных элементов. В зависимости от того, какие реактивные элементы количественно преобладают в контуре, различают авто генераторы, выполненные то схеме индуктивной (рис. 2.6,а) или емкостной (рис. 2.6,6) трехточки.
В автогенераторе по индуктивной трехточечной схеме напря жение обратной связи снимается с индуктивной ветви контура, при емкостной — с емкостной ветви контура.
В автогенераторе по индуктивной трехточечной схеме (рис. 2.6,а) режим транзистора по постоянному току обеспечивается элементами схемы: резисторами R1, R2 и R3 и конденсатором СЗ. Колебательный контур образован индуктивностями LI, L2 и конденсатором С2. Выходное напряжение снимается с катушки L2, а напряжение положительной обратной связи — с катушки L1. Так как средняя точка катушки контура L1L2 заземлена че
рез |
блокировочный конденсатор С5, то напряжения, снимаемые |
с L1 |
и L2, оказываются противофазными. Таким включением L1 |
и L2 достигается баланс фаз: напряжение на базе противофазное напряжению на коллекторе. Баланс амплитуд достигается под бором числа витков катушки L1 путем перемещения точки под ключения провода, соединяющего Ы с базой транзистора. Час тота генерируемых колебаний определяется по формуле f =
-0 ,5 л У 1 Д Т Щ с 2.
Индуктивную трехтонку применяют в автогенераторах, пере страиваемых по частоте в возбудителях передатчиков и гетеро динах приемников.
В автогенераторе по емкостной трехточечяой схеме (рис. 2.6,6) колебательный контур L1C5C6 включен в цепь коллектора тран-
°)
зистора |
VT. Режим транзистора определяется резисторами |
R1, |
|
R2 и R4 |
и (конденсатором |
С2. Выходное напряжение и вых |
сни |
мается с |
конденсатора С5 |
и через разделительный конденсатор |
|
С4 поступает в нагрузку. Напряжение положительной обратной связи снимается с конденсатора С6 и через разделительный кон денсатор С1 подается на базу транзистора.
Условие баланса амплитуд достигается подбором емкости кон денсатора С6. Одновременно с этим емкость конденсатора С5 на до скорректировать так, чтобы общая емкость контура С5С6 не изменялась. Баланс фаз достигается заземлением средней точки емкостной ветви контура, в результате чего напряжения на кол лекторе и на базе транзистора оказываются противофазными. Автогенератор по емкостной трехточечной схеме обладает лучшей стабилизацией частоты.
Стабильность частоты автогенератора по емкостной трехто чечной схеме можно несколько повысить включением в индуктив ную ветвь контура конденсатора СЗ, как показано на рис. 2.7,а
(схема Клаппа). Общая емкость контура |
С0бЩ при |
этом |
стано |
вится меньше, чем при двух конденсаторах |
С1 и С2. |
Для |
сохра |
нения той же частоты колебаний надо увеличить индуктивность контура Ы . В результате получится контур с большим характе
ристическим сопротивлением p = V Ai/Собщ. А такой контур при сохранении тех же потерь (r = const) обладает большей доброт ностью Q= p/r, а, следовательно, и лучшими эталонными свой ствами, что способствует повышению стабильности частоты ге нерируемых колебаний.
Кроме того, включение конденсатора СЗ уменьшает коэффи циент подключения транзистора к контуру. А этим уменьшается дестабилизирующее влияние изменения параметров контура на частоту автогенератора.
Схема Клаппа на биполярном транзисторе приведена на рис. 2.7,6. Здесь транзистор включен по схеме с общим коллектором. Такой вариант схемы создает конструктивные удобства. Соедине ние коллектора с корпусом улучшает охлаждение транзистора;
<0 |
б) |
Рис. 2.8. Трехточечные схемы ламповых автогенераторов
подключение статора подстроечного конденсатора СЗ к точке ну левого потенциала по радиочастоте устраняет влияние руки опе ратора «а частоту генерации. Делитель R1R2 и резистор R3 обес печивают режим транзистора по постоянному току: мягкое воз буждение с переходом в жесткий режим установившихся колеба ний. Колебательный контур образован индуктивностью L1 и кон денсаторами C l, С2 и СЗ.
Схема Клаппа на полевом транзисторе приведена на рис. 2.7,в. Колебательный контур здесь образован индуктивностью L1 и кон денсаторами С/, С2 и СЗ. Настройка контура осуществляется из менением индуктивности L1. Выходной электрод соединен с об щим проводом только по радиочастоте, что упрощает питание транзистора: вместо делителя включается один резистор Rcм.
Физические процессы в автогенераторах, построенных по трех точечным схемам, происходят следующим образом. Затухающие колебания в контуре возникают при включении источника кол лекторного питания за счет заряда конденсатора контура им пульсом тока, прошедшим через конденсатор в момент включения Е к- Затухающие колебания поддерживаются и превращаются в незатухающие за счет энергии источника питания в результате наличия в схеме усилительного элемента — транзистора и выпол нения в схемах условий самовозбуждения.
Процесс пополнения энергии в контуре происходит так же, как и в схеме с трансформаторной обратной связью.
Трехточечные схемы автогенераторов на электронных лампах приведены на рис. 2.8. Баланс фаз в этих схемах достигается перекрестным подключением выводов сетки и катода к индуктив ной (рис. 2.8.а) или емкостной (рис. 2.8,6) ветви контура. Баланс амплитуд выполняется путем подбора значения обратной связи перемещением сеточного вывода по виткам катушки контура или величины емкости обратной связи С2. Коэффициент обратной свя зи в этих схемах определяется отношением.
/С о .с = С /с /С / a = = < & L ' c f ( i ) L & ^ = L c f L a ]
K o .c = t/o /t/a = (l/< 0 C 2)/(l/< 0 C 1) = С ,/С 2.