книги / Радиопередающие устройства
..pdf2.4. ОБЩЕЕ ПРАВИЛО ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ СХЕМ АВТОГЕНЕРАТОРОВ
Анализируя построение трехточечных схем автогенераторов — индуктивной и емкостной, можно заметить, что обе эти схемы имеют общий принцип построения. Для детального выяснения этого составим эквивалентные схемы трехточечных автогенерато ров только по высокой частоте — радиочастоте.
Так, в индуктивной трехточечной схеме (см. рис. 2.6,а) эле менты контура подключены к транзистору в следующем порядке. Конденсатор контура С2 подключен между коллектором и базой транзистора. Конденсатор С1 является разделительным, емкость
его большая, |
а сопротивление для рабочей частоты очень мало, |
и его можно |
не учитывать. Катушка Ы подключена по высокой |
частоте между базой и эмиттером: к базе через тот же конден сатор С1, а к эмиттеру через блокировочные конденсаторы С5 и СЗ, сопротивление которых для тока рабочей частоты очень мало и при составлении схемы по высокой частоте его можно не учи тывать. Катушка L2 подключена между коллектором и эмиттером транзистора через те же конденсаторы С5 и СЗ. В результате получим эквивалентную схему автогенератора по индуктивной трехтонке, составленную только для высокой частоты (радиочас тоты), приведенную ,на рис. 2.9,а.
Аналогично составим эквивалентную схему автогенератора по емкостной трехточечной. Катушка колебательного контура в ней подключена между коллектором и базой транзистора. Сопротив ление разделительного .конденсатора С1, как и в предыдущей схеме, очень мало и его не учитываем. Конденсатор С5 подклю чен между коллектором и эмиттером. Малое сопротивление бло кировочного конденсатора можно не учитывать. Конденсатор С6 подключен между эмиттером и базой через блокировочный кон денсатор С2 и разделительный С1. В результате эквивалентная по высокой частоте схема автогенератора по емкостной трехточке принимает вид, показанный ша рис. 2.9,6.
lent
\
г) |
Ц S3 |
|
Сравнив эквивалентные схемы автогенераторов по индуктив ной и емкостной трехточечным схемам, можно установить общее правило построения трехточечных схем: реактивные сопротивле ния между эмиттером и базой ХЭб и эмиттером и коллектором Хж должны быть одинакового знака, а реактивность база — кол лектор ХбКдолжна быть противоположного знака.
Такой порядок подключения реактивностей колебательной
системы к |
транзистору |
необходим |
для |
выполнения |
|
баланса |
|||||
фаз. |
Это |
означает, |
что |
переменные напряжения на |
коллек |
||||||
торе |
и на базе должны быть противофазными. |
Пусть |
в |
ка |
|||||||
кой-то |
момент напряжение |
между |
коллектором |
и эмиттером |
|||||||
имеет .полярность, указанную на рис. 2.9,0 и г (вектор Uy® |
указан |
||||||||||
стрелкой). Под действием этого напряжения в ветви L1C2 про-, |
|||||||||||
текает |
ток. Поскольку |
индуктивность |
катушки-связи Ы намного |
||||||||
меньше индуктивности катушки L2, а |
Хс2 = X L I ,L2 , то Х и <^.Хсз |
||||||||||
Следовательно, результирующее сопротивление L1C2 будет ем |
|||||||||||
костным. Поэтому ток в ветви L1C2 будет опережать напряже |
|||||||||||
ние U кэ на 90° — вектор |
1с2ы на рис. 2.9,а. Этот |
ток, |
протекая |
||||||||
через катушку Ы , создает на ней падение |
напряжения |
U ti, |
опе |
||||||||
режающее ток Ici LI на 90°, |
— вектор |
U L \ |
на рис. 2.9,г. Но |
нап |
|||||||
ряжение Uи |
— это напряжение обратной |
связи. Таким образом, |
|||||||||
напряжения на коллекторе и на базе транзистора оказываются сдвинутыми на 180°, т. е. они противофазны. А это и необходимо для выполнения условия баланса фаз. Аналогично можно по строить векторную диаграмму и для емкостной трехточечной схемы.
Значения реактивных сопротивлений контура должны быть по
добраны так, |
чтобы |
в контуре были колебания с |
частотой / = |
= 1/2яУ LKCK. |
Для |
этого должно быть выполнено |
условие Хс = |
—XL, т. е. реактивное сопротивление емкостной ветви должно быть равно реактивному сопротивлению индуктивной ветви. Для индуктивной трехточки это 1/<иС2= а (Ы + L2) , для емкостной —
2.5. РЕЖИМЫ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ
Для того чтобы более детально проследить процесс возникнове ния, нарастания и установления колебаний в автогенераторе, удобно воспользоваться графическим методом с помощью коле бательной характеристики и линии обратной связи.
Колебательной характеристикой называется зависимость ам плитуды первой гармоники коллекторного тока от амплитуды управляющего напряжения на базе транзистора /к 1 = ф ( ^ бэ)- Вид колебательной характеристики зависит от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора
‘К = Д0БЭ)-
'вык |
^ocl< ^oc2 |
t
t
* ) |
0 |
* ) |
Рис. 2.10. Колебательные характеристики и линии обратной связи |
||
При работе транзистора в |
.режиме колебаний |
первого рода, |
т. е. когда рабочая точка А выбрана на середине линейного участка проходной характеристики, как показано на рис. 2.10,а, колебательная характеристика имеет выпуклую форму (рис. 2.10,6,1). При увеличении амплитуды входного напряжения ампли туда выходного тока сначала достаточно быстро возрастает вслед ствие постоянства крутизны (Se= const). Затем рост выходного тока замедляется из-за нелинейности нижнего и верхнего изгиба характеристики транзистора.
Вели рабочая точка на (переходной характеристике транзисто ра выбрана в области отсечки выходного тока В (режим (колеба ний второго рода), то колебательная характеристика начинается несколько правее нуля. Затем то мере увеличения входного (уп равляющего) напряжения колебательная характеристика имеет нижний изгиб, соответствующий нелинейному нижнему участку проходной характеристики и соответственно верхний изгиб (рис.
2.10АИ).
Линией обратной связи называется графически выраженная зависимость напряжения обратной связи от тока ,в выходной це пи транзистора. Поскольку цепь обратной связи линейна, то ли ния обратной связи представляет собой прямую линию, восхо дящую из тачала координат (рис. 2.10,в).
Чтобы проследить процесс возникновения, нарастания и уста новления колебаний, совместим колебательную характеристику и линяю обратной связи на одном графике.
^ягкий режим самовозбуждения. На рис. 2.11,а амплитудная колебательная характеристика генераторов в режиме колебаний первого рода (кривая линия) и амплитудная характеристика об ратной связи автогенератора (прямая линия) совмещены на од ном графике. Поскольку исходная рабочая точка находится на среднем крутом участке проходной характеристики транзистора (см. рис. 2.10,а), то даже самые малые изменения напряжения на яходе транзистора вызовут изменения выходного тока. А такие маЛые изменения напряжения в схеме имеются всегда либо за C4€f флуктуаций носителей зарядов, либо за счет включения нап ряжения источника питания.
|
а) |
|
б) |
|
Рис. 2.11. Графики токов и напряжении |
в мягком |
(а) и жестком |
(б) режимах |
|
самовозбуждения |
|
|
|
|
Допустим, что в контуре за счет флуктуаций появился ток |
||||
11ыт |
(рис. 2.11,а). Этот ток по |
цепи обратной связи создает на |
||
входе |
напряжение возбуждения |
UK Это |
напряжение |
в соответ |
ствии с колебательной характеристикой вызывает в выходной цепи ток / п. При токе / п .на входную цепь автогенератора в соответствии с линией обратной связи наводится напряжение U11, которое вызывает ток / 1П, и т. д. Последовательность нарастания колебаний показана на рис. 2.11,а стрелками. Так, колебания в контуре будут нарастать до значения, определяемого точкой В пересечения колебательной характеристики и линии обратной свя зи. Точка В соответствует режиму установившихся колебаний: в выходной цепи протекает ток / уст, на участке база — эмиттер соз дается напряжение £/уст. В точке В выполняется баланс ампли туд, и в автогенераторе устанавливаются устойчивые колебания.
Действительно, если на (выходе автогенератора ток уменьшился до значения / ш, то он через цепь обратной связи будет созда вать на входе напряжение U111 и колебания снова возрастут до установившегося значения. Если же за счет внешнего воздейст вия ток в контуре увеличится, например, до значения / v, то по тери в контуре оказываются больше и напряжение на вход по цепи обратной связи наведено меньше. Колебания уменьшаются до установившегося значения.
Из рассмотренного следует, что на участке, где колебательная характеристика проходит над линией овязи, пополнения больше потерь и колебания нарастают. На участке, где колебательная характеристика ниже линии обратной связи, пополнения меньше потерь и колебания уменьшаются. В точке В пересечения ампли тудных характеристик пополнения равны потерям.
Таким образом, в режиме колебаний первого рода колебания в автогенераторе возникают после включения источника питания самостоятельно и нарастают до установившегося значения плав-
104
но, мягко. Поэтому такой режим колебаний называют мягким ре жимом самовозбуждения.
Жесткий режим самовозбуждения. Если рабочая точка на про ходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока, колебательная характеристика пересекается с ли
нией обратной связи |
в двух точках, как показано ка |
рис. 2.11,6. |
В области I кривая проходит под прямой — это значит, как было |
||
показано выше, что |
потери в контуре превышают |
пополнения |
энергии и колебания не возникают. В области II кривая проходит над прямой — это значит, что потери в контуре меньше, чем по полнения, и колебания могут нарастать. Из этого видно, что в режиме колебаний второго рода колебания автоматически, от флуктуаций, возникнуть не могут (участок а— 1 на рис. 2.11,6). Для возникновения колебаний в автогенераторе в режиме коле баний второго рода необходимо во входную цепь транзистора подать напряжение значительной амплитуды UB036 > U B. Только после этого резкого, жесткого внешнего толчка напряжения ко лебания возникают и быстро нарастают. Отсюда и режим само возбуждения называется жестким. Колебания нарастают до уста новившегося значения, соответствующего точке В устойчивых ко лебаний.
Особенности мягкого и жесткого режимов самовозбуждения. Достоинство мягкого режима — удобство в эксплуатации, так как колебания возникают автоматически сразу после включения источника питания. Недостаток мягкого режима — низкий КПД выходной цепи, так как автогенератор в установившемся режи ме работает колебаниями первого рода.
При жестком режиме самовозбуждения КПД выходной цепи высокий, но в эксплуатации значительное неудобство: для воз буждения генератора нужно иметь еще один автогенератор, что бы запустить работающий колебаниями второго рода.
Объединить достоинства обоих режимов самовозбуждения — удобство в эксплуатации с высоким КПД — и избавиться от не достатков можно схемным решением: применить в схеме автоге нератора автоматическое смещение, как показано на рис. 2.6,а. В этой схеме в момент включения исходная рабочая точка на проходной характеристике транзистора напряжением с делителя R1R2 устанавливается на середине характеристики. Колебания возникают мягко, в режиме колебаний первого рода, т. е. от нуля. По мере нарастания амплитуды колебаний увеличивается ампли туда выходного тока, который создает на резисторе R3 напряже ние смещения, сдвигающее рабочую точку влево в область от сечки, как показано на рис. 2.10,а. Таким образом, колебания возникают автоматически, а в установившемся режиме автогене ратор работает колебаниями второго рода с высоким КПД.
Наклон колебательной характеристики определяется значением коэффициента обратной связи К0.с. На рис. 2.12 показано поло жение линии обратной связи при различных коэффициентах обрат ной связи. Здесь видно, что с уменьшением обратной связи ам
плитуда установившихся колебаний уменьшается £/Уст2<£/уст1. Та наименьшая связь, при которой колебания еще существуют, на зывается критической — /Со.с.кр. Из рисунка видно, что баланс амплитуд будет выполняться дари достижении неравенства Ко.с<
"С/Со.с.кр-
Прерывистая генерация. Положение рабочей точки в устано вившемся режиме определяет режим работы транзистора, а сле довательно, и параметры автогенератора. А для установления рабочей точки в заданное положение необходимо правильно выб рать элементы совмещения R3C3. Если же сопротивление авто смещения выбрать больше требуемого, то напряжение смещения увеличится и сместит рабочую точку еще дальше влево в области отсечки (рис. 2.13). Амплитуда коллекторного тока уменьшится и окажется недостаточной для поддержания колебаний, они пре кратятся.
После .прекращения колебаний в контуре транзистор оказы вается закрытым, коллекторный ток не протекает. В закрытом состоявши транзистор удерживается напряжением на конденса торе Сэ, приложенным между базой и эмиттером. Во время гене рации конденсатор зарядился эмиттерным током. После прекра щения колебаний этого тока нет и конденсатор не подзаряжается, а, наоборот, начинает разряжаться через резистор R3. Напряже ние смещения спадает по экспоненте (участок 2—3 на рис. 2.13). Рабочая точка на характеристике транзистора смещается вправо. В тот момент, когда рабочая точка окажется на таком участке характеристики, что коллекторный ток окажется достаточным для восполнения всех потерь в контуре, т. е. будет выполняться ба ланс амплитуд, колебания возникнут снова. Они будут нарастать и снова сорвутся. Таким образом, процесс возникновения, нара-
Рис. |
2.12. Положение линий |
обратной |
Рис. 2.13. Прерывистая генерация |
связи |
при разных значениях |
Ко.с |
|
стания и срыва колебаний будет повторяться. Автогенератор бу дет работать в режиме прерывистой генерации. На выходе полу чаются радиоимпульсы, период повторения 'которых определяется параметрами ДЭС9. Прерывистая генерация используется для по лучения радиоимпульсов.
|
2.6. ДВУХКОНТУРНЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ |
||
Принцип построения схем |
двухконтурных |
автогенераторов. Рас |
|
сматривая |
обобщенную |
эквивалентную |
схему автогенератора |
(рис. 2.9,в), |
видим, что любая из трех реактивностей Хэк, Х 9б, Хбк |
||
может быть выполнена не только в виде отдельной катушки или конденсатора, но и в виде их комбинаций, в том числе и в виде колебательных контуров, как показано на рис. 2.14. Каждый кон тур должен быть расстроен относительно частоты генерации так, чтобы он имел реактивное сопротивление соответственно правилу построения трехточечных схем автогенераторов: индуктивное или емкостное.
Эквивалентная схема трехконтурного автогенератора, приве денная .на рис. 2.15, называется обобщенной сложной трехточеч ной схемой. В большинстве практических схем роль третьего реактивного элемента выполняет внутренняя емкость электронно го прибора. Такие генераторы называются двухконтурньими с внут ренней емкостной обратной связью. Связь между двумя контура ми может быть и электронной.
Схема двухконтурного автогенератора с электронной связью (схема Б. К. Шембеля) была разработана советским инженером Б. К. Шембелем в 1931 г. и выполняется на экранированной лам-
Рис. 2.14. Эквивалентные схемы сложных трехточек
Рис. 2.15. Эквивалентная схема трехконтурного ав тогенератора
ф
Рис. 2.16. Схема Б. К. Шембеля:
с —ламповая, б — транзисторная
пе. Как видно из рис. 2.16,а, схема автогенератора имеет два кон тура— сеточный LK1CK1 (внутренний) и анодный LK2CK2 (внеш ний). Рассматривать работу .схемы удобно, разделив ее условно на две части: автогенератор и усилитель мощности. Автогенера тор выполнен .по индуктивной трехточечной схеме, колебательный контур которого LK1СК1 .подключен тремя точками /к трем элек тродам лампы — 'катоду, сетке и экранирующей сетке, выполняю щей роль анода самовозбуждающеися части схемы. При таком подключении контура LK1CK1 в этой части схемы выполняется
баланс |
фаз. При |
подборе баланса |
амплитуд в контуре Ь«\С К\ |
будут |
возникать и |
поддерживаться |
(током экранирующей сетки |
/ эс) незатухающие |
колебания с частотой он» 1/V LKCK. Перемен |
||
ный ток с частотой o>i протекает по цепи: экранирующая сетка, сетка— катод внутри лампы, контур LK1CK1, корпус, конденсатор Сэ, экранирующая сетка. На контуре LK1CK1 создается падение напряжения UK\. Часть этого напряжения Uci управляет -анодным
током лампы / аь вызывая изменение его |
с частотой |
©i. Анодный |
ток / а, протекает через оба контура — |
внутренний |
и внешний и |
поддерживает в них колебания. Цепь переменного анодного тока:
анод — катод внутри |
лампы, |
контур LK1CK1, корпус, |
контур |
|||
LK2CK2, |
анод. Полезной мощностью является мощность, выделяе |
|||||
мая во |
внешнем |
контуре, Р „ 2- Мощность, |
выделяемая |
во внут |
||
реннем |
контуре |
1, |
теряется |
бесполезно. |
Поэтому эквивалент |
|
ное сопротивление внешнего контура R 32 выбирают в 7—8 раз больше сопротивления внутреннего контура R31. И мощность ко лебаний на выходе схемы будет больше, чем в цепи управляю щей сетки. Таким образом, вторая часть схемы, содержащая кон тур LK2CK2, включенный в анодную цепь лампы, выполняет роль усилителя колебаний, созданных в первой части схемы.
Достоинством схемы автогенератора с электронной связью является высокая стабильность частоты генерируемых колебаний. Это объясняется тем, что функции генерирования колебаний и от дачи мощности в нагрузку разделены. Частота колебаний опре деляется внутренним контурам, а в нагрузку мощность отдается с внешнего контура, не связанного с внутренним.
Нагрузка |
(антенна или последу |
|
|
|||||
ющий каскад) вносит в анодный |
|
|
||||||
контур |
изменяющиеся |
во |
времени |
|
|
|||
значения сопротивлений Хвн и # вн, |
|
|
||||||
что |
вызывает расстройку |
контура. |
|
|
||||
В обычном автогенераторе по трех |
|
|
||||||
точечной схеме контур один. По |
|
|
||||||
этому расстройка контура |
перемен |
|
|
|||||
ным |
|
вносимым |
сопротивлением |
|
|
|||
влечет |
за |
собой |
нестабильность |
|
|
|||
частоты генерации. А в схемах с |
|
|
||||||
электронной |
связью |
выходной кон |
|
|
||||
тур, |
воспринимающий |
расстройку, |
Рис. |
2.17. Эквивалентная схема |
||||
не определяет частоту |
генерации, |
связи |
между контурами |
|||||
поскольку он не связан с внутрен ним контуром, определяющим частоту. Это разделение контуров
достигается экранирующим действием второй сетки, что наглядно видно на эквивалентной схеме, приведенной на рис. 2.17. Зазем ление экранирующей сетки через Сэ значительно уменьшает ем кости Сас и Сак, в результате чего связь между контурами через Сас и Сак резко ослабляется. Остается связь через общий элек тронный поток внутри лампы, что на эквивалентной схеме отра жено через приведенное внутреннее сопротивление Ri. Но в тет родах и пентодах Ri большое и связь через электронный поток очень мала.
Таким образом, влияние дестабилизирующих факторов во внут ренний контур не передается и стабильность частоты повышается.
Анодный контур LK2CK2 в схеме с электронной связью можно настраивать на вторую гармонику и получить умножение частоты.
2.7. АВТОГЕНЕРАТОРЫ НА ЭЛЕМЕНТАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Электронные приборы, как и пассивные элементы, при включе нии их в электрическую цепь оказывают току некоторое сопро тивление R = E/I. На преодоление этого сопротивления источник тока затрачивает некоторую энергию. Схематически это можно представить, как показано на рис. 2.18. Стрелками на рисунке
показано направление ЭДС |
Е и тока |
I. |
Здесь видно, что и ЭДС, |
и ток имеют одинаковое направление. |
Приняв это направление |
||
за положительное, получим |
R = E/I, |
т. |
е. сопротивление оказы |
вается положительным. В этом случае электронный прибор яв ляется потребителем энергии. Вольт-амперная характеристика та кого прибора представляет собой восходящую линию.
Но есть электронные приборы, у которых вольт-амперная ха рактеристика имеет спадающий участок. Для примера на рис. 2.19 приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. На этом рисунке видно, что при увеличении напряжения, приложен-
Рис. 2.19. Вольт-амперная характе ристика туннельного диода
ного к диоду, начиная с неко торого значения, ток через диод уменьшается, т. е. нап равление тока становится противоположным направле нию ЭДС. Это соответст
вует отрицательному значению сопротивления Е /(—I) = —R.
Физическую сущность отрицательного сопротивления можно пояснить следующим образом. При наличии в цепи отрицатель ного сопротивления увеличение приложенного напряжения -вызы вает уменьшение тока в цепи. Это явление можно представить так. Уменьшение тока от источника происходит как бы в резуль тате компенсации .прямого тока источника .питания встречным то ком, источником которого является отрицательное сопротивление. Таким образом, отрицательное сопротивление можно рассматри вать как источник тока, т. е. как генератор.
Отрицательное сопротивление используется в автогенераторах для получения автоколебаний в контуре. Так, если в колебатель ный контур LCR (рис. 2.20) включить отрицательное сопротив ление —Ry равное положительному /?, то потери в контуре будут скомпенсированы и в контуре могут существовать свободные не затухающие колебания.
В качестве примера рассмотрим автогенератор на туннельном диоде. Туннельный диод представляет собой полупроводниковый диод, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-ампер.ной характеристике отрицательной дифференциальной проводимости. Изготовляется он из арсенида галлия или герма ния. В качестве доноров для арсенид-галлиевых диодов исполь зуют олово, свинец, селен и др., а в качестве акцепторов — цинк, кадмий. В областях р и п полупроводника концентрация леги рующих примесей очень высокая — на два-три порядка выше, чем в обычных диодах. При такой концентрации примеси ширина р - п -перехода оказывается очень малой — примерно 0,01 мкм, в
ПО