LC генераторы. 2_LC_генераторы. 2 (рис б)
 Скачать 3.04 Mb.
|
|
а LC L1 LК СК СБЛ СБЛ +ЕА -ЕС е iА uC (t) СБЛ LC L1 LК СК СБЛ +ЕА -ЕС е б L2 iА uC (t) В АГ сигнал возбуждения, в отличие от ГВВ (рис. а), подаётся не от внешнего источника, а от собственной нагрузки в выходной цепи АЭ через цепь обратной связи, например, с использованием катушек индуктивности L1 и L2 (рис. б). При включении напряжений питания (схема б) в начальный момент появляется нестационарный анодный ток iА, который протекает через ветви СК и LК контура в выходной цепи АЭ. Протекающий через ветвь LК контура ток создаёт в ней переменную ЭДС, которая через катушки L2, L1 и LС прикладывается ко входу АЭ, обеспечивая сигнал возбуждения uC (t). При достаточной величине связи между парами катушек и соответствующей полярности соединения катушек L1, L2, сигнал возбуждения будет увеличивать ток в цепи контура, что приведёт к дальнейшему росту переменной ЭДС и сигнала возбуждения и т.д. Т.к. в схеме имеется контур СК LК, то компоненты нестационарного тока с частотой, совпадающей с резонансной частотой контура f0, усиливаются в Q раз сильнее, то есть в схеме появляются практически гармонические колебания с частотой, равной резонансной частоте контура. Процесс нарастания выходного тока АЭ, соответственно и переменных напряжений в схеме, не будет протекать беспредельно. Практически, из-за нелинейности статических ВАХ лампы или транзистора (обычно с ростом тока или напряжения сигнала коэффициент усиления АЭ падает), процесс самовозбуждения устанавливается при значениях токов, не достигающих тока насыщения. После достижения током АЭ определённой величины в схеме устанавливаются стационарные колебания, амплитуда и частота которых остаются постоянными. При этом роль генераторного прибора сводится к поддержанию постоянства этих колебаний. Условия, при которых в схеме поддерживаются постоянные колебания, определяются основным уравнением АГ в установившемся режиме и известны как условия баланса фаз и баланса амплитуд. АЭ -активный четырёх-полюсник КС - пассивный четырёх-полюсник U1 * U1 * U2 * U2 * Структурная схема АГ Комплексный коэффициент передачи АЭ по напряжению Комплексный коэффициент передачи по напряжению пассивного четырёхполюсника Для замкнутой системы в установившемся режиме должно выполняться соотношение Это равенство можно расписать в виде двух условий: К ∙ = 1 - баланс амплитуд; φK + φ = 2πn, n = 0, 1, 2 ...- баланс фаз, при К < 1 - амплитуда уменьшается; при К > 1 - амплитуда увеличивается. или К К ∙ = 1 - баланс амплитуд φK + φ = 2πn, n = 0, 1, 2 ...- баланс фаз Комплексный коэффициент передачи по напряжению К К 2700 900 Баланс фаз и баланс амплитуд определяют условие самовозбуждения. Баланс фаз позволяет определить f, а баланс амплитуд - амплитуду колебаний U2 АГ. Для реальных АЭ коэффициент передачи K нелинейно зависитот амплитуды входного сигнала. Колебательная характеристика (КХ) - это зависимость амплитуды первой гармоники контурного тока от амплитуды управляющего напряжения при разомкнутой цепи обратной связи (ОС). См. рис. График колебательной характеристики В точках 1,2,3 - выполняется баланс амплитуд. При 2 точки 1, 3 – точки устойчивого равновесия, а точка 2 – неустойчивого. Точки устойчивого равновесия - точки пересечения линии ОС с КХ, в которых угол наклона КХ к оси абсцисс больше угла наклона линии ОС. В противном случаеточки пересечения линии ОС с КХ являются точками неустойчивого равновесия. =UВХ/UВЫХ График колебательной характеристики Различают мягкий и жесткий режимы самовозбуждения. Если характеристика ОС имеет вид 3, то генерация возникнет самопроизвольно (К > 1), а система перейдет в устойчивую точку 4 (К = 1). Такой режим возбуждения называют мягким. При 1 и 2 колебания не могут возникнуть из-за малых флуктуаций напряжения UВХ (К < 1), система остается в устойчивой точке 1. При величине ОС 2 для вывода системы из устойчивого начального состояния (т.1) необходимо напряжение возбуждения, превосходящее UВХ2 по амплитуде, т. e. необходим начальный толчок, который выведет систему за неустойчивую точку 2. После чего установятся выходные колебания с постоянной амплитудой, соответствующей напряжению UВХ3 (т.3) . Такой режим возбуждения называют жестким. 4 =UВХ/UВЫХ LC - генераторы ИАЭ – идеальный активный элемент (ИИТ), ZВХ >>1, ZВЫХ>>1; ZВХ/ ZВЫХ>>1. ОПЧ – объединенный пассивный четырех-полюсник, включает все внутренние потери R и реактивные проводимости L, C (контур). Эквивалентная схема АГ называется обобщенной трехточечной схемой. S - комплексная средняя крутизна ИАЭ ИАЭ ОПЧ Z2 Z1 Z3 IВЫХ UВЫХ UВХ Эквивалентная схема АГ -IВЫХ - управляющее сопротивление Управляющее сопротивление отражает связь между и и равно: коэф. ОС. где или В показательной форме Здесь S, , н – сдвиги фаз, вносимые транзистором, цепью ОС и нагрузкой – контуром. Уравнения баланса амплитуд и баланса фаз соответственно: UВХ Пусть ИАЭ безинерционен ( S =0) Тогда условия генерации: ХУ=0 – баланс фаз; S RУ = 1 – баланс амплитуд. Т.к. колебательные системы АГ выполняют с малыми потерями для улучшения стабильности частоты, то R1/X1 <<1, R2/X2 <<1, R3/X3 <<1 и Здесь R=R1+R2+R3, Х=X1+X2+X3=0 – определяет частоту генерации. При R > 0 знаки X1 и X2 должны быть одинаковыми. Тогда X3 должен быть противоположного знака. При этом никаких ограничений на характер реактивности X1, X2 и X3 не накладывалось. Возможны 2 варианта трехточечной схемы АГ.
б) емкостная трехточка: X1 < 0, X2 < 0, X3 > 0; Х3 Х2 Х1 а) Х3 Х2 Х1 б) Обозначим коэффициент передачи ИАЭ по напряжению при малом значении UВХ через K0, тогда K0 > K. Коэффициент передачи ОПЧ не зависит от действующих напряжений, следовательно β = const. Кроме того, должно выполняться условие β > 1/K0 = βКРИТ, где βКРИТ – критическое (минимально допустимое) значение коэффициента передачи ОПЧ. Величина G = K0β в теории АГ называется фактором генерации и в схемах ламповых и транзисторных АГ обычно принимается G = 2…3. Трехточечные схемы АГ индуктивная трехточка емкостная трехточка ИАЭ ОПЧ Z2 Z1 Z3 IВЫХ UВЫХ UВХ Эквивалентная схема АГ Высокая стабильность частоты АГ, определяется добротностью колебательной системы, безинерционностью транзистора и выбранным режимом его работы. Добротность ненагруженного контура QХХ = / rп, где rп - сопротивление суммарных потерь в контуре автогенератора. Обычно rL>>rC, поэтому можно считать, что QХХ = QL = 0L/rL. Высокая добротность нагруженного контура обеспечивается при работе автогенератора на нагрузку с большим сопротивлением и при малом коэффициенте включения р контура в коллекторную цепь. При малых потерях в элементах контура коэффициент ОС с учетом Х2+Х3= -Х1 при условии баланса фаз будет вещественным : Сопротивление нагрузки Zн также вещественно: Х3 Х2 Х1 , где Cs – суммарная емкость контура, ρ - характеристическое сопротивление контура, ρ = 0 L3 . При этом эквивалентное сопротивление контура (нагрузки АЭ) Rн = RЭКВ =p2 ρQ . Для развязки по постоянному току в схеме емкостной трехточки последовательно с L3 включают конденсатор C3. Суммарная емкость контура в этом случае определяется из выражения Возможны также 2 варианта трехточечной схемы АГ, когда коэффициент усиления по напряжению АЭ КН<1 (повторители). Индуктивная трехточка Емкостная трехточка Условие баланса амплитуд Kβ=1 обеспечивается в этом случае за счет автотрансформации ВЧ напряжения, баланс фаз – схемой включения с ОК. Х3 Х2 Х1 обычная схема емкостной трехточки Схемы с полным фазированием На низких частотах S = 0. С повышением частоты АГ начинает сказываться инерционность транзистора - его крутизна становится комплексной и φS < 0 (транзистор считают безынерционным при <0.3S(S или –граничная частота транзистора по крутизне). Частотные характеристики биполярных транзисторов 1 2 3 Обычно φ=0 (-вещественное) и φSφН0, φН φS Если |φS| ≤ 20…30°, свойства АГ изменяются мало и все ранее сделанные выводы остаются в силе. При |φS| ≈ 40...60° значительно падает мощность, а также возрастает нестабильность f. На еще более высоких частотах |φS| может превысить 900 и генерация станет невозможной, т.к. для одиночного контура φНМАКС900. Улучшения параметров АГ можно добиться введением комплексного коэффициента обратной связи β, так, чтобы: φS + φβ = 2πn, n = 0,1,2… и тогда φН0. Такие схемы называют схемами с полным фазированием. Их преимущество состоит в том, что φН = 0, т.е. АЭ нагружен на настроенный контур. При φН = 0: 1) Контур работает на собственной резонансной частоте f0, где фазовая характеристика наиболее крутая, а тогда fГ стабильнее. 2) Увеличивается отдача мощности: U = 0,5UН IК1cosφН, т.к. φН = 0 => cosφН = 1. Для создания нужного сдвига фаз в цепи ОС связи нужно : 1) Подобрать для трехточки такие элементы, чтобы получить нужное φβОС. 2) Ввести в схему АГ специальную фазовращающую цепочку в тракт ОС - Z4 и Z5. Роль Z5 обычно выполняет входное сопротивление АЭ . Компенсацию фазы средней крутизны коллекторного тока можно осуществить в АГ на основе ёмкостной или индуктивной трёхточки. Ёмкостная трёхточка для такой цели более удобна. Схема транзисторного АГ на основе ёмкостной трёхточки с добавлением фазокомпенсирующей ёмкости СФ и векторная диаграмма для неё приведены на следующем рисунке. Схема автогенератора с фазирующей цепочкой За опорный принят вектор выходного напряжения на коллекторе UМК. Ток IС2, опережает по фазе напряжение UМК на 90°. Ток IL отстаёт по фазе от напряжения UМК и создаёт падение напряжения UC1 на цепи С1, СФ, СВХ, RВХ. Напряжение UC1 в силу ёмкостного характера цепи отстаёт по фазе от тока IL. Ток IСФ, через ёмкость Сф и сопротивление RВХ, опережает по фазе напряжение UC1. Создаваемое током IСФ напряжение UMВХ отстаёт по фазе от тока и, очевидно, находится в противофазе с обозначенным на схеме напряжением UМб.Последнее напряжение обусловливает коллекторный ток, амплитуда первой гармоники которого В итоге ток IК1 отстает от UМб и оказывается в фазе с напряжением UМК1 , т.е. нагрузка имеет чисто активный характер. Схема и векторная диаграмма АГ с фазирующей цепочкой Z4=СФ Z5= СВХ RВХ Очевидно, значения s компенсация которых возможна в схеме, находятся в пределах s = 0…– 90°, не достигая крайнего значения – 90°. Если фаза средней крутизны коллекторного тока выходит за пределы – 90°, то в ёмкостной трёхточечной схеме приходится делать отрицательный коэффициент ОС (сопротивления Z2 и Z3 берутся индуктивного характера) и между базой и контуром включать фазокомпенсирующую индуктивность LФ (см. рис.). АГ с отрицательным коэффициентом ОС носит название обращённого АГ. LФ UМБ * UMK * IK1 IK1 L1 СВХ RВХ IС IL2 ILФ С L2 Вариант схемы обращённого АГ (для ВЧ токов) UMK * IL2 IС UL1 IL Ф UM ВХ IK1 UМБ = * -UM ВХ s>900 Другие варианты фазокомпенсирующих элементов для обычных и обращенных АГ рассмотрены в учебнике Г.А.Дегтяря «Устройства генерирования и формирования сигналов», (лекция 20). Применение фазокомпенсирующих элементов в АГ затрудняет конструктивную реализацию и регулировку схем, поэтому подобные схемы редко применяют на частотах выше (100…150) МГц. Для облегчения конструктивной реализации индуктивностей с повышением частоты, индуктивность выполняют в виде последовательного соединения индуктивного и ёмкостного элементов, что повышает требуемое значение индуктивности и этим делает возможной её реализацию. Таким путём удаётся построить АГ до 300 МГц. АГ по схеме ёмкостной трёхточки обеспечивают большую стабильность частоты благодаря лучшей фильтрации гармонических составляющих выходного тока АЭ (параллельно АЭ включена ёмкость С2), а также возможности реализации колебательной системы АГ с большей стабильностью параметров элементов (конденсаторы по параметрам более стабильны и более добротны, нежели индуктивности). Лучшая фильтрация гармонических составляющих выходного тока АЭ (напряжения на электродах более приближаются к чисто гармоническим) уменьшает их влияние на фазу средней крутизны φs и, следовательно, на частоту автоколебаний. Эквивалентная схема цепи комбинированного автосмещения Автоматическое смещение одноконтурных АГ При включении питания для выполнения условий самовозбуждения S>1/ZН необходимо, чтобы крутизна характеристики IК=f(UБЭ) транзистора была большой. Т.е., начальное смещение на базе транзистора должно быть больше напряжения отсечки E‘: EБ НАЧ>E‘. По мере нарастания амплитуды колебаний для снижения средней крутизны S необходимо, чтобы смещение EБ < E'Б. Таким образом, в транзисторном АГ должно быть внешнее отпирающее смещение EБВН (за счет источника EС или от делителянапряжения R1R2) и запирающее автоматическое смещение EБ - EБВН (за счет токов IБ0 и IК0). В стационарном режиме EБ= EС - Rб IБ0 - RЭ IК0 ; Цепи CбRб, CэRэ обеспечивают отрицательную ОС по постоянному току; первая - по току базы, вторая - по току эмиттера. Любые изменения в схеме, вызывающие изменения тока базы или эмиттера, будут компенсироваться обратными им изменениями этих токов. Схема цепи смещения базы от делителя При включении питания АГ емкости Cб, CЭ не заряжены, отрицательное смещение базы отсутствует, ток эмиттера максимален и т. к. S IЭ, то SZН>1. По мере раскачки колебаний появляется отрицательное смещение, IЭ падает, SZН уменьшается. При SZН=1 амплитуда ВЧ колебаний стабилизируется. В АГ цепи CбRб, CЭ RЭ стабилизируют амплитуду ВЧ колебаний, т. к. увеличение амплитуды приводит к увеличению падения напряжения на RЭ, а значит к увеличению запирающего напряжения на верхнем конце CЭ, и наоборот. Это относится и к цепи базы, изменение амплитуды изменит ток базы, что приведет к изменению падения напряжения на Rб, а значит напряжения на Cб, которое запирающим потенциалом приложено к базе. Внешнее отпирающее смещение EБВН м.б. получено при помощи делителя на резисторах R1, R2 от источника EК. В этом случае в установившемся режиме: Конденсатор СЭБЛ реализует блокировочную функцию при выполнении соотношения: CЭБЛ>10/R3 (или XCбл При слишком большой емкости СЭБЛ возможно возникновение прерывистой автогенерации. Если постоянная времени R3CЭБЛвелика, то при уменьшении амплитуды автоколебаний смещение на базе транзистора остается большим, а SСР– малой. Это, в свою очередь, приводит к тому, что условия самовозбуждения (SZН>1) не выполняются и колебания срываются. Смещение постепенно уменьшается, средняя крутизна растет, в результате чего опять возникают колебания. Чтобы избежать прерывистой генерации, постоянная времени T= R3CЭБЛвыбирается меньше постоянной времени колебательной системы АГ 2Q/, т.е. R3CЭБЛ<<2Q/, где -частота генерации, Q-добротность контура. На рис. показана схема генератора Колпитца с емкостной обратной связью и однополярным источником питания. Особенностью генератора с емкостной обратной связью является наличие емкостного делителя напряжения, который определяет коэффициент передачи цепи обратной связи. В схеме Колпитца выходное напряжение между коллектором и общей шиной формируется на конденсаторе С1, в то время как напряжение обратной связи (между базой и общей шиной) — на конденсаторе С2. Транзисторный АГ по емкостной трехточечной схеме (схема Клаппа). Схема транзисторного АГ (схема Клаппа) Разделительный конденсатор СР включен в L ветвь контура. При этом общая емкость контура СS становится меньшей, чем при двух конденсаторах С1, и С2. Для сохранения той же частоты АГ нужно увеличивать L. В результате характеристическое сопротивление контура =L/С растет и, контур при тех же потерях rп обладает большей Q. Это приводит к увеличению стабильности частоты АГ. Генератор Хартли (схема индуктивной трехточки) В генераторе Хартли используется катушка индуктивности с отводом, то есть автотрансформатор. Индуктивность этой катушки вместе с параллельно включенным конденсатором образуют колебательный контур и определяют резонансную частоту. В схеме генератора Хартли с общим эмиттером через конденсатор C2 на базу транзистора поступает переменное напряжение, которое по отношению к коллекторному напряжению сдвинуто по фазе на 180°, так что возникает положительная ОС. Амплитуду напряжения ПОС можно устанавливать положением отвода автотрансформатора. Ток коллектора устанавливается благодаря ООС по постоянному току через резистор R1. Схема генератора Хартли с общим эмиттером Схема генератора Хартли с общей базой В генераторе Хартли по схеме с ОБ через конденсатор C1 с катушки индуктивности L на эмиттер транзистора поступает переменное напряжение, которое совпадает по фазе с напряжением коллектора, что соответствует положительной обратной связи. Схема генератора Хартли с общей базой Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том II: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 942 с.: ил. Генератор Колпитца (схема емкостной трехточки) Признаком схемы генератора Колпитца является емкостной делитель переменного напряжения, который предназначен для передачи части выходного напряжения колебательного контура на вход схемы в качестве сигнала положительной ОС. Последовательно включенные конденсаторы Са, Сb составляют емкость колебательного контура. Схема с общим эмиттером содержит резистор R3 в цепи коллектора, через который подводится положительное напряжение питания. Значительно проще оказывается схема с общей базой. Схема генератора Колпитца с общим эмиттером Схема генератора Колпитца с общей базой Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том II: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 942 с.: ил. Двухконтурные АГ В общем случае сопротивления Х1, Х2, Х3 обобщенной трехточечной схемы АГ могут быть образованы параллельными колебательными контурами, где f1, f2, f3 –резонансные частоты соответствующих контуров. В качестве третьего элемента вместо одного из контуров включается ёмкость, в качестве которой могут использоваться и межэлектродные емкости АЭ. В зависимости от того, какой электрод является общим для обоих контуров, схемы называются схемами двухконтурного АГ, соответственно, с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или с общим коллектором (ОК). Очевидно, в такой схеме трёхконтурного АГ частота автоколебаний не будет совпадать ни с одной из резонансных частот контуров, так как каждый из контуров имеет реактивную составляющую только на частоте, отличающейся от резонансной частоты. Но чем больше контуров в АГ, тем сложнее и труднее его настраивать, поэтому на практике чаще применяются двухконтурные схемы АГ. Схема трёхконтурного АГ Ёмкости C3, С2, С1 в соответствующих схемах АГ называются ёмкостями связи. Колебательная система любого двухконтурного АГ представляет систему двух параллельных колебательных контуров с внешней ёмкостной связью. В таких системах существуют две частоты собственных колебаний – верхняя и нижняя. Автоколебания возможны только на одной частоте связи, на которой коэффициент ОС положителен. Для второй частоты связи коэффициент ОС получается отрицательным и автоколебания на ней невозможны. Схемы двухконтурных АГ с общими эмиттером, базой и коллектором Коэффициент ОС β для трехконтурной схемы Считая, что на Г сопротивления контуров реактивные, то коэффициент ОС β: где ОЭ ОБ ОК Х3 Х3 Х3 Х2 Х2 Х2 Х1 Х1 Х1 Так как XС1 = –1/ωC1; XС2 = –1/ωC2; XL1 = ωL1; XL2 = ωL2, а также то отражает связь между =Г и 1 , 2. Для схемы двухконтурного АГ с ОБ L1 = ∞; ω1 = 0, при этом коэффициент ОС >0 при условии ω2 < =Г . (Тогда контур L2C2 на частоте f > f2 будет эквивалентен С) Для схемы двухконтурного АГ с ОК L2 = ∞; ω2 = 0 и коэффициент >0 при ω1 < = Г . (L1C1 на f > f1 экв. С) (1) L1=∞ L2=∞ f2=0 f1=0 ОБ ОК Х3 Х2 Х1 Х3 Х2 Х1 Преимуществом двухконтурных схем АГ с ОК и ОБ является возможность раздельной независимой регулировки генерируемой частоты и коэффициента ОС. Контур L3C3 между К и Б настраивается на рабочую частоту г, а контуром L2C2 между Б и Э подбирается коэффициент ОС. Затем подстройкой первого контура корректируется г. Применение. Двухконтурные схемы АГ часто применяются в ламповых АГ большой мощности (РЛС), в АГ СВЧ диапазона (колебательные системы таких АГ изготавливаются из отрезков коаксиальных линий ) и в схемах с кварцевой стабилизацией частоты. Для схемы двухконтурного АГ с ОЭ выражение (1) не даёт однозначного ответа, при каком соотношении между ω, ω1 и ω2 будет коэффициент >0. Так как X3 < 0, то должно быть X1 > 0; X2 > 0 (индуктивная трёхточка). Это возможно, если частота автоколебаний удовлетворяет условию Г<ω1, Г<ω2, так как только на частоте ниже собственной частоты параллельный колебательный контур обладает индуктивным сопротивлением. ОЭ Положительная ОС образуется здесь благодаря наличию емкостных делителей напряжения C1,C2. Параллельно подключенные к емкостным делителям резистивные делители напряжения R1,R2 служат для установки постоянных составляющих потенциалов баз. Двухтактные генераторы Схема двухтактного генератора с емкостной положительной ОС Основные достоинства двухтактных генераторов: Применение в генераторах двухтактных схем увеличивает их мощность и повышает коэффициент полезного действия. Использование дифференциальных каскадов позволяет проектировать гетеродины для связной и радиотехнической аппаратуры на частотах до 500 МГц. Двухтактные генераторы большой мощности имеют меньшие амплитуды высших гармоник выходного сигнала. |