автогенератор. Мордовский государственный университет
Скачать 89.87 Kb.
|
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И ХИМИИ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКИ БАРДИН В.М. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. АВТОГЕНЕРАТОРЫ САРАНСК – 2006 Печатается на основании решения учебно-методической комиссии Инсти- тута физики и химии. УДК 621.396 Радиопередающие устройства. Автогенераторы // Методическая разра- ботка. Составитель – Бардин В.М., к.т.н., профессор кафедры радиотехники. В методической разработке рассмотрены вопросы, связанные с изучением одного из разделов курса «Устройство генерирования и формирования ра- диосигналов» Разработка предназначена для студентов, обучающихся на специальности 654200, но может быть полезна и студентам других специаль- ностей при изучении курса радиотехники. Научный редактор – Логунов М.В., к.ф.-м.н., зав. кафедрой радиотехни- ки. Рецензент – Беспалов Н.Н., к.т.н., доцент кафедры автоматики. © Институт физики и химии Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева, 2005 Тираж 200 экз. Введение Настоящее учебно-методическое издание является продолжением серии подобных изданий, предназначенных для студентов специальности «Радио- техника», изучающих курс «Устройство генерирования и формирования ра- диосигналов». В методической разработке рассматриваются принципы рабо- ты и схемные решения автогенераторов, которые являются обязательным уз- лом любого радиопередающего устройства. Содержание разработки в основном отражает содержание соответствую- щего раздела лекционного курса, но не заменяет его. Предполагается, что студенты будут использовать данную разработку и при подготовке к выпол- нению соответствующей лабораторной работы. Автор надеется, что подобные учебно-методические материалы будут особенно полезны студентам заочной формы обучения, доступ которых к учебной литературе по специальным дисциплинам в силу ряда причин огра- ничен. Общие принципы работы автогенераторов.Автогенератором называется нелинейное устройство, преобразующее энергию источника питания постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний. Причем эти колебания возникают самопроизвольно, при отсут- ствии внешних воздействий. Автогенератор состоит из усилителя, колеба- тельной системы и цепи положительной обратной связи (рис. 1). Рис. 1 Функциональная схема автогенератора. Существование незатухающих колебаний в автогенераторе возможно при выполнении двух условий: баланса амплитуд и баланса фаз. Кус ×Кобр = 1 φус +φобр = 0 где, Кус, φус – коэффициент передачи и фазовый сдвиг в усилителе, Кобр, φобр - коэффициент передачи и фазовый сдвиг в цепи обратной связи. Баланс амплитуд – это условие поступления определенного количества энергии от источника питания в контур, достаточной для компенсации всех потерь в контуре и поддержания колебаний незатухающими. Баланс фаз означает, что ток от источника питания, проходя через транзистор, должен совпадать по фазе с контурным током. Другими словами, передача энергии в контур должна происходить в такт с частотой возникших в нем колебаний и в требуемом количестве. Аналогом колебательной системы могут быть обычные качели. Для того, чтобы коле- бания качелей были незатухающими необходимо компенсировать потери в системе путем своевременного и достаточного по величине поступления энергии. Если усилитель инвертирует усиливаемые колебания, то напряже- ние обратной связи снимаемое с контура (или другой избирательной цепи), также должно быть инвертировано. Инерционные свойства усилительного элемента могут быть причиной до- полнительного фазового сдвига колебаний, который также должен быть скомпенсирован цепью обратной связи. На рис. 2 приведены амплитудно- частотная и фазо-частотная характеристики LC контура. Из рисунка следует, что изменение частоты влечет за собой изменение фазы колебаний и наобо- рот. Рис.2 АЧХ и ФЧХ автогенератора. В результате при φус ≠ 0 и соответственно φобр ≠ 0 в автогенераторе устанав- ливаются колебания с частотой fб ≠ f0, где f0 – резонансная частота избира- тельной цепи. В большинстве случаев ограничение амплитуды в усилителе (или отдель- ном звене) сопровождается искажением формы колебаний. Поэтому избира- тельная цепь автогенератора выполняет еще одну функцию: фильтрует коле- бания, выделяя первую гармонику. Коэффициент передачи в цепи автогенератора – величина непостоянная, зависящая от амплитуды колебаний. Для малых амплитуд Кус×Кобр >1, благо- даря чему амплитуда возникающих в автогенераторе колебаний будет воз- растать. В процессе установления колебаний их амплитуда ограничивается в усилительном элементе за счет снижения крутизны его характеристики и за счет увеличения потерь в колебательной системе. Процесс возникновения, нарастания и установления колебаний можно проследить с помощью колебательной характеристики и линии обратной свя- зи. Колебательной характеристикой называется зависимость амплитуды пер- вой гармоники выходного тока усилительного элемента от амплитуды управ- ляющего напряжения на его входе. Рассмотрим вид этой зависимости на примере транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Вид колебательной характеристики Iк1 = ψ(Uбэ) зависит от положения ра- бочей точки на проходной характеристике транзистора (рис.3) Рис. 3 Характер колебательных характеристик усилительного элемента и характеристики цепи обратной связи. При работе транзистора в линейном режиме усиления (режим колебаний класса А), когда рабочая точка А выбрана на середине линейного участка проходной характеристики, колебательная характеристика имеет выпуклую форму (кривая I на рис.3.б). При увеличении амплитуды входного напряже- ния, амплитуда выходного тока сначала достаточно быстро возрастает вслед- ствие постоянства крутизны. Затем рост выходного тока замедляется из-за нелинейности нижнего и верхнего изгиба характеристики транзистора. Если рабочая точка на проходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока (точка В), то колебательная характеристика начина- ется несколько правее нуля. Она имеет нижний изгиб, соответствующий не- линейному нижнему участку приходной характеристики и соответственно – верхний изгиб. Линией обратной связи называется графически выраженная зависимость напряжения обратной связи от тока в выходной цепи транзистора. Поскольку цепь обратной связи линейна, то линия обратной связи представляет прямую линию, восходящую из начала координат (рис. 3.в). Чтобы проследить про- цесс возникновения, нарастания и установления колебаний необходимо сов- местить колебательную характеристику и линию обратной связи (рис.4) Различают два возможных режима самовозбуждения: мягкий и жесткий. В режиме мягкого самовозбуждения рабочая точка транзистора находится на середине крутого участка проходной характеристики и поэтому даже самые малые изменения напряжения на входе вызовут заметные изменения тока на выходе. Допустим, что в контуре появился ток I1 (например, за счет включе- ния источника питания). Этот ток по цепи обратной связи создаст на входе напряжение U1 Такое напряжение в соответствии с колебательной характери- стикой вызывает в выходной цепи ток I2. При токе I2 во входной цепи автоге- нератора в соответствии с линией обратной связи наводится напряжение U2 и т.д. Колебания в контуре будут нарастать до значения, определенного точкой «В» пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи. Точка «В» соответствует режиму установившихся колебаний. В этой точке выполняется условие баланса амплитуд. Действительно, если по каким-либо причинам ток на выходе транзистора уменьшится до значения I4, то он через цепь обратной связи будет создавать напряжение U4 и колебания снова воз- растут до установившегося значения. Если же за счет внешнего воздействия ток в контуре увеличится до значения большего, чем Iуст, то потери в контуре возрастут и напряжение, наведенное по цепи обратной связи, уменьшится. Амплитуда колебаний снизится до установившегося значения. Таким обра- зом, в режиме мягкого возбуждения колебания в автогенераторе возникают после включения источника питания самостоятельно и плавно нарастают до установившегося значения. Рис.4 Механизмы возникновения колебаний в автогенераторе. Если рабочая точка на проходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока, то колебательная характеристика пересе- чется с линией обратной связи в двух точках. В области I кривая проходит над прямой – это значит, что потери в контуре превышают пополнения энер- гии и колебания не возникают. В области II колебания будут нарастать. Из этого следует, что в режиме жесткого возбуждения колебания автоматически возникнуть не могут. Для того, чтобы они возникли необходимо во входную цепь транзистора подать напряжение с величиной Uвозб > Uн. Только после та- кого «жесткого» толчка колебания возникают и быстро нарастают. Такой ре- жим самовозбуждения называется жестким. Одним из условий самовозбуждения генератора является достаточная ве- личина напряжения обратной связи, которая определяется коэффициентом обратной связи. С уменьшением этого коэффициента амплитуда установив- шихся колебаний также уменьшается. Наименьшая связь, при которой коле- бания еще существуют, называется критической. Схемы автогенераторов.Существует несколько схем автогенераторов, но наибольшее распростра- нение получили так называемые трехточечные схемы, в которых активный элемент (например, транзистор) подключен к колебательной системе в трех точках. В обобщенном виде такая схема изображена на рис. 5.а Рис.5 Трехточечные схемы автогенераторов. Для того, чтобы в этих схемах выполнялось условие баланса фаз (напря- жение на коллекторе транзистора и на его базе должны быть противофазны) необходимо, чтобы реактивные сопротивления между эмиттером и базой (Z2) и эмиттером и коллектором (Z1) были одного знака, а реактивность Z3 – про- тивоположного знака. Возможны три варианта схемных решений, где обес- печивается условие баланса фаз: трансформаторная схема (рис.5.б), емкост- ная трехточка (рис.5.в), индуктивная трехточка (рис.5.г). Покажем справед- ливость приведенного правила на примере индуктивной трехточки. Под дей- ствием напряжения Uкэ в цепи Z3 Z2 протекает некоторый ток. Поскольку ин- дуктивность катушки связи L2 намного меньше индуктивности L1, а ZС1= ZL1+ZL2, то ZС1>> ZL2. Следовательно, реактивное сопротивление цепи Z3 Z2 (С1L2) будет емкостным. Поэтому ток в цепи С1L2 будет опережать напряже- ние Uкэ на 90о. Этот ток, протекая через катушку L2, создает на ней падение напряжения UL2, опережающее ток L2 на 90о. Но напряжение UL2 – это напряжение обратной связи. Таким образом, напряжение на коллекторе и ба- зе транзистора оказывается сдвинутым на 180о, т.е. они противофазны. Сдвиг фаз между напряжением на коллекторе транзистора и напряжением на его базе можно объяснить и по-другому. Допустим, что в данный момент ток в контуре протекает так, как показано стрелкой на рис.5.г. Поскольку общее напряжение на индуктивном контуре делится между L1 и L2 пропорциональ- но их сопротивлениям, то напряжение на базе транзистора оказывается про- тивофазе с напряжением на коллекторе. Трехточечные автогенераторы обычно выполняются по схеме с общим эмиттером, хотя могут быть собраны и по схемам с общей базой и общим коллектором. В реальных схемах автогенераторов к максимально необходимым элемен- там должны быть добавлены элементы, обеспечивающие режим работы транзистора по постоянному току. На рис.6 приведены схемы автогенерато- ров, выполненных по вариантам индуктивной и емкостной трехточки. Рис.6 Примеры выполнения автогенераторов по схеме индуктивной (а) и емкостной (б) трехточки. В этих схемах режим работы по постоянному току задается резисторами R1, R2, R3. Напряжение обратной связи в схеме 6.а снимается с катушки L1 и через С1 поступает на базу, в схеме 6.б – напряжение на базу поступает с С4 через С1. В схеме 6.а общая точка между катушками L1, L2 заземлена по пе- ременному току через емкость С5. Поэтому напряжения на катушках L1 и L2 оказываются противофазными, что обеспечивает выполнение условия балан- са фаз. Баланс амплитуд обеспечивается подбором числа витков катушки L1. Аналогичные схемы решения могут быть выполнены и на полевых тран- зисторах. Нестабильность частоты автогенератора. Нестабильность частоты автогенератора характеризуется ее относитель- ным изменением О (2) Различают два вида нестабильности частоты: долговременную и кратко- временную. Под долговременной нестабильностью понимают нестабиль- ность, связанную с изменением частоты из-за старения элементов, а также из-за изменения их параметров под действием факторов окружающей среды: температуры, влажности, давления и др. Кратковременная нестабильность определяется быстрыми флуктуационными изменениями частоты автогене- ратора, вызванными тепловыми и дробовыми шумами. Условно принимают, что нестабильность частоты, проявляющаяся за время меньшее одной секун- ды, относится к кратковременной. Для оценки ухода частоты автогенератора можно использовать уравнение баланса фаз. φS + φос + φк = φ(ω) = 2πn,(n=0,1,2…), (3) где φS – сдвиг фаз в транзисторе, φос – сдвиг фаз в цепи обратной связи, φк – сдвиг фаз в контуре. Если под действием дестабилизирующих факторов изменится на малую величину Δα какой либо параметр α0 (например емкость контура) автогенера- тора, то при сохранении баланса фаз должна на малую величину Δω изме- ниться его частота ω0. Если в невозмущенном режиме φ(ω0,α0) = 2πn, то при возмущениях φ(ω0+Δω, α0+Δα) = 2πn Условие баланса фаз в малых приращениях можно записать так: ( , ) 2п (4) 0 0 или 0 ; откуда / (5) Изменение суммарного набега фазы, вызванное изменением параметра α (6) с учетом (5) и (6) получим относительное изменение частоты автогенера- тора 0 0 0 (7) Из этого выражения следует, что стабильность частоты автогенератора при заданном значении ∆φ тем выше, чем круче фазочастотная характери- стика колебательного контура автогенератора. А она, как известно, зависит от эквивалентной добротности контура. Эту связь в первом приближении можно отобразить соотношением 2Q, 0 (8) тогда . (9) 0 2Q Итак, частота колебаний автогенератора определяется колебательной си- стемой, содержащей резонансный LС контур с подключенными к нему эле- ментами (нагрузка, монтажные емкости и индуктивность) и активным прибо- ром. Если под действием каких-либо факторов изменятся параметры контура, то появится сдвиг фаз Δφ, который приведет к изменению частоты автогене- ратора. В инженерной практике для оценки нестабильности частоты автогенера- тора можно пользоваться формулой: 1 L C (10) L С 2 Из этого выражения следует, что для создания высокостабильных автоге- нераторов необходимо применять емкости и индуктивности с малыми темпе- ратурными коэффициентами, вводить дополнительные термокомпенсирую- щие элементы, применять термостатирование. При изменениях температуры окружающей среды изменяются не только Lк и Ск, но и активные и реактив- ные составляющие параметров транзистора, что так же влияет на параметры контура, а, следовательно, и на частоту автогенератора. Аналогичное влия- ние на трансзистор оказывают и колебания напряжения источника питания. Автогенераторы с кварцевым резонатором.Автогенераторы с LС контурами обеспечивают уровень нестабильности частоты порядка 10-3 – 10-4 .Этого в большинстве случаев бывает недостаточ- но. Лучшую стабилизацию обеспечивает применение кварцевых резонаторов. Из кристалла кварца под определенными углами к его оси вырезают тон- кие пластинки, обладающие особыми свойствами. В частности, температур- ным коэффициентом частоты (ТКЧ) близким к нулю. Для включения кварце- вой пластинки в электрическую цепь две ее противоположные грани метал- лизируют. Если к этим металлизированным граням приложить переменное электрическое поле, то в пластине возникнут упругие механические колеба- ния. Эти колебания, в свою очередь, за счет пьезоэффекта вызывают появле- ние на гранях электрического потенциала. Как всякое упругое тело, кварце- вая пластина имеет собственную резонансную частоту механических колеба- ний, зависящую от размеров пластины. Чем тоньше пластина, тем выше ча- стота. Но у пластины есть определенный предел механической прочности, который и определяет верхнюю частоту собственных колебаний (максимум до 30 Мгц). Правда, пластину можно возбуждать и на частотах нечетных гармоник (3, 5, 7…). При совпадении частоты приложенного внешнего напряжения с частотой собственных колебаний кварца наступает явление ре- зонанса. Амплитуда механических колебаний, а, следовательно, и амплитуда пьезотока резко возрастают. Такое поведение кварца в переменном электри- ческом поле аналогично поведению электрического колебательного LС кон- тура. Поэтому эквивалентную электрическую схему кварцевого резонатора можно представить в виде, приведенном на рис. 7. а C0 б а) Lкв Cквrкв rкв.р хкв.р б б) Рис.7 Эквивалентная схема кварцевого резонатора С0 – емкость кварцедержателя, Lкв, Скв, rкв – собственные параметры кварцевой пластины. Величина Lкв лежит в пределах от десятых долей до единиц Генри, ем- кость Скв – в пределах сотых долей ПФ, rкв - от единиц до сотен ОМ, С0 ≈ 5- 50 ПФ. При такой большой индуктивности Lкв и малой емкости Скв характеристи- ческое сопротивление кв получается очень большим. Поэтому вели- ка и добротность Q кв rкв эквивалентного контура кварца, которая может до- стигать 10000 и более, в то время как добротность обычных контуров редко превышает 100-200. Колебательный контур, соответствующий эквивалентной схеме кварцевого резонатора, имеет две резонансные частоты: частоту по- следовательного резонанса в ветви, образованной динамическими парамет- рами кварца кв 1/ LквCкв и частоту параллельного резонанса всего контура с учетом емкости кварцедержателя С0 : 0 1/ кв Отношение Скв/С0 ≈ 0,001-0,01. Поэтому ω0 и ωкв отличаются незначитель- но. Эквивалентную схему кварцевого резонатора можно представить в виде последовательного соединения активного и реактивного сопротивлений (рис. 7.б). Зависимость сопротивления такой цепи от частоты приведена на рис.8. Из характера этой зависимости следует, что в интервале частот ωкв – ω0 кварцевый резонатор является индуктивностью, а для остальных частот – ем- костью. Резонансная характеристика параллельного контура очень острая, так как добротность контура велика. Поэтому резонансная частота ωкв нахо- дится далеко за пределами полосы частот параллельного контура. Рис. 8 Характер изменения сопротивления кварцевого резонатора от частоты Свойства кварца иметь высокооборотное индуктивное сопротивление в весьма узком диапазоне частот используется для стабилизации частоты авто- генераторов. Иногда для стабилизации частоты кварц применяется и как вы- сокодобротный последовательный контур. Поэтому различают две группы кварцевых автогенераторов: осцилляторные и фильтровые. В осцилляторных схемах кварц выполняет роль индуктивности. Наиболее часто используется схема емкостной трехточки, которая обладает лучшей стабильностью часто- ты и, кроме того, в схеме отсутствуют катушки индуктивности. Упрощенные трехточные схемы автогенераторов приведены на рис. 9.а схемы с необходи- мыми дополнительными элементами на рис.10. Рис.9 Упрощенные схемы автогенераторов с кварцем Нестабильность частоты в осцилляторных схемах составляет 10-5 – 10-6. В фильтровых схемах кварцевый резонатор включается последовательно в цепь обратной связи, соединяющей базу, эмиттер или коллектор транзистора с колебательным контуром автогенератора. На частотах, отличающихся от резонансной частоты кварца, сопротивление резонатора, являющегося эле- ментом обратной связи, большое и комплексное, а коэффициент обратной связи мал. Поэтому условие самовозбуждения на таких частотах не выполня- ется и колебания не возникают. На основной частоте последовательного ре- зонанса (ω(1)кв) или на нечетной гармонике кварц обладает только небольшим активным сопротивлением. Поэтому цепь обратной связи замыкается и в схеме возбуждаются незатухающие колебания. Один из возможных вариан- тов такого автогенератора приведен на рис. 10.б. На частотах выше 20 мГц толщина кварцевой пластины становится слиш- ком малой и обеспечить ее механическую прочность весьма сложно. Поэтому на частотах выше 10 мГц обычно используются кварцевые резонаторы, рабо- тающие на высших механических гармониках. Для исключения возможности генерации на частотах гармоник, отличающихся от заданной, схемы допол- няют контурами, нарушающими условие самовозбуждения для всех других гармоник. Одна из таких схем приведена на рис. 11. Здесь параллельный кон- тур С1L2, имея индуктивный характер сопротивления на частотах более низ- ких, чем требуется, исключает возможность выполнения на них условия ба- ланса фаз. Сопротивление последовательного контура С2L1 на частотах выше требуемой, носит индуктивный характер и не допускает на них самовозбуж- дения. Таким образом, баланс фаз выполняется только на частотах требуемой гармоники. Рис.10 Электрические схемы автогенераторов с кварцевым резонатором. Рис.11 Схема автогенератора с кварцем, работающим на высшей гармонике. Автогенераторы на элементах с отрицательным сопротивлениемВ диапазоне СВЧ широкое применение находят автогенераторы на эле- ментах с отрицательным сопротивлением. Электронные приборы, как и пас- сивные элементы, при включении их в электрическую цепь оказывают току некоторое сопротивление. На преодоление этого сопротивления источник за- трачивает определенную энергию. Направление тока совпадает с направле- нием ЭДС, т.е. сопротивление цепи положительное. Вольтамперная характе- ристика такого элемента изображается восходящей линией. Но есть элек- тронные приборы, у которых на вольтамперной характеристике есть падаю- щий участок (рис. 12.а). Например, такой участок есть у тиристоров и тун- нельных диодов. На падающем участке характеристики с увеличением при- ложенного напряжения ток начинает уменьшаться, т.е. появляется отрица- тельное сопротивление (-R). Уменьшение тока в цепи происходит в результа- те компенсации прямого тока источника питания Е встречным током ίк, ис- точником которого является отрицательное сопротивление. Поэтому отрица- тельное сопротивление можно рассматривать как генератор тока (рис.12.б). I U а) ir б) в) R1 VD Lк г) Рис.12 Принцип работы автогенератора на элементах с отрицательным сопротивлением. Отрицательное сопротивление используется для получения незатухающих автоколебаний в контуре автогенератора. Если в колебательный LСR контур включить отрицательное сопротивление (-R) равное положительному ( R ), то потери в контуре будут скомпенсированы и в контуре могут существовать свободные незатухающие колебания. Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде приведена на рис. 12.г. На таких приборах можно строить автогенераторы на частоты до десятков ГГц. Но их мощность не превышает нескольких десятков mВт. Контрольные вопросы Что такое «мягкий» и «жесткий» режим самовозбуждения и чем они определяются? Объясните, какая емкость на схеме рис. 5.в должна быть больше. Проследите аналогию между схемами рис. 6.а, 6.б и 5.в, 5.г. Собраны две одинаковые схемы автогенераторов. Контурная катуш- ка одного автогенератора выполнена из медного провода, другая – из посеребренного. Индуктивности катушек одинаковы. Объясните, в каком генераторе и почему будет выше стабильность частоты. Какими схемотехническими и конструктивными способами можно уменьшить нестабильность частоты автогенераторов? Сколько и каких резонансов может быть у кварцевого резонатора? Объясните их причины. На каком резонансе (параллельном или последовательном) кварца основана схема автогенератора, приведенная на рис.10.б? Объясните принцип работы автогенератора на приборе с отрица- тельным сопротивлением. Литература.Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебник для вузов /Л.А. Белов, В.М. Богачев, М.В. Благовещенский и др; под ред. Г.М. Уткина и др. М. Радио и связь, 1994, 416с Радиопередающие устройства. Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др; под ред. В.В. Шахгильдяна М. Ра- дио и связь, 1996, 560с. Б.Е. Петров, В.А. Романюк, Радиопередающие устройства на полупро- водниковых приборах. М. Радио и связь, 1989, 232с. СодержаниеВведение Общие принципы работы автогенераторов. 4 Схемы автогенераторов. 8 Нестабильность частоты автогенераторов. 10 Автогенераторы с кварцевым резонатором. 12 Автогенераторы на элементах с отрицательным сопротивлением. 15 Литература. 18 |