Расчет транзисторного автогенератора с кварцевым резонатором

• Название: Расчет транзисторного автогенератора с кварцевым резонатором
• Дата: 12.12.2022
• Размер: 491.21 Kb.
• Имя файла: KP_ShPr_RD (1).docx
• Тип: Методические указания; #842018
• страница: 1 из 3

Методические указания

к выполнению курсового проекта по дисциплине

«Схемотехническое проектирование функциональных узлов приемо-передающих устройств»

Расчет транзисторного автогенератора с кварцевым резонатором

В таблице 1 указаны параметры проектируемого транзисторного автогенератора.

Таблица 1

Параметры автогенератора

n	Частота АГ (МГц)	Схема включения КР
1	1	между коллектором и базой транзистора
2	2	между коллектором и базой транзистора
3	4	между коллектором и базой транзистора
4	5	между коллектором и базой транзистора
5	8	между коллектором и базой транзистора
6	0,75	в цепи ОС
7	1	в цепи ОС
8	1,5	в цепи ОС
9	2	в цепи ОС
10	3	в цепи ОС
11	4	в цепи ОС
12	5	в цепи ОС
13	6	в цепи ОС
14	9	в цепи ОС
15	10	в цепи ОС
16	0,75	в контуре
17	1	в контуре
18	1,5	в контуре
19	2	в контуре
20	3	в контуре
21	4	в контуре
22	5	в контуре
23	6	в контуре
24	9	в контуре
25	15	в контуре

1. ТРАНЗИСТОРНЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

1.1. Выбор транзистора и режима его работы в автогенераторе

Автогенераторы (АГ) находят широкое применение в радиолокационной и радионавигационной аппаратуре, в устройствах вычислительной техники, систем связи, радиовещания и телевидения, в измерительных приборах и т. д.

Одним из основных требований, предъявляемых к АГ, является обеспечение высокой стабильности частоты генерируемых колебаний, определяющей точность и разрешающую способность радиолокационных и радионавигационных систем, погрешность измерений в устройствах измерительной техники, качественные характеристики и надежность систем связи, радиовещания и телевидения.

Стабильность частоты АГ определяется параметрами используемого в нем транзистора, добротностью и эталонностью колебательной системы и выбранным режимом работы. При этом основными причинами изменения генерируемой частоты f_г при изменении режима работы транзистора являются изменения его емкостей и фазового угла средней крутизны _s. Кроме того, чем больше значение _s, тем сильнее оказывается воздействие дестабилизирующих факторов на частоту f_г. Поэтому в автогенераторах, как правило, используются транзисторы, у которых на частоте генерации еще не проявляются инерционные свойства. Для этого достаточно, чтобы f_г<(0,1...0,3)f_s, где f_s– граничная частота транзистора по крутизне. В противном случае необходимо учитывать комплексный характер крутизны S и других проводимостей транзистора:





где ω_г=2πf_г; ω_s=2πf_s=2πf_т/(Sr_б);

C_вх и C_вых – соответственно входная и выходная емкости транзистора;

g_вх – входная резистивная проводимость;

S₀ – значение S на низких частотах;

f_т – предельная частота усиления по току в схеме с общим эмиттером;

r_б =(2…4)_кC_к – сопротивление материала базы;

_к – постоянная времени цепи обратной связи;

C_к – емкость база – коллектор.

Кроме того, высокая стабильность частоты может быть достигнута лишь при такой выходной мощности АГ, которая не превышает единиц милливатт.

С учетом изложенного, для построения АГ с f_г до 10 МГц целесообразно использовать маломощные высокочастотные транзисторы типа ГТ308 –ГТ311, ГТ313, КТ306, КТ312, КТ313, КТ316, КТ322, КТ324, КТ331, КТ357, КТ358 и аналогичные им (табл.1.1).

В автогенераторах повышенной стабильности транзистор должен работать в облегченном режиме. Поэтому значения напряжения источника коллекторного питания и амплитуды импульса коллекторного тока следует выбирать из условия:

i_кm<(0,2...0,5)i_к.доп ; E_к<(0,3...0,6)u_к.доп , (1.1)

где u_к.доп и i_к.доп – допустимые по паспортным данным значения напряжения коллекторного питания и импульса тока.

При выборе i_кmнеобходимо учитывать, что значительное снижение его (i_кm< (2...3)мА) приводит к сильной зависимости параметров транзистора (таких, как f_sи _s) от температуры. При увеличении коллекторного тока наблюдается сначала рост модуля крутизны |S|, однако пропорционально увеличиваются постоянная времени входной цепи _s=1/_s и, соответственно, фазовый угол крутизны _s=−arctg(_s). Следовательно, для выполнения условия баланса фаз в АГ необходимо расстраивать контур относительно резонансной частоты f₀ , т.е. работать на участке его фазовой характеристики с меньшей крутизной, что снижает стабильность частоты генерируемых колебаний. При достижении током коллектора значений, близких к предельным, рост крутизны |S|практически прекращается, а у некоторых типов транзисторов наблюдается ее снижение. Поэтому и при очень малых, и при значительных токах коллектора наблюдается снижение стабильности частоты АГ. Для рекомендованных транзисторов выбирают i_кm=(5...20)мА.

Режим работы транзистора в АГ обычно выбирается резко недонапряженным с коэффициентом использования коллекторного напряжения =(0,2...0,4)_гр (здесь _гр – значение  в граничном режиме). Это объясняется тем, что при работе в перенапряженном режиме наблюдается сильное влияние питающих напряжений на частоту генерируемых колебаний за счет возрастания первой гармоники базового тока и появления дополнительного угла сдвига фазы средней крутизны _s, обусловленного воздействием гармоник коллекторного тока. Кроме того, из-за модуляции нелинейной емкости C_к переход в перенапряженный режим увеличивает выходную проводимость транзистора, снижающую добротность и эталонность колебательной системы.

Коэффициент полезного действия АГ высокой стабильности оказывается достаточно низким (=0,1...0,2); и большая часть мощности, потребляемой от источника коллекторного питания, рассеивается на коллекторе транзистора.

При низком КПД контура (_к = 0,1...0,3) мощность, развиваемая АГ в нагрузке P_н, невелика и связана с мощностью, рассеиваемой коллектором P_к, приближенным соотношением:

P_к ≈ P_н (1−)/(_к) ≈ (10...20)P_н<P_к.доп, (1.2)

где P_к.доп – допустимая мощность, рассеиваемая коллектором.

Таблица 1.1



В связи с этим нагрузка к АГ, как правило, подключается не непосредственно, а через буферный каскад с высоким входным сопротивлением, в качестве которого широко используется эмиттерный повторитель.

Уменьшать E_к, по сравнению с рекомендованным в (1.1), с целью повышения КПД нецелесообразно, так как при этом даже в недонапряженном режиме возрастают выходные емкость и проводимость и, следовательно, возрастает нестабильность частоты генерируемых колебаний.

С целью обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний угол отсечки коллекторного тока  в стационарном режиме выбирается из условия: 80°<<100°, а мягкий режим самовозбуждения при ≤90° создается за счет использования автоматического смещения. Наиболее часто применяется комбинированная схема автосмещения из делителя в цепи базы транзистора и резистора R_э в эмиттерной цепи. В этом случае также снижается чувствительность параметров транзистора, а значит, и f_г к изменению температуры окружающей среды и к изменению напряжения источника коллекторного питания. Опыт проектирования транзисторных АГ показывает, что существует оптимальное значение R_э=R_э opt, обеспечивающее максимальную стабильность частоты. Ориентировочное значение R_э opt может быть определено как:

R_э opt = (50...100)/S₀. (1.3)

При расчете транзисторных АГ используют кусочно-линейную аппроксимацию характеристик транзистора. При этом достаточная для инженерных расчетов точность обеспечивается только в том случае, если заранее известна амплитуда импульса коллекторного тока и аппроксимируется лишь рабочий участок характеристики. В тех случаях, когда в справочных материалах отсутствуют статические характеристики транзистора, при малых токах коллектора можно воспользоваться приближенным аналитическим выражением для определения крутизны:

S₀ = ₀/(r_б+r_)≈15₀i_кm(15i_кmr_б +₀) , (1.4)

где ₀ – низкочастотное значение коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Основные параметры некоторых маломощных транзисторов приведены в табл. 1.1, где приняты следующие обозначения:

S_гр – крутизна линии граничного режима;

E_б0 – напряжение запирания;

u_{э−б.доп} – допустимое напряжение между эмиттером и базой транзистора.

Иногда основным требованием, предъявляемым к АГ, является обеспечение значительной мощности в нагрузке при высоких энергетических показателях автогенератора. Стабильность частоты при этом является либо второстепенным фактором, либо обеспечивается с помощью систем автоматической подстройки частоты. В последнем случае АГ должен допускать возможность управления частотой генерируемых колебаний, например с помощью варикапов. Кроме того, широкое применение находят АГ, частота которых f_г должна изменяться в достаточно широких пределах при относительно невысоких требованиях к ее стабильности. Последнее относится, например, к автогенераторам, используемым в качестве гетеродинов радиовещательных приемников, или к управляемым генераторам в синтезаторах частоты. Во всех этих случаях при выборе режима работы транзистора целесообразно значение импульса коллекторного тока увеличить по сравнению с (1.1) до (0,5...0,7)i_к.доп и повысить  до (0,6...0,7)_гр.

1.2. Основы расчета транзисторного автогенератора

Транзисторные автогенераторы чаще всего выполняются по схеме емкостной и реже – индуктивной трехточки. Сравнительный анализ стабильности частоты указанных схем АГ показывает, что лучшими характеристиками обладает схема емкостной трехточки. Преимущества этой схемы особенно проявляются на высоких частотах, где необходимо считаться с инерционными свойствами транзистора (f_г > 0,3f_s), так как в ней полное фазирование может быть достигнуто за счет взаимной компенсации фазовых углов крутизны _sи коэффициента обратной связи _к (_к + _s = 0). В этом случае транзистор работает на настроенную нагрузку (cos_э = 1) и, следовательно, отдает большую мощность P=0,5U_кI_к1cos₁, а частота генерируемых колебаний практически совпадает с собственной частотой контура, где его фазовая характеристика наиболее крута.

Наибольшее практическое применение получила не классическая схема емкостной трехточки (рис.1.1,а), а схема Клаппа (рис.1.1,б), в которой последовательно с контурной индуктивностью включается дополнительный конденсатор C₃. Это уменьшает коэффициент включения контура в коллекторную цепь и позволяет использовать контуры с высоким волновым сопротивлением ρ и высокой добротностью Q.

При расчете контура обычно задаются волновым сопротивлением =100...200Ом и, зная частоту генерируемых колебаний, определяют индуктивность катушки L_к и полную емкость контура C_к. Затем по известной добротности нагруженного контура Q_н = 100...150 можно определить его коэффициент включения p в коллекторную цепь транзистора:

,

где R_эк – расчетное значение коллекторной нагрузки АГ. Значения емкостей контурных конденсаторов определяются из простых выражений:

C₁ = C_к/p; C₂=C₁/K_о.с; C₃ =1/(1/C_к−1/C₁−1/C₂) , (1.5)

где K_о.с – коэффициент обратной связи. При необходимости учитывается влияние входной и выходной емкостей транзистора. Номинальные значения емкостей конденсаторов подбираются по каталогу.



Рис. 1.1

Электрический расчет режима АГ практически совпадает с соответствующим расчетом генератора с внешним возбуждением и будет рассмотрен в приведенном далее примере. Расчет цепей базового питания транзисторного АГ имеет особенности.

При расчете делителя в базовой цепи сопротивления резисторов R₁ и R₂ выбираются исходя из следующих требований: во-первых, напряжение смещения на базе транзистора должно быть равно полученному в результате расчета режима. Для этого необходимо, чтобы:

R₂/(R₁+R₂)=(E_см+I_к0R_э+I_б0R_д)/E_и.к , (1.6)

где R_д = R₁R₂/(R₁ + R₂) – сопротивление делителя;

E_и.к – напряжение источника коллекторного питания;

I_к0 и I_б0 – постоянные составляющие коллекторного и базового тока соответственно;

E_см – напряжение базового смещения.

Кроме того, для обеспечения высокой добротности колебательной системы сопротивление базового делителя R_д должно быть существенно больше сопротивления X₂ ветви контура между базой и эмиттером, а с точки зрения термостабилизации – не должно превышать (4...6)R_э, т.е.

(20...50)X₂<R_д<(4...6)R_э. (1.7)

Выражения (1.6) и (1.7) при известных значениях X₂ и R_э дают возможность выбрать сопротивление R_д, а затем определить сопротивления R₁ и R₂:

(1.8)

Особое значение при расчете АГ имеет выбор емкости блокировочного конденсатора C_э. Емкость конденсатора C_э должна быть достаточно велика для обеспечения фильтрации переменной составляющей (I_э1/(ω_гC_э ))<<U_б и, вместе с тем, должна обеспечить устойчивость стационарного режима колебаний АГ, т.е. отсутствие режима прерывистой генерации и самомодуляции. Емкость конденсатора C_э может быть определена при известных R_э (см.(1.3)), Q_н и ω_г из неравенства:

(5I_э1R_э/(ω_гU_б))<R_эC_э<2Q_н/ω_г, (1.9)

где I_э1 и U_б – амплитуды первой гармоники эмиттерного тока и напряжения на базе транзистора.

Пример расчета транзисторного АГ

Рассчитать транзисторный АГ при следующих исходных данных:

f_г=10МГц; U_н=1В; C_н=10пФ; R_н=500Ом (P_н=1мВт), где U_н, C_н, R_н – амплитуда напряжения на нагрузке, емкость и сопротивление нагрузки соответственно.

Расчет режима работы

1. Выбор транзистора. Оценим активную мощность P, отдаваемую транзистором, задаваясь КПД контура _к=0,2; P=P_н/_к=1/0,2=5мВт.

Для обеспечения повышенной стабильности частоты АГ выбираем схему Клаппа и транзистор с f_s>30 МГц, например типа ГТ311, основные параметры которого приведены в табл.1.1.

2. Исходя из соотношений (1.1) и (1.2) зададимся значениями i_кm≈0,4i_к.доп=0,4⋅50=20мА; =90°; ₀=0,32; ₁=0,5 – коэффициенты разложения импульса тока (коэффициенты Берга). Для выбранного режима определим крутизну S₀ и граничную частоту f_sтранзистора ГТ311. В соответствии с (1.4):





(_s<<90°).
3. Постоянная составляющая I_к0 и первая гармоника I_к1 коллекторного тока:

I_к0=₀i_кm=0,3220=6,4мА; I_к1=₁i_кm=0,520=10мА.

4. Амплитуда напряжения на коллекторе:

U_к=2P/I_к1 = 2510^-3/10^-2 = 1В.

5. Напряжение коллекторного питания E_к. Для этого определим остаточное напряжение на коллекторе u_о.гр в граничном режиме и соответствующий коэффициент _гр:

U_о.гр=i_кm/S_гр=2010^-3/5010^-3 = 0,4В;

_гр=U_к/E_гр=1−u_о.гр/ (u_о.гр +U_к)=1−0,4/1,4≈0,7.

Принимаем: =0,3_гр≈0,2, что соответствует E_к=U_к /=1/0,2=5В.

6. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки:

Z_эк=U_к/I_к1=1/10^-2=100Ом.

7. Мощности, подводимая P₀ и рассеиваемая на коллекторе P_к:

P₀=I_к0 |E_к|=6,4⋅5=32мВт; P_к =P₀−P=32−5=27мВт<P_к.доп.

8. КПД по коллекторной цепи АГ =P/P₀=5/32≈0,16 =16%.

9. Амплитуда напряжения возбуждения на базе:



10. Напряжение смещения на базе: E_см=E_б0+U_б cos=0,25В.

11. Коэффициент обратной связи: K_о.с=U_б/U_к=0,095/1≈0,1.

12. Сопротивление R_э=(50...100)/S₀=(50...100)/0,22≈390Ом.

13. Напряжение источника коллекторного питания:

|E_и.к|=E_к+I_к0R_э=5+6,410^-3390=7,5В<E_к.доп.

Расчет колебательной системы АГ

1. Задаваясь добротностью ненагруженного контура Q_х=200 при _к=0,2 находим Q_н=Q_х(1−_к)=200(1−0,2)=160.

2. Эквивалентное сопротивление контура в точках подключения коллекторной цепи R_эк≈Z_эк/cos_s=100/0,97≈103Ом.

3. Задаваясь волновым сопротивлением контура =150Ом, определяем его полную емкость С_к и индуктивность катушки L_к:

C_к=1/(_г)=1/(210⁷150)=10510^-12Ф=105пФ;

L_к=/_г=150/(210⁷)=2,410^-6Гн.

4. Коэффициент включения контура в коллекторную цепь:



5. Емкости контурных конденсаторов (см.(1.5)):

C₁=C_к/p=105/0,065≈1600пФ; C₂=C₁/K_о.с=1,6/0,1=16нФ;

C₃=1/(1/C_к−1/C₁−1/C₂)=1/(1/105−1/1600−1/16000)≈110пФ.

В случае необходимости производится учет емкостей транзистора C_вх, C_вых и нагрузки C_н.

Расчет элементов цепей питания

1. Сопротивление делителя смещения в цепи базы:

(20...50)X₂<R_д<R_э(4...6), где X₂=1/(_гC₂)=1/(210⁷1610^-9)1Ом.

Выбираем R_д=2кОм, тогда из соотношения (1.8) находим:

R₁=|E_и.к|R_д/(I_к0R_э+|E_см|)=7,52210³/(6,410^-3390+0,25)5,410^-3Ом;

R₂=R_дR₁/(R₁−R_д)=2⋅5,4/(5,4−2)≈3,2 кОм.

2. Емкость конденсатора C_э (см.(1.9)):

5I_э1/(ω_гU_б)<C_э<2Q_н/(ω_гR_э);

50,01/(210⁷0,095)7390); выбираем C_э=10нФ.

3. Индуктивность блокировочного дросселя:

L_бл=(10...20)L_к=15⋅2,4=36мкГн.

Для устранения возможных паразитных колебаний на частоте, ниже заданной, необходимо снизить добротность дросселя L_бл, включив последовательно с ним дополнительный резистор R_бл=100...200Ом и скорректировав при этом напряжение источника коллекторного питания E_и.к.

В случае необходимости получения напряжения U_н<U_к разбиваем емкость конденсатора C₁ на две C₁ и C₁, которые находим из соотношений:

C₁=C₁(U_к/U_н)−C_н; C₁=C₁/(1 –C₁/ C₁).