Файл: Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 176

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

3. АВТОГЕНЕРАТОРЫ С БЕСКВАРЦЕВОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ И УПРАВЛЕНИЕ ИХ ЧАСТОТОЙ

На метровых и более длинных волнах наиболее распро­ странены автогенераторы на биполярных транзисторах. В связи с интенсивным развитием техники полевых тран­ зисторов (МОП-транзисторы) следует ожидать, что в бли­ жайшие годы генераторы на полевых транзисторах будут так же распространены, как и генераторы на биполярных транзисторах при общей тенденции увеличения предельных рабочих частот до сотен мегагерц. На еще более высоких частотах применяются туннельные диоды и генераторы, работающие с использованием эффекта Ганна.

Важнейшей характеристикой автогенератора является стабильность его частоты. Эта характеристика значительно больше существенна, чем, например, к. п. д. или отдаваемая мощность, так как мощность практически всегда можно довести до нужного уровня последующим усилением, по­ теря же стабильности частоты невозвратима.

По мере увеличения рабочей частоты и соответственно уменьшения индуктивности и емкости колебательной систе­ мы все большую относительную значимость начинает при­ обретать собственная емкость катушки индуктивности; практически вполне реален случай, когда катушка индук­ тивности работает на собственной частоте. Индуктивность и емкость в данном случае становятся распределенными па­ раметрами, такими же, как и параметры резонансных ли­ ний. Это предопределяет необходимость учитывать в эк­ вивалентной схеме автогенератора собственную емкость катушки индуктивности при работе его на высоких час­ тотах.

Для более концентрированного и направленного изло­ жения материала последующее рассмотрение будем вести, основываясь на изложенных предпосылках, применительно к основным схемам автогенераторов с разными активными элементами схемы.

3.1. АНАЛИЗ СХЕМ АВТОГЕНЕРАТОРОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Рассмотрим трехточечную схему автогенератора с ча­ стичной автотрансформаторной связью (рис. 3.1). В данной схеме, так же как и в рассматриваемых далее схемах, с кор­ пусом соединена база транзистора. С точки зрения общего анализа схемы суть дела не изменится, если с корпусом бу­ дет соединен любой другой электрод транзистора. Для пре­ дотвращения паразитных колебаний на частоте, обуслов-

Рис. 3.1. Схема автогенератора с частичной автотрансформаторной связью:

а — питание от двух источников; б —часть схемы с питанием от одного источ­

ника через потенциометр

ленной емкостями коллектор — база и эмиттер — база (на рис. 3.1 показаны пунктиром) и некоторой эквивалент­ ной индуктивностью, присоединенной параллельно этим емкостям, в цепь паразитного контура включено сопротив­

ление г а п .

Сопротивление Ra должно быть значительно больше входного сопротивления (эмиттер — база) транзистора по постоянному току. При этом облегчаются условия самовоз­ буждения и практически обеспечивается постоянство ре­ жима автогенератора в широком диапазоне температур. Подробнее значимость этого сопротивления будет рассмот­ рена в § 3.5, посвященном дестабилизирующему влиянию изменения внешней температуры.

В схеме автогенератора с частичной индуктивной свя­ зью (рис. 3.2) вероятность паразитных колебаний меньшая,

НО

чем

в

схеме на рис. 3.1. Сопротивление Rn

имеет то же на­

значение, что и в схеме на рис. 3.1.

 

Схемы автогенераторов с частичной емкостной связью

могут быть двух

типов. В схеме типа А (рис. 3.3, а) конден­

сатор

переменной емкости

 

 

С1 включен

последователь­

 

 

но

с

емкостями

связи;

в

 

 

схеме типа

Б

(рис. 3.3,

б)

 

 

конденсатор

 

переменной

 

 

емкости

С к

с

включен

па­

 

 

раллельно

 

емкостями

 

 

связи.

Емкость

С„

в схе­

 

 

ме

на

рис.

3.3,

а

пред­

 

 

ставляет

собой

межвитко-

 

 

вую

емкость

катушки,

и

 

 

емкость

С4

в обеих схемах

Рис. 3.2. Схема

автогенератора с

— монтажную

 

емкость,

 

частичной индуктивной связью.

включающую емкость меж­

 

 

ду выводами транзистора.

Сопротивление л а п к в схемах на

рис. 3.3, а является антипаразитным, так как при его от­ сутствии легко возникают паразитные колебания; колеба-

Г " Г І Г © Ї

С}

Рис. 3.3.

Схема автогенератора с частичной

емкостной связью:

а

— схема типа А; б — схема типа

Б.

тельный контур, определяющий частоту этих колебаний, будет состоять из индуктивности дросселя Лдр и емкостей

связи С2 , С3 и С4 .

Для большей простоты и наглядности на схемах рис. 3.1—3.3 показаны раздельные источники питания эмнттерных и коллекторных цепей. Не представляет трудности

заменить два источника питания одним с питанием отдель­ ных цепей через потенциометр. Вариант такого питания показан на рис. 3.1, б.

Трехточечные схемы могут быть сведены к одной, обоб­ щенной эквивалентной схеме (рис. 3.4). Эта схема основы­ вается на одногенераторной Т-образной схеме транзистора, которая в наибольшей степени отражает его физические па­

раметры.

В эквивалентной схеме через Z l f

Z 3

и Z 3

обо­

 

 

 

 

 

значены комплексные

соп­

 

 

 

 

 

ротивления

соответствую-'

 

 

 

 

 

щих

участков

 

цепей

ко­

fi

 

 

 

 

лебательной

системы;

а —

 

 

 

 

комплексный

коэффициент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

передачи транзистора; га—

 

 

 

 

 

сопротивление

 

эмиттерно-

 

 

 

 

 

го р-п перехода;

Z 6

—

 

 

 

 

 

комплексное

значение

на­

 

 

 

 

 

веденного

сопротивления

 

 

 

 

 

базы,

величина

которого

 

 

 

 

 

.зависит

от

частоты [1, 2];

Рис. 3.4. Обобщенная эквивалент­

Хэ ,

Хк — реактивные

со­

противления

 

эмиттерного

ная

схема

автогенератора

для

и коллекторного

р-п

пере­

 

высоких

частот.

 

ходов,

которые в основном

 

 

 

 

 

определяются

зарядными

составляющими

соответствую­

щих

емкостей;

г'б — объемное

сопротивление

базы;

гк

—

активное

сопротивление

коллектора.

 

 

 

 

 

 

Решение системы уравнений, составленных на основе эквивалентной схемы рис. 3.4 и сделанных на ней обозна­

чений,

приводит

к

следующему

конечному

уравнению:

 

 

а- -о ( 1 - а )

аХ'К

J +

 

 

+

ZUrB+Z6(\-a)}

(1 -f

о)2

 

 

 

а 2

Х„

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-Zo

[rs + (Гб +

Zx +Z6)

(1 - а )

+ [rs

+ Z6

(1 - а ) ] x

 

 

 

 

oXK

 

 

 

= 0.

(3.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

Z0 — Z1

-f-Z2 -f- Z3 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.2)

 

 

 

a = Z1 /Z2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При выводе уравнения (3.1) считалось, что гк > гб > ^> гд. Поэтому все члены уравнения, содержащие в качестве множителей г б и га, были опущены из-за малости по срав­ нению с членами, содержащими множитель гк. Это допу­ щение практически не накладывает заметных ограничений на область применения вытекающих из (3.1) формул. Урав­ нение (3.1) справедливо для любой из рассмотренных схем, различие будет лишь в значениях комплексных сопротив­ лений Zlt Z2 и Z3. Последующий общий анализ будем вести

Рис. 3.5. Эквивалентная схема атогенератора для высокочастотных схем с частичной емкостной связью (типы А и Б).

применительно к схемам с частичной емкостью связью изза их преимущества при практическом применении перед схемами с автотрансформаторной и индуктивной связью. Это преимущество заключается в отсутствии отводов от катушки и дополнительной катушки обратной связи (для схемы на рис. 3.2). Наличие же в схемах с емкостной связью конденсаторов связи (С2 , С3 ) не является существенным не­ достатком, так как в настоящее время имеются стабильные и малогабаритные конденсаторы постоянной емкости.

Схемы с емкостной связью типа А и Б могут быть опи­ саны общей эквивалентной схемой, представленной на рис. 3.5. В этой схеме потери в колебательной системе счи­ таются сосредоточенными в катушке индуктивности, по­ скольку добротность конденсаторов (особенно воздушных) намного больше добротности катушек индуктивности.

Прежде чем переходить к анализу уравнения (3.1) при­ менительно к схеме на рис. 3.5, сделаем ряд предваритель­ ных обозначений и вычислений. Обозначим

a» = (l

+o)CtlC

( 3 . 3 )

143

Отношение напряжения коллектор — база (£Уэб - f UM) к напряжению на всем колебательном контуре (U0) обозна­ чим через р, назвав его коэффициентом связи транзистора с контуром:

 

и л

+ Цш _

С ,

(1+0)

3 4 )

 

Р

Ua

С х ( 1 ф о ) + С 2 ( 1 + а к ) '

 

 

 

т к = 1 - С к / С 0 ,

 

(3.5)

где С0

— полная емкость колебательной системы, в которую

входят

все емкости

рассматриваемой

схемы (Ск , Ct

— С4 ),

но которая не учитывает реактивностей, обусловленных ак­ тивным элементом схемы.

На основании обозначений (3.2)—(3.5) любую емкость,

входящую в схему на рис. 3.5,

 

можно

выразить

через ем­

кость С 0

и безразмерные

 

коэффициенты р, ак,

 

тк

и о, т. е.

 

 

С 1

= / п к С 0 / ( 1 - р ) ,

 

 

 

 

 

(3.6)

 

 

С2

=

т к С 0

( 1 + а ) / р ( 1 + а к ) ,

 

 

(3.7)

 

 

С 3

=

т к С 0

( 1

+а)/ра(1

+ ая),

 

 

(3.8)

 

 

Ci

= aKmKCJp{\

 

+ cQ.

 

 

 

 

(3.9)

Из схемы на рис. 3.5 и

 

выражений (3.8)

и

(3.7)

следует,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zx=—1—

 

= . p

g

( 1 +

0">

,

 

 

 

(3.10)

 

 

 

 

/соС:,

 

 

/соСп

тк

(1 -ь- а)

 

 

 

 

 

 

 

z 2 = = _ L _ ^

р(' + "Н)

 

_

 

 

3

1 1 )

 

 

 

 

/соС2

 

 

/соС0

«к

(1

о)

 

 

 

 

 

При

наличии условия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m K P 2 Q 2

» [ p ( l ~ m „ ) +

aK ]2 ,

 

 

(3.12)

(где Q =

ю£/г — добротность

колебательной

 

системы

без

учета

потерь, вносимых

 

активным

элементом

схемы),

ко­

торое

для схемы

типа А, когда

тн

та 1,

приобретает

вид

р 0.г

>

°к- Д л я

схемы

 

типа

 

Б,

когда

можно

считать

ак та 0,

условие

(3.12)

можно

 

переписать

в

виде Q2

^>

»(1 - mB)*/ml

После ряда последовательных преобразований находим значение Z3 применительно к схеме на рис. 3.5:

Z =

,

l _ ( Q 2 L ( C l 4 C 2 )

 

 

3

 

шСі ( 1 - c o 2 L C K ) - f

с о С 4 [ 1 - c o 2

/ , ( d + C K ) ]

+

+

{cod

( 1 - w 2 Z.C~„) -£ соС4

[l - co 2 L (Сі

^ С К ) ] } 2 "

( 3 L 1 3 )

Обозначим

 

 

0

0

(3.14)

со = со 4- Лю == (D (1 + Ос),

 

где

 

 

 

 

© = j/їТЩ"

 

 

 

 

(3.15)

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

— собственная

частота

колебательного

контура;

6с — от­

носительное значение

частотной

поправки

из-за

активного

элемента схемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как 6с <С 1. можно считать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

со* да со2(1 +26 с ) .

 

 

 

 

(3.16)

Подставляя

в (3.13) значения

емкостей (3.6) — (3.9) и зна­

чения

со (3.14) и со2 (3.16), получаем

выражения для актив­

ной и реактивной

составляющих:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

< < 1

2бс (1 — тк)

 

аи

1 4

2 б с

1—р (1—т„)'

 

 

 

 

 

 

 

1 4

ак

 

 

 

 

р т к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г

(1 +

а„)

 

 

 

 

 

(3.17)

 

 

 

 

 

 

 

« к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I +

 

1 — р (1 — т к )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 б с

Р«к

 

 

 

 

 

 

Д 3 =

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г

 

26С

(1—/як )

 

QH

Г

„

 

-р (1— /пк )

 

 

 

 

 

 

к ( о С 0 { 1 —

 

 

— — — 1 + 2 о с

 

 

 

 

 

 

[

 

 

т к

 

1 4 ак

L

 

 

 

 

(3.18)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

на

основании

 

(3.2),

(3.10),

(3.11),

(3.17) и (3.18)

находим

 

 

 

.

26С (1

+ а к ) '

/•(! 4

а к )

 

 

 

%0 — 2] 4" ^ 2

 

 

 

(3.19)

"Ь ^3 — /

 

 

 

 

 

 

 

 

Комплексный

коэффициент

усиления

транзистора

по

току может быть представлен в виде [1,3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

= а 0 / ( 1 + / т „ ) ,

 

 

 

 

(3.20)

где

 

 

 

 

m0=l,2f/fa;

 

 

 

 

 

 

(3.21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а 0 — коэффициент

усиления

при низкой

частоте; / — ра­

бочая

частота;/а — частота, при которой коэффициент

уси­

ления уменьшается на 3 дБ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следует

заметить, что / а не

является

 

для

транзистора

постоянной величиной, а сильно зависит от тока

коллектора

и несколько меньше от напряжения

на коллекторе 14].

 

6 Зак. 4056

145

Смотрите также файлы