Лекции / Лекция 2

Лекция №2. Автогенераторы в радиопередатчиках

В качестве возбудителей передатчиков используются схемы автогенераторов (АГ). В отличие от генераторов с внешним возбуждением в автогенераторе не требуется подавать колебания на вход. Его работа обеспечивается за счет положительной обратной связи, созданной при построении схемы.

К возбудителям передатчиков предъявляют требования:

– обеспечить высокую стабильность частоты;

– иметь малый уровень побочных излучений;

– обеспечить необходимый диапазон частот (для перестраиваемых генераторов) с заданным шагом дискретности;

-обеспечить постоянство уровня выходного напряжения.

Для определения условий, при которых в генераторе возникают незатухающие колебания, представим генератор в виде структурной схемы.

В состав схемы входит усилительный элемент (транзистор) с коэффициентом передачи , колебательная система (нагрузка) и цепь обратной связи с коэффициентом передачи . Коэффициенты передачи являются в общем случае комплексными, так как зависят от частоты.

и ,

тогда

и . (1.16)

Это является условием самовозбуждения автогенератора.

Так как коэффициенты передачи усилительного элемента и цепи обратной связи комплексные, то, запишем:

= К_у е^jφ_у и К _ос е^jφ_ос.

Учитывая формулу (1.16), получаем:

К_у К_ос = 1; е ^{j( φ}_у ^{+ φ}_ос⁾ = 1. (1.17)

Равенство е ^{j( φ}_у ^{+ φ}_ос⁾ = 1 может быть выполнено, если показатель степени (φ_у+ φ_ос) = 2π n , где n = 0,1,2.., то есть является целым числом. Отсюда φ_у = – φ_ос + π, т.е. звено обратной связи должно осуществлять дополнительный поворот фазы на 180⁰ (на π радиан), чтобы обеспечить положительную обратную связь, скомпенсировав такой же фазовый сдвиг в ГВВ. Это условие определяет баланс фаз в автогенераторе.

Если в качестве усилительного элемента используется биполярный транзистор, то напряжение на коллекторе равно:

U_k =U_вых = I_k1 Z _p . (1.18)

Напряжение обратной связи подается на базу транзистора, поэтому U_вх=U_ос=U_б. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

I_k1 = S_cp U_б ,

где S_cp – среднее значение проходной характеристики транзистора i _k = f ( e_б).

Поставляем в (1.18):

U_вых = S_cp U_б Z _p

Коэффициент усиления:

К_у= U_вых / U_вх = S_cp Z _p.

Учитывая (1.17), определяем значение коэффициента передачи цепи обратной связи, соответствующего условию стационарному режима автогенератора: К_ос= 1/ S_cp Z _p.

Для надежного возникновения колебаний в схеме, необходимо обеспечить выполнение условия:

К_ос

(1.19)

Это неравенство является условием баланса амплитуд в автогенераторе.

Условия баланса амплитуд и баланса фаз являются необходимыми и достаточными для возникновения колебаний в генераторе.

Рассмотрим схему автогенератора на биполярном транзисторе, включенного по схеме с ОЭ, с параллельным питанием в цепи коллектора. Базовое смещение задается резистивным делителем R1 и R2. Элементом обратной связи в этой схеме является часть индуктивности коллекторного контура L1. При таком способе включения схема получила название с автотрансформаторной обратной связью.

Рассмотрим процесс возникновения колебаний в этой схеме. При включении источника постоянного напряжения в цепи коллектора током переходного процесса заряжается конденсатор колебательного контура С и в контуре возникает колебательный процесс. Переменный ток протекает по контурной индуктивности L= L1+ L2 и на базу транзистора будет подано переменное напряжение, которое, в свою очередь, вызовет протекание переменного тока в цепи коллектор-эмиттер. Таким образом, в колебательном контуре будет протекать два тока: первичный, вследствие разряда конденсатора и вторичный – переменный ток коллектора. Если ток коллектора будет достаточным по величине, и совпадет по фазе с током перезаряда конденсатора, то есть в схеме выполняется условие баланса фаз, то общий ток будет возрастать. Так как в реальной характеристике транзистора i_k=ƒ(е_б), ее крутизна уменьшается при увеличении напряжения на базе, то рост амплитуды тока коллектора прекращается и наступает стационарный режим.

Для облегчения процесса колебания необходимо уменьшать величину К_ос. Величина Z_Р определяется параметрами колебательного контура и зависит от частоты генерируемых колебаний. Поэтому уменьшение К_ос возможно только за счет увеличения крутизны характеристики S_ср.

Крутизна характеристики зависит от выбора режима работы транзистора. Определим значение крутизны при работе транзистора в режиме колебаний второго рода.

Первая гармоника тока (1.9):

I_k1 = α₁(θ)I_km , а I_кm = S _к U_б ( 1 – cos θ).

Подставляя эти выражения в (1.18), получим:

U_к = α₁(θ) ( 1 – cos θ) S _к U_б Z _p .

Введем обозначение для коэффициента α_i (θ), зависящего от угла отсечки:

α₁ (θ)( 1 – cos θ) = 1/ α_i (θ).

Учитывая это, получаем напряжение на коллекторе:

U_к = .

Отсюда коэффициент обратной связи автогенератора К_ос= U_б/ U_к равен:

К_{о с} ≥

. (1.20)

Сравнивая формулы (1.19) и (1.20), видим, что средняя крутизна транзистора зависит от угла отсечки S_cp = S_к / α_i(θ).

Максимальное значение крутизны S_к будет при угле отсечки θ=180⁰, так как при этом функция α_i (θ) имеет минимальное значение.

Такое значение угла отсечки соответствует работе генератора в режиме колебаний первого рода. Но этот режим энергетически существенно уступает режиму колебаний второго рода, при котором угол отсечки меньше 180⁰ .

Если использовать для возбуждения генератора режим колебаний первого рода, выбрав рабочую точку на линейном участке характеристики транзистора, на котором значение крутизны наибольшее, то условие (1.20) выполняется для малых значений К_ос. При этом генератор будет работать с низким КПД.

В режиме колебаний второго рода крутизна характеристики транзистора в рабочей точке мала. Для того, чтобы генератор возбудился в момент включения, необходимо увеличивать переменное напряжение, подаваемое на базу, то есть увеличивать глубину обратной связи.

Для возбуждения колебаний в генераторе при малом коэффициенте К_ос и, в то же время получения высокого КПД, используют, так называемое «мягкое» возбуждение генератора. В начальный момент времени в схеме устанавливается режим колебания первого рода, а затем она плавно переходит в режим колебания второго рода. Такой способ возбуждения возможен при использовании автоматического смещения.

В момент включения схемы на базу транзистора при помощи делителя на резисторах R1и R2 подано положительное напряжение, обеспечивающее достаточную крутизну для возникновения колебаний. Резистор R3 и конденсатор С2 выполняют функции фильтра для однополупериодного выпрямителя, образованным переходом база-эмиттер (диод) и обмотки L1.

При первоначальных колебаниях переменное напряжение на базе мало и ток коллектора не будет иметь отсечки.

С увеличением амплитуды тока коллектора увеличивается напряжение, поступающее на базу. Ток в цепи базы возрастает и постоянная составляющая тока I_б0 создает на сопротивлении R₃ падение напряжения, которое увеличивает отрицательное смещение на базе транзистора. Появляется отсечка тока коллектора. С уменьшением угла отсечки функция α_i (θ) растет, средняя крутизна S_cp уменьшается и неравенство (1.19) превращается в равенство. Наступает стационарный режим.

Автоматическое смещение можно создать, включив сопротивление R_Э в цепи эмиттера. Емкость С_Э играет роль фильтра для переменных токов.

Величина емкости С₂ и С_Э должна быть ограничена, ее нельзя выбирать очень большой, так как при большой постоянной времени фильтра может возникнуть прерывистая генерация. При большой постоянной времени цепи T= С₂ R₃ (или T= С_Э R_Э) увеличение отрицательного напряжение смещения Е_б уменьшает ток коллектора и генерация прекращается.

Если же смещение на базе выбрано такой величины, что при включении коллекторного питания в первый момент i_k =0, то режим возникновения колебаний называют “жестким”. Для возможности возникновения самовозбуждения амплитуда переменного базового напряжения U_б в момент включения схемы должна быть достаточно велика U_б> Е_б – Е _б0 .

В этом режиме ток коллектора изменяется скачком от нуля до значения, соответствующего стационарному условию, а генератор сразу начинает работать в режиме колебаний второго рода.

Схемы автогенераторов

Источником энергии в схемах АГ служит колебательный контур. С элементов колебательного контура снимается напряжение обратной связи. При построении АГ на трехполюсном активном элементе, например транзисторе, колебательный контур подключается к транзистору тремя точками. Поэтому такие схемы называют трехточечными. На рисунке 1.39 представлена обобщенная трехточечная схема АГ. Колебательная система представлена тремя комплексными сопротивлениями: Z₁( jω), Z₂( jω) и Z₃( jω).

Так как генерация основана на возникновении собственных колебаний в контуре, то по условию резонанса сумма всех реактивных сопротивлений контура равна нулю:

X( ω_г) = X₁( ω_г) + X₂( ω_г) + X₃( ω_г) =0 . (1.21)

Коэффициент обратной связи К_ос= U_б/ U_к = X₂ / X₁ на частоте генерации должен быть положительным. Из этого следует, что реактивные сопротивления X₁ и X₂ должны иметь один знак, а X₃ – противоположный. Если X₁ и X₂ представляют индуктивности, то X₃ должно быть емкостным. В этом случае получается индуктивная трехточечная схема. Наоборот, если X₁ и X₂ –емкости, то X₃ –индуктивность, получается емкостная трехточечная схема АГ.

Схемы одноконтурных АГ на биполярных или полевых транзисторах выполняются, как правило, в виде емкостных или индуктивных трех точек. При построении схемы можно заземлять любую ее точку, не меняя электрический режим работы АГ, например, включать транзистор любым способом: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Выбор точки заземления связан с требованиями повышения стабильности частоты.

Типичными схемами АГ является индуктивная и емкостная трехточка.

Рассмотрим, каким образом в этих схемах выполняется баланс фаз. В обеих схемах транзистор включен по схеме с ОЭ. Известно, что эта схема поворачивает фазу сигнала на 180⁰, т.е. выходное напряжение коллектора сдвинуто по фазе по отношению к напряжению на базе на 180⁰ .

В контуре при параллельном резонансе токи в ветвях I _L и I_C равны по величине и, если пренебречь малыми потерями , они сдвинуты по фазе относительно напряжения на контуре на ± 90⁰.

Коэффициент обратной связи для этих схем можно определить, зная параметры элементов колебательного контура. Для схемы с автотрансформаторной обратной связью

К_ос = L1/ L_к ,

а для схемы с емкостной обратной связью

К_ос = С_к / С1.

Здесь L_к и С_к общая индуктивность и емкость контура соответственно.

Рассмотрим схему АГ на транзисторе, включенном по схеме с ОБ и схему при включении транзистора с ОК (схема Клаппа). В схемах применена емкостная обратная связь. Напряжение обратной связи создается на конденсаторе С2. Резисторы R1и R2 создают необходимое смещение на базе. Колебательные контура образованы элементами L1, С1, С2 и С3. В схеме АГ с ОБ резисторы R_К и R3 создают путь постоянному току в цепи коллектор-эмиттер. Конденсатор С_б заземляет базу по переменному току. В схеме АГ с ОК резисторы R3 и R_Э создают автоматическое смещение на переходе база-эмиттер транзистора.

Обе схемы могут работать до частот порядка нескольких сотен мегагерц, имеют более высокую стабильность, чем схемы АГ при включении транзистора по схеме с ОЭ. Тем не менее, даже при хорошей стабилизации источников питания и правильном выборе элементов контура, их относительная стабильность не выше 10⁴ …10⁵.