Генерирование случайных колебаний LC-автогенератором в жестком режиме возбуждения

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:

для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи КОС;

возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи КОС;

амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;

постоянная составляющая коллекторного тока меньше, чем в мягком режиме, следовательно, значительно выше КПД.

Сравнивая положительные и отрицательные стороны рассмотренных режимов самовозбуждения, приходим к общему выводу: надежное самовозбуждение генератора обеспечивает мягкий режим, а экономичную работу, высокий КПД и более стабильную амплитуду колебаний - жесткий режим.

Стремление объединить эти преимущества привело к идее использования автоматического смещения, когда генератор возбуждается при мягком режиме самовозбуждения, а его работа происходит в жестком режиме. Сущность автоматического смещения рассмотрена ниже.

3.2 Автоматическое смещение

Сущность режима заключается в том, что для обеспечения возбуждения автогенератора в мягком режиме исходное положение рабочей точки выбирается на линейном участке проходной характеристики с максимальной крутизной. Эквивалентное сопротивление контура выбирается таким, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. В процессе нарастания амплитуды колебаний режим по постоянному току автоматически изменяется и в стационарном состоянии устанавливается режим работы с отсечкой выходного тока (тока коллектора), т. е. автогенератор работает в жестком режиме самовозбуждения на участке проходной характеристики с малой крутизной (рис. 3.3).

Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы путем включения в цепь базы цепочки RБCБ (рис. 3.4).

Начальное напряжение смещения обеспечивается источником напряжения ЕБ. При возрастании амплитуды колебаний увеличивается напряжение на резисторе RБ, создаваемое постоянной составляющей базового тока IБ0. Результирующее напряжение смещения (ЕБ - IБ0RБ) при этом уменьшается, стремясь к ЕБСТ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3.3 Принцип автоматического смещения автогенератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.4. Схема автоматического смещения за счет тока базы

В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя RБ1, RБ2 (рис. 2.5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.5. Автоматическое смещение с помощью базового делителя

В этой схеме начальное напряжение смещения

где - ток делителя.

При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы IБ 0 увеличивается и смещение ЕБ уменьшается по величине, достигая значения ЕБСТ в установившемся режиме. Конденсатор СБ предотвращает короткое замыкание резистора RБ1 по постоянному току.

Следует отметить, что введение в схему генератора цепи автоматического смещения может привести к явлению прерывистой генерации. Причиной ее возникновения является запаздывание напряжения автоматического смещения относительно нарастания амплитуды колебаний. При большой постоянной времени = RБСБ (рис. 3.4) колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным - ЕБ.НАЧ. Далее смещение начинает изменяться и может оказаться меньше той критической величины, при которой еще выполняются условия стационарности, и колебания сорвутся. После срыва колебаний емкость СБ будет медленно разряжаться через RБ и смещение вновь будет стремиться к ЕБ.НАЧ. Как только крутизна станет достаточно большой, генератор снова возбудится. Далее процессы будут повторяться. Таким образом, колебания периодически будут возникать и снова срываться.

Прерывистые колебания, как правило, относятся к нежелательным явлениям. Поэтому очень важно расчет элементов цепи автоматического смещения проводить так, чтобы исключить возможность возникновения прерывистой генерации.

Для исключения прерывистой генерации в схеме (рис. 3.4) величину CБ выбирают из равенства

3.3 Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис.32.6).

Рис.3.6. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Назначение элементов схемы:

транзистор VT p-n-p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;

колебательный контур LKCKGЭ задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость GЭ характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;

катушка LБ обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура LК (коэффициент взаимоиндукции М);

источники питания ЕБ и ЕК обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;

блокировочные конденсаторы СБ1 и СБ2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

Рассмотрим физические процессы в генераторе. При подключении источников питания ЕБ и ЕК эмиттерный переход смещается в прямом направлении и возникает коллекторный ток iК(t), который в начале замыкается от + ЕК через эмиттер - базу - коллектор транзистора и емкость СК на - ЕК, поскольку емкость для перепада тока представляет собой короткое замыкание. Конденсатор СК заряжается, а затем начинает разряжаться через элементы контура LKGЭ и в контуре возникают свободные колебания. Колебательный ток, проходя через LК, создает ЭДС взаимоиндукции в катушке LБ. Эта ЭДС прикладывается к эмиттерному переходу транзистора через емкость СБ1 и управляет токами базы и коллектора. Переменная составляющая коллекторного тока, протекающая по цепи: коллектор, контур

LKCKGЭ, эмиттер, база, коллектор, восполняет потери энергии в контуре и, если выполнены условия самовозбуждения, то колебания в нем будут нарастать по амплитуде. Первое условие самовозбуждения называется фазовым и оно достигается тем, что катушка LБ включается встречно катушке LК. В этом случае напряжение на базе UБЭ будет изменяться в противофазе с напряжением на коллекторе (соответственно, и с напряжением на контуре UК) и выходная проводимость транзистора окажется отрицательной. Это означает, что транзистор является источником энергии по переменному току. Но одного фазового условия недостаточно, необходимо еще выполнение амплитудного условия самовозбуждения, т. е. чтобы энергия W(+), поступающая в контур от транзистора, превышала потери энергии W(-) на проводимости GЭ. Практически это достигается выбором М > МКР, где МКР - величина М, при которой выполняется равенство W(+) = W(-). Частота генерируемых колебаний примерно равна резонансной частоте контура поскольку при

Q >> 1, величина коэффициента затухания

Достоинства схемы: возможность плавной, независимой регулировки частоты (путем изменения СК) и амплитуды (путем изменения М) колебаний.

Недостаток схемы заключается в том, что на высоких частотах затруднена регулировка амплитуды колебаний из-за влияния паразитной емкости между катушками LK и LБ, поэтому генераторы с трансформаторной обратной связью применяются в диапазонах длинных и средних волн (ДВ и СВ).

При расчете параметров генератора необходимо определить частоту генерируемых колебаний, резонансную частоту контура, добротность контура, а также выполнение амплитудного и фазового условия самовозбуждения.

3.4 Автогенератор на туннельном диоде

Исторически туннельные диоды появились значительно позже, чем транзисторы и лампы. Малые габариты и вес, высокая надежность и экономичность обусловили быстрое расширение области их применения. Вольт-амперная характеристика у туннельного диода - типа N (рис. 3.7). Поэтому схема автогенератора получается просто: к диоду подключают параллельный контур по переменному току, а режим по постоянному току выбирают так, чтобы рабочая точка О оказалась на падающем участке характеристики (рис. 3.7.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис.3.7. Вольт-амперная характеристика и схема генератора на туннельном диоде

Режим по постоянному току должен обеспечиваться с учетом внутреннего сопротивления источника Ri. Для этого необходимо решить систему двух уравнений:

Рассмотрим два случая. В первом случае, при крутизне наклона характеристики |S(U0)| > 1/Ri, существует три возможных состояния, удовлетворяющих уравнениям системы - точки А, О, Б. Анализ, с учетом емкости самого диода, показывает, что только точки А и Б, расположенные на нарастающих участках характеристики, являются устойчивыми. Если точка покоя (точка О) находится на участке характеристики с отрицательным наклоном, то состояние схемы будет неустойчивым и рабочая точка самопроизвольно смещается в одно из крайних положений (в точку А или точку Б).

Во втором случае, при крутизне наклона характеристики |S(U0)| < 1/Ri, существует лишь одно состояние, удовлетворяющее уравнениям - точка О. Оно оказывается устойчивым и поэтому рабочая точка может быть установлена на любом участке вольт-амперной характеристики с отрицательной крутизной, следовательно, фазовое условие самовозбуждения выполняется. Амплитудное условие самовозбуждения будет выполнено, если |S(U0)| > GЭ, где GЭ - проводимость контура в точках подключения диода.

Частота колебаний равна и может изменяться с помощью СК. Амплитуда колебаний изменяется путем изменения точки подключения диода к колебательному контуру. Если катушки L1 и L2 не связаны единым магнитным полем, то коэффициент включения контура равен

Если же катушки L1 и L2 образуют единую катушку с общим магнитным полем, то диод подключается к индуктивной ветви с коэффициентом включения, равным где n1 и n2 - число витков в частях катушки, обозначенных на схеме L1 и L2.

Блокировочная емкость СБ выбирается из условия

Достоинства схемы:

способность работать в очень широком диапазоне частот (от единиц

килогерц до десятков гигагерц);

высокая стабильность параметров при изменении температуры в широких пределах;

низкий уровень собственных шумов;

малое потребление энергии от источников питания;

длительный срок службы;

малая чувствительность к воздействию радиации.

Недостаток схемы - малая выходная мощность, что обусловлено малыми интервалами токов и напряжений в пределах падающего участка характеристики (с отрицательной крутизной). Например, генератор на одном туннельном диоде с пиковым током до 10 мА обеспечивает мощность, не превышающую единиц милливатт. Для получения большей мощности необходимо применять диоды с большими пиковыми токами.

3.5 Обобщенная схема трехточечного автогенератора

Кроме схемы автогенератора с трансформаторной обратной связью существуют так называемые трехточечные схемы автогенераторов синусоидальных колебаний. В них нет катушек связи и положительная обратная связь достигается автотрансформаторным (потенциометрическим) подключением цепи обратной связи к контуру, т. е. обратная связь реализована с помощью реактивных делителей напряжения емкостного или индуктивного типа.

В трехточечном автогенераторе активный прибор (лампа или транзистор) подключается к колебательному контуру в трех точках. Изобразим обобщенную схему замещения трехточечного генератора по переменному току, которая будет справедлива для любого генератора такого типа (рис. 3.8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.8. Обобщенная схема замещения трехточечного автогенератора

Контур состоит из двухполюсников , , , которые обычно имеют столь малые потери, что можно считать их чисто реактивными:

Обобщенная схема содержит усилитель с коэффициентом усиления

и нагрузкой в виде контура Х1Х2Х3, а также цепь обратной связи, передающую часть выходного напряжения усилителя обратно на его вход с коэффициентом передачи

Поскольку ,

то

Фаза коэффициента усиления К в схеме с общим эмиттером (катодом) на резонансной частоте контура равна 180, так как сопротивление контура на этой частоте чисто активно, а усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал. Следовательно, для выполнения фазового условия самовозбуждения генератора К + = 360 необходимо, чтобы = 180. Это будет выполняться, если будет действительной и отрицательной величиной. В соответствии с (3.4) можно утверждать, что это будет выполняться при двух условиях:

Х1 и Х3 должны быть разного знака (разного характера реактивности);

|Х3| > |X1|.Частота генерируемых колебаний равна резонансной частоте контура, так как фазовое условие будет выполняться только на этой частоте. Из условия резонанса в контуре Х1 + Х2 + Х3 = 0 следует, что Х2 должен иметь знак, одинаковый с Х1 и тогда

Таким образом, можно сформулировать правило построения трехточечного генератора: между общим и управляющим, общим и выходным электродами усилительного элемента должны быть включены реактивные элементы одинакового характера реактивности, а между управляющим и выходным электродами - элемент противоположного характера реактивности.

Соблюдение данного правила гарантирует выполнение фазового условия самовозбуждения генератора.

Если реактивные двухполюсники являются одноэлементными, то возможны всего два варианта трехточечных генераторов (рис. 3.9).

Схему, представленную на рисунке 3.9, а - называют индуктивной трехточкой, а на рисунке 3.9, б - емкостной трехточкой.

Все вышеприведенные рассуждения и выводы справедливы и для трехточечных автогенераторов, собранных на лампе. Нетрудно изобразить и аналогичные схемы индуктивной и емкостной трехточки.

Следует подчеркнуть, что двухполюсники , , , входящие в контур, могут быть получены как полные сопротивления сколь угодно сложных схем (например, колебательных контуров), важно лишь, чтобы на частоте генерируемых колебаний они создавали нужную реактивность. В схемах автогенераторов могут отсутствовать конденсаторы колебательных контуров, так как вместо них используются междуэлектродные емкости.

а) б)

Рис. 3.9. Схемы трехточечных генераторов

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. В этом случае транзистор работает на настроенную нагрузку и, следовательно, отдает большую мощность, а частота генерируемых колебаний практически совпадает с собственной частотой контура, где его фазовая характеристика наиболее крута.

Наибольшее практическое применение получила схема Клаппа, в которой последовательно с контурной индуктивностью включается дополнительный конденсатор, который уменьшает коэффициент включения контура в коллекторную цепь и позволяет использовать контуры с высоким волновым сопротивлением и высокой добротностью.

3.6 Выводы по главе 3

В данной главе приведены базовые схемы режимов самовозбуждения.

Разобраны следующие схемы возбуждения: мягкий режим, жесткий режим и автоматическим смещением. Рассмотрены автогенераторы с трансформаторной обратной связью, на туннельном диоде и схема трехточки. Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Появление новых схем обусловлено желанием улучшить те или иные свойства имеющихся схем. Например, желание получить возможность независимой регулировки частоты и амплитуды колебаний на всех более высоких частотах вместе с определенными конструктивными удобствами, получить более высокую стабильность частоты и т. д. Однако одновременного улучшения всех свойств, как правило, достичь не удается в силу их противоречивости, поэтому приходится отдавать предпочтение той или иной схеме в зависимости от условий применения.

4. ВЫБОР И РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО АВТОГЕНЕРАТОРА

4.1 Выбор транзистора и режима его работы в автогенераторе

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 при изменении режима работы транзистора являются изменения его емкостей и фазового угла средней крутизны цS. Кроме того, чем больше значение цS, тем сильнее оказывается воздействие дестабилизирующих факторов на частоту . Поэтому в автогенераторах, как правило, используются транзисторы, у которых на частоте генерации еще не проявляются заметно инерционные свойства. Для этого достаточно, чтобы < (0,1...0,3) , где -граничная частота транзистора по крутизне. В противном случае необходимо учитывать комплексный характер крутизны S и других проводимостей транзистора:

где ; - соответственно входная и выходная емкости транзистора; - входная резистивная проводимость;

S0- значение S на низких частотах; - предельная частота усиления по току в схеме с общим эмиттером; - сопротивление материала базы; - постоянная времени цепи обратной связи; Ск -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 до 10 МГц целесообразно использовать маломощные высокочастотные транзисторы типа ГТ308 - ГТ311, ГТ313, КТ306, КТ312, КТ313, КТ316, КТ322, КТ324, КТ331, КТ357, КТ358 и аналогичные им.

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:

, (4.1)

где uк.доп и iк.доп - допустимые по паспортным данным значения напряжения коллекторного питания и импульса тока.

При выборе uк.m необходимо учитывать, что значительное снижение его приводит к сильной зависимости параметров транзистора (таких как и ) от температуры. При увеличении коллекторного тока наблюдается сначала рост модуля крутизны |S|, однако пропорционально увеличиваются постоянная времени входной цепи соответственно, фазовый угол крутизны .

Поэтому для выполнения условия баланса фаз в АГ

необходимо расстраивать контур относительно резонансной частоты , 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 .

Режим работы транзистора в АГ обычно выбирается резко недонапряженным с коэффициентом использования коллекторного напряжения (здесь - 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 , обусловленного воздействием гармоник коллекторного тока. Переход в перенапряженный режим увеличивает, кроме того, выходную проводимость транзистора, из-за модуляции нелинейной емкости Ск, снижающую добротность и эталонность колебательной системы.

Коэффициент полезного действия АГ высокой стабильности оказывается достаточно низким и большая часть мощности, потребляемой от источника коллекторного питания, рассеивается на коллекторе транзистора. При низком КПД контура () мощность, развиваемая АГ в нагрузке не велика и связана с мощностью, рассеиваемой коллектором , приближенным соотношением

(4.2)

где - допустимая мощность, рассеиваемая коллектором.

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

Уменьшение Ек, по сравнению с рекомендованным в (4.1), с целью повышения КПД является нецелесообразным, так как при этом даже в недонапряженном режиме возрастают выходные емкость и проводимость, а следовательно, возрастает и нестабильность частоты генерируемых колебаний.

С целью обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний угол отсечки коллекторного тока в стационарном режиме выбирается из условия: , а мягкий режим самовозбуждения при

создается за счет использования автоматического смещения. Наиболее часто применяется комбинированная схема автосмещения из делителя в цепи базы транзистора и резистора Rэ в эмиттерной цепи. В этом случае также снижается чувствительность параметров транзистора, а значит и , к изменению температуры окружающей среды и к изменению напряжения источника коллекторного питания. Опыт проектирования транзисторных АГ показывает, что существует оптимальное значение , обеспечивающее максимальную стабильность частоты.

Ориентировочное значение может быть определено как:

(4.3)

При расчете транзисторных АГ используют кусочно-линейную аппроксимацию характеристик транзистора. Достаточная для инженерных расчетов точность при этом 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:

, (4.4)

где - низкочастотное значение коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

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 использования 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 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) и повысить , до .

4.2 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 (), так как вней полное фазирование может быть достигнуто за счет взаимной компенсации фазовых углов крутизны и коэффициента обратной связи . В этом случае транзистор работает на настроенную нагрузку () и, следовательно, отдает большую мощность , 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. 4.1, а), а схема Клаппа (рис. 4.1, б), в которой последовательно с контурной индуктивностью включается дополнительный конденсатор С3. Это уменьшает коэффициент включения контура в коллекторную цепь и позволяет использовать контуры с высоким волновым сопротивлением и высокой добротностью Q.

Рис. 4.1., б - Классическая схема емкостной трехточки (а), схема Клаппа (б)

При расчете контура обычно задаются волновым сопротивлением и, зная частоту генерируемых колебаний, определяют индуктивность катушки Lк и полную емкость контура С0. Затем по известной добротности нагруженного контура Qн = 100...150 можно определить его коэффициент включения p в коллекторную цепь транзистора:

,

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

, (4.5)

где Кос - коэффициент обратной связи. При необходимости учитываются влияние входной и выходной емкостей транзистора. Номинальные значения емкостей конденсаторов подбираются по каталогу.

Электрический расчет режима АГ практически совпадает с соответствующим расчетом генератора с внешним возбуждением. 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

, (4.6)

где Rд = R1R2/(R1 + R2) - сопротивление делителя; Еи.к - напряжение источника коллекторного питания; Iк0 и Iб0 - постоянные составляющие коллекторного и базового тока соответственно; Есм - напряжение базового смещения.

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

. (4.7)

Выражения (4.6) и (4.7) при известных значениях X2 и RЭ дают возможность выбрать сопротивление Rд, а затем определить сопротивления R1 и R2:

(4.8)

Особое значение при расчете АГ имеет выбор емкости блокировочного конденсатора Сэ. Емкость конденсатора Сэ должна быть достаточно велика для обеспечения фильтрации переменной составляющей () и, вместе с тем, должна обеспечить устойчивость стационарного режима колебаний АГ, т. е. отсутствие режима прерывистой генерации и самомодуляции. Емкость конденсатора Сэ может быть определена при известных и из неравенства:

. (4.9)

4.3 Расчет транзисторного LC-автогенератора

Рассчитаем транзисторный АГ при следующих исходных данных:

= 10 МГц; U н= 1 В; Сн = 10 пФ; R н = 500 Ом; (Р~н = 1 мВт), где U н, Сн, Rн -- амплитуда напряжения на нагрузке, емкость и сопротивление нагрузки соответственно.

4.3.1 Расчет режима работы

1.Выбор транзистора. Оценим активную мощность, отдаваемую транзистором Р~, задаваясь КПД контура ; Р~ = Р~н / =1/0,2 =5 мВт. Для обеспечения повышенной стабильности частоты АГ выбираем схему Клаппа и транзистор > 30 МГц, например, типа ГТ311.

2. Исходя из соотношений (4.1) и (4.2) зададимся значениями iкт0,4iК.ДОП=0,4·50=20 мА; и = 90° (= 0,32; = 0,5 - коэффициенты разложения импульса тока ). Для выбранного режима определим крутизну и граничную частоту транзистора ГТ311. В соответствии с

S0=15· iкт·в0/(15·iкт ·Rб+в0)=15·20·10-3·50/(15·20·10-3·60+50)=0,22 A/B;

fs=fТ/S0 ·Rб=500/(0,22-60)=40 МГц; =-arctgfТ/fs=-arctg10/40=-14°(<<90°).

3. Постоянная составляющая Iк0 и первая гармоника Iк1 коллекторного тока:

Iк0 =б0 iкт=0,32·20=6,4мА;

Iк1 = б1 iкт =0,5·20=10 мА.

4. Амплитуда напряжения на коллекторе Uк=2Р~/Iк=2·5·10-3/10-2=1 В.

5. Напряжение коллекторного питания EK. Для этого определим остаточное напряжение на коллекторе uо.гр в граничном режиме и соответствующий коэффициент оо.гр:

огр=Uкт/Егр=20·10-3/50*10-3=0,4 В;

uгр=iкт/Sгр=1-uо.гр/(uо.гр+Uк)=1-0,4/1,4=0,7.

Принимаем: о = 0,3·огр =0,2, что соответствует Ек=Uк/о=1/0,2=5 В.

6. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки:

Zэк=Uк/Iк1=1/10-2=100 Ом.

7. Мощности, подводимая Р0 и рассеиваемая на коллекторе Рк:

Р0 = Iк0 |Ек| = 6,4·5=32 мВт;

Рк=Р0 - Р~=32-5=27 мВт < Рк доп.

КПД по коллекторной цепи АГ:

з=Р~/Р0=5/32=0,16 = 16%.

Амплитуда напряжения возбуждения на базе:

Напряжение смещения на базе:

Есм = Еб0 + Uбcosи=0,25 В.

Коэффициент обратной связи:

Кос = Uб/Uк=0,095/1=0,1.

Сопротивление:

Rэ=(50...100)/S0=(50...100)/0,22=390 Ом.

Напряжение источника коллекторного питания:

|Ек|= Ек+Iк0Rэ=5+6,4·10-3·390=7,5 В<Ек.доп.

4.3.2 Расчет колебательной системы АГ

1. Задаваясь добротностью ненагруженного контура Qx = 200 при

зк=0,2, находим:

Qн=Qx(1-зк)=200 (1 - 0,2)=160.

2. Эквивалентное сопротивление контура в точках подключения

коллекторной цепи:

Rэк=Zэк/cos цS =100/0,97=103 Ом.

3. Задаваясь волновым сопротивлением контура с = 150 Ом, определяем его полную емкость С0 и индуктивность катушки Lк:

C0 =1/щг·с=1/2р·107·150=105·10-12 Ф=105 пФ;

Lкш=с/щг=150/2р·107 = 2,4·10-6 Гн.

4. Коэффициент включения контура в коллекторную цепь:

.

5. Емкости контурных конденсаторов (см. 4.5):

С1=С0/p=105/0,065=1600 пФ;

C2=С1/Ко.с=1,6/0,1=16 нФ;

С3=1/(1/С0-1/С1-1/С2)=1/(1/105-1/1600-1/16000)=110 пФ.

В случае необходимости производится учет емкостей транзистора

Свх, Свых и нагрузки Сн.

4.3.3 Расчет элементов цепей питания

1.Сопротивление делителя смещения в цепи базы:

(20...50)X2 < Rд < Rэ (4...6),

где Х2=1/щг·С2 = 1/2·р·107 ·16·10-9 =1 Ом.

Выбираем Rд = 2 кОм, тогда из соотношения (4.8) находим:

R1=|Еи.к|*Rд/(Iк0*Rэ+|Есм|)=7,52·2·103/(6,4·10-3·390+0,25)=5,4·103 Ом;

R2=Rд·R1/(R1-Rд)=2·5,4/(5,4-2)=3,2 кОм.

2. Емкость конденсатора Сэ (см. 4.9):

20/щг·Rэ < Сэ < 2 Qн / щгRэ;

20/2р·107·390 < Сэ < 2·160 / 2 р ·107·390;

800·10-12<Сэ<12·10-9; выбираем Сэ=6,8 нФ.

3. Индуктивность блокировочного дросселя:

Lбл = (10...20) ·Lк =15·2,4 = 36 мкГн.

Для устранения возможных паразитных колебаний на частоте, ниже заданной, целесообразно снизить добротность дросселя Lбл путем включения последовательно с ним дополнительного резистора Rбл = (100...200) Ом, скорректировав при этом напряжение источника коллекторного питания Еи.к.

В случае необходимости получения напряжения Uн < Uк ,разбиваем емкость конденсатора С1 на две и , которые находим из соотношений

;

.

4.4 Выводы по главе 4

В данной главе разобраны особенности расчеты транзисторного автогенератора на основе которых был рассчитан транзисторный автогенератор. Обоснован выбор транзистора и режим его работы, проведен расчет режима работы, колебательной системы автогенератора, элементов цепи питания.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО АВТОГЕНЕРАТОРА В ПРОГРАММЕ MULTISIM 10.1

На основе полученных результатов в главе 4 построим схему в программе Multisim.

Для моделирования транзисторного автогенератора соберем схему, представленную на рисунке 4.1 б на основе полученных результатов в главе 4. Для этого нанесем все компоненты схемы на рабочую область Electronics Workbench и соединим все контакты проводниками.

Рис. 5.1Модель транзисторного LC-автогенератора

За сигналом на выходе генератора удобно наблюдать, используя расширенное окно терминала осциллографа. На рисунке 5.2 показан момент начала генерации сигнала и момент установки стабильного режима транзисторного автогенератора.

Рис. 5.2 Сигналы на выходе модели транзисторного LC-автогенератора

Автогенератор работает в жестком режиме самовозбуждения.

Рис. 5.3 Сигнал на выходе с режимом 100 нс/дел. и 5 В/дел

Снимем входную ВАХ транзистора ГТ311.

На виртуальном осциллографе получим изображение входной ВАХ транзистора ГТ311, удобное для снятия показаний.

Рис. 5.4 Входная ВАХ транзистора ГТ311 на виртуальном осциллографе

Снимем семейство выходных ВАХ транзистора ГТ311.

На виртуальном осциллографе получим изображение выходной ВАХ транзистора ГТ311, удобное для снятия показаний.

Рис. 5.5 Семейство выходных ВАХ транзистора ГТ311 на виртуальном осциллографе.

С помощью Multisim проведем анализ «Рабочая точка DC». Для этого настроим программу. Зададимся искомыми параметрами. Программе после анализа выдает значение искомых параметров.

Теперь попробуем держать рабочую точку на границе положительной и отрицательной обратной связи в данной схеме.

Из расчетов колебательной системы автогенератора видно, что с помощью емкости С2 можно поймать границу положительной и отрицательной обратной связи схемы.

Для моделирования транзисторного автогенератора соберем схему, представленную на рис. 5.1 при С2=38 пФ.

Рис. 5.6 Модель транзисторного LC-автогенератора (С2=38 пФ)

На рисунке 5.7 показан момент начала генерации сигнала.

Рис. 5.7 Сигнал на выходе модели транзисторного LC-автогенератора

В данном случаи автогенератор способен работать как генератор шума. То есть модель начинает генерировать сигнал, вызванные колебаниями рабочей точки транзистора на границе положительной и отрицательной обратной связи.

Выводы по главе 5

В данной главе рассмотрено моделирование транзисторного LC-автогенератор в программе Multisim 10.1.

Для этого собрана схема автогенератора, полученная путем обоснования и расчета схема в главе 4. С помощью виртуального осциллографа изображены: сигнал на выходе модели транзисторного LC-автогенератора, входная ВАХ транзистора ГТ311, семейство выходных ВАХ транзистора ГТ311. В программе приведен анализ схемы «Рабочая точка DC».

Из расчетов колебательной системы автогенератора выявлена возможность фиксации рабочей точки транзистора на границе положительной и отрицательной обратной связи возбуждения автогенератора. Таким образом автогенератор способен работать как генератор шума.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения магистерской диссертации была разработана схема транзисторного LC-автогенератора, процесс разработки которого состоял из обосновании выбор транзистора и режим его работы, расчета режима работы, колебательной системы автогенератора, элементов цепи питания.

Проведено теоретическое исследование на тему «Автогенераторы».

Разобраны особенности расчеты транзисторного автогенератора на основе которых был рассчитан транзисторный LC-автогенератор.

Проведено моделирование работы транзисторного LC-автогенератора в программе Multisim 10.1

Из расчетов колебательной системы автогенератора выявлена возможность фиксации рабочей точки транзистора на границе положительной и отрицательной обратной связи возбуждения. Тем самым автогенератор способен работать как генератор шума.

ЛИТЕРАТУРА

Богданов Н.Г., Лисичкин В.Г. Основы радиотехники и электроники. Автоколебательные цепи.-2000.

Никольский И.Н., Хопов В.Б., Варокосин Н.П., Григорьев В.А., Колесников А.А. Нелинейные радиотехнические устройства техники связи.- Л.: 1972.

Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. Теория нелинейных электрических цепей.- М.: Связь, 1972.

Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей.- М.: Связь, 19825. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов Издательство: Радио и связь Год: 1986.

Теодорчик К.Ф. - Автоколебательные системы.- М.: ГИТТЛ, 1972.

Капранов М.В., Кулешов В.Н., Уткин Г.М. Теория колебаний в радиотехнике. Учебное пособие для вузов.- М.: Наука, 1984.

Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний (2-е изд.) М.: Наука, 1964.

Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. М.: Высш. школа, 1989.

Грановская Р.А. Расчет каскадов радиопередающих устройств, М.: Издательство МАИ, 1993

Митрофанов А. В., Полевой В. В., Соловьев А. А. Устройства

генерирования и формирования радиосигналов: Учеб. пособие/ СПбГЭТУ "ЛЭТИ". СПб., 1999.

Справочник по полупроводниковым транзисторам, М.: Связь, 1981.

Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000.

Каганов В.И. Радиопередающие устройства: Учебник для сред. проф. Образования. М.: ИРПО: Изд. Центр <Академия>, 2002.

Шамшин, В.Г. Основы схемотехники : учебно-методический комплекс. ДВГТУ. - Владивосток : Изд-во ДВГТУ, 2007.

Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Сов. радио», 1977.

1. Размещено на www.allbest.ru