Глава 12. АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Первичным источником высокочастотных колебаний в радиопередатчике является автогенератор – автономное устройство, которое преобразует энергию источника питания в высокочастотную энергию. Частота и мощность высокочастотных колебаний в автогенераторе определяется только его параметрами. В дальнейшем будут рассматриваться только один вид автогенераторов, состоящих из активного прибора (транзистора или лампы), колебательного контура и источника питания.

Стабильность частоты автогенератора определяет стабильность частоты колебаний, излучаемых радиопередающим устройством. Частота автоколебаний зависит от температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения питания автогенератора и других причин. Если стабильность частоты автогенератора недостаточна, то в последующих каскадах этот недостаток устранить невозможно. Заданная стабильность частоты – это основное требование

к автогенератору.

После подачи питающих напряжений при выполнении некоторых условий автогенератор самовозбуждается. С течением времени амплитуда автоколебаний достигает некоторого значения, которое в дальнейшем не меняется. Этот

режим называется стационарным (или установившимся).

Общие уравнения автогенераторов

Большую часть схем автогенераторов можно свести к схеме обобщенной трехточки (рис. 12.1,а,б), состоящей из пассивного трехполюсника (сопротивления Z1, Z2, Z3) и активного трехполюсника (транзистор или электронная лампа). Сопротивления Z1, Z2 и Z3 образуют параллельный колебательный контур, резонансная частота которого определяет частоту автоко-

лебаний.

В стационарном режиме комплексные амплитуды токов первой гармоники и напряжений, действующих между электродами автоге-

Рис. 12.1 нератора, связаны следующими соотношениями:

			(12.1)
UК =	IК1ZК ;

где ZК - cопротивление коллекторной нагрузки автогенератора:

				2	+		3)
	Z1(Z					Z
ZК =		+						3	;	(12.2)
	Z1		Z 2			+ Z

71

Часть напряжения UК через делитель, состоящий из Z2 и Z3, подается в базовую цепь:

		(12.3)
UБ =	kUК ;
где k - коэффициент обратной связи автогенератора.

k =

UБ

= −

IКОНТ Z 2

= −

Z 2

;

(12.4)

3)

3

UК

IКОНТ (Z 2 +

Z

Z

2 + Z

связан соот-

Ток первой гармоники в коллекторной цепи с напряжением UБ

ношением:

=

(12.5)

IК1

S γ1(θ )UБ ;

После подстановки уравнения (12.5) в (12.1) получим:

(12.6)

UК =

S

γ1(θ )UБZК ;

Поделив правую и левую части последнего уравнения на UК , получаем

уравнение стационарного режима автогенератора в комплексной форме.

= 1,

(12.7)

S1 k ZК

где S1 – крутизна транзистора по первой гармонике – S1 = γ1(θ)S. Представим сомножители этого уравнения в показательной форме:

S =

S e

jϕ

S

= S γ (θ) e

jϕ

S

; Z

=

Z

e

jϕ

Н

;

k = ke

jϕ

К

,

(12.8)

1

1

К

К

1

где S1, |ZК|, k – модули крутизны по первой гармонике, сопротивления коллекторной нагрузки и коэффициента обратной связи.

Подставив выражения (12.8) в уравнение (12.7) получим:

S		Z	К		k e j(ϕ S + ϕ Н + ϕ К ) = 1.					(12.9)
1
Последнее уравнение распадается на два:
– уравнение баланса амплитуд S1							ZК		k = 1,	(12.10)
– уравнение баланса фаз ϕ S + ϕ Н +							ϕ К = 2nπ ,			(12.11)

где ϕS – фазовый сдвиг между первыми гармониками тока коллектора IК1 и

напряжения на базе UБ, ϕН – фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения на коллекторе UК и тока коллектора IК1 (то есть фазовый угол нагрузки), ϕК – фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения на базе UБ и напряжения на коллекторе UК (фазовый сдвиг в цепи обратной связи), n = 0, 1, 2...

В автогенераторах, которые здесь рассматриваются, модуль всех фазовых углов менее 90о, поэтому n = 0 и уравнение (12.11) можно переписать иначе

ϕ Н + ϕ S + ϕ К = 0.

(12.12)

Уравнение (12.10) позволяет рассчитать энергетические характеристики автогенератора в стационарном режиме. Зная крутизну S транзистора, сопротивление контура |ZК| и коэффициент k обратной связи, можно определить амплитуды напряжений UК1, UБ1 и угол отсечки θ

	γ1(θ ) =	1	.	(12.13)
		S | ZК | k

72

Фазовые углы, входящие в уравнение баланса фаз, не равны нулю из-за инерционности транзисторов и наличия активных потерь в цепях обратной связи. Сдвиг по фазе между коллекторным током первой гармоники и напряжением на нагрузке свидетельствует о том, что частота автоколебаний не равна резонансной частоте контура автогенератора.

Уравнение (12.12) определяет расстройку (рис. 12.2) между частотой генерации и резонансной частотой контура автогенератора, а также приращение частоты автогенератора при изменении фазовых углов ϕS и ϕК.

	На рис. 12.2 построены две фазо-ча-
	стотные характеристики контура, соот-
	ветствующие добротностям Q1 и Q2 (Q2
	> Q1). Большей добротности соответ-
	ствует	меньшее приращение частоты
	автогенератора при одинаковом значе-
	нии (ϕ S + ϕ К ) .
	Сопротивления Z1,Z 2,Z3 - это эле-
	менты	добротного колебательного
	контура автогенератора, следователь-
	но, активные потери в них малы. На
Рис. 12.2	этом основании можно записать:
	Z1 = jx1 + r1, r1 << x1;
	= jx2 + r2,	r2 << x2;
Z 2
	= jx3 + r3,	r3 < x3.
Z3

Пренебрегая активными сопротивлениями r1,r2,r3, соотношение (12.4) при-

	нимает вид:		x2
	k = −			.	(12.14)
		x2	+ x3

Коэффициент обратной связи в автогенераторах с высокодобротными контурами можно считать вещественным.

Условимся использовать в автогенераторе высокочастотные транзисторы, которые на рабочей частоте можно полагать безынерционными приборами. В

этом случае фазовый угол крутизны φS можно принять равным нулю (ϕ S 0 ).

Тогда из уравнения баланса фаз (12,12) следует, что и фазовый угол φН = 0, то есть нагрузка автогенератора имеет активный характер. Нагрузка автогенератора активна, если

	x1 + x2 + x3 = 0
или	x2 + x3 = – x1.	(12.15)
Подставив равенство (12.15) в формулу (12.14), получим
	k = x2/x1;	(12.16)

Сопротивление коллекторной нагрузки при выше названных условиях рав-

но:
RК = x12/r,	(12.17)
где r = r1 + r2 + r3 – сопротивление потерь контура автогенератора.

73