книги из ГПНТБ / Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет

истоком

параллельно

изоли­

рованному

затвору

создает­

ся

проводящий канал

с при­

месями того же

типа,

что у

стока

и истока.

Тогда

при

увеличении

отрицательного

напряжения

на затворе (при

канале n-типа)

ток

стока бу­

дет

уменьшаться

вплоть

до

полного

перекрытия

канала,

поскольку

подвижные

носи­

тели

(электроны)

будут

ухо­

дить

в глубь

тела

полупро­

водника. Таким

образом, ра­

бочий

режим

такого

транзи­

Рис.

3.26.

Выходные

вольт-

стора

лежит

в

области

обед­

амперные

характеристики по­

нения

канала

подвижными

левого транзистора,

работаю­

щего

в режиме обеднения

носителями

(рис. 3.25).

Уравнение

для входной

характеристики

такого

тран­

зистора будет иметь вид

К =

макс О

£ 3

и / ^ з и о ) 2

(3.81)

где

Езд

0 — напряжение

смещения

на

затворе,

соответ­

ствующее нулевому

значению тока.

Семейство

выходных

вольтамперных

характеристик

транзистора

представлено

на рис. 3.26.

3.6. /.

Основные

формулы

для расчета

режима

автогенератора

Рассмотрим

принципиальную трехточечную схему с ем­

костной

связью на транзисторе, работающем в режиме

обо­

гащения

(рис. 3.27,

а),

и ее

упрощенную эквивалентную

схему (рис. 3.27, б). В эквивалентной схеме

пренебрегаем

сопротивлениями

выводов

транзистора,

влияние

которых

на рабочих частотах (/<100-f-200 МГц)

относительно

невелико.

Междуэлектродные

емкости

транзистора

(на

рис. 3.27, б обозначены пунктиром), включенные параллель­ но соответствующим емкостям схемы, следует считать ча­ стью этих емкостей.

Составляя и решая согласно рис. 3.27, б систему урав­ нений, для предельно малых значений переменных напря­ жений находим

	7i?jQ)C	/ V /С0С3	(1 +	0)	а	шС о
	3
						(3.82)
где	о, Z 3 , ак	определяются формулами (3.2),				(3.13), (3.3);
ky	— статический коэффициент		усиления;	Rt		— внутрен­
нее сопротивление транзистора;			S = kyIRi	— крутизна ха­
рактеристики.

а)

Рис. 3.27. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы автоіенератора на полевом транзисторе, работающем в режиме обогащения.

Решая вещественную часть (3.82) относительно р 2 , пре­ небрегая при этом ак за малостью по сравнению с единицей, получаем

р 2 =

0+о)*<аС0

^

oQSca (1 —O/ky)

где 5 0 и — крутизна характеристики, соответствующая гра­ нице самовозбуждения (исходная).

Подставляя вместо 5С И ее значение (3.80), перепишем (3.83) в виде

	p » . = J l ± ^ P i ? C o	( 3 8 4 )
	2oQ/c „(l - о iky)'	v
где / с и	— ток стока, соответствующий границе самовозбуж­
дения	(исходный).

Поскольку постоянная составляющая тока пройти через затвор не может, для подачи автоматического смещения на затвор в режиме автогенерирования используется падение напряжения на сопротивлении г„, заблокированном по высокой частоте большой емкостью СбЛ , за счет тока стока

(рис. 3.27, а). Выбор величины сопротивления ги диктуется следующими соображениями. С одной стороны, это сопро­ тивление должно быть достаточно велико, чтобы обеспечи­ вался мягкий режим возбуждения. С другой стороны, уве­ личению га сопутствует рост напряжения источника пита­ ния. Компромиссным бу­ дет выполнение условия

г п / С 1 1 / £ р * 3 4 - 5 .

(3.85)

Вернемся к (3.83). По­ ложим, что увеличением напряжения батареи пита­ ния ток стока увеличен до нового значения / с , кото­ рому будет соответство­ вать значение крутизны

Рис.	3.28.			Зависимость			на­
пряжения				смещения		fp,	по­
стоянной			составляющей				тока
стока		в	режиме		автоколеба­
ний	/ с о	и тока стока при сры­
ве автоколебаний					/ с	от	на­
пряжения				батареи	питания:
' с и = 1 , 3 2				мА, »•„ = 3,6		кОм; 2 -
/ С И =		0.46		мА; '„ =	11 кОм.
характеристики					S0.		Тогда при	квадратичной	характе­
ристике транзистора должно выполняться условие
					( У и ,		/ 2 = 5 с / 5 с и	= аг ,	(3.86)
где	а* — коэффициент						регенерации	(устойчивости), пока­

зывающий, во сколько раз может быть уменьшена доброт­ ность колебательной системы, чтобы автогенератор, находя­ щийся на границе самовозбуждения при токе / с и , вновь ока­ зался на границе самовозбуждения при токе / с .

При соблюдении условия (3.85) постоянная составля­

ющая	тока стока	автогенератора	/ с о примерно равна току
стока	/ 0 (который	легко найти	при срыве автоколебаний,

шунтируя колебательную систему малым сопротивлением), т. е.

/ с 0 ^ / с .

(3.87)

Как видно из рис. 3.28, токи / с о и / с достаточно близки друг к другу и изменение напряжения Ер относительно не­ велико. Условие (3.87) и малая зависимость Яр от напряже­ ния питания позволяют существенно упростить расчет ре­ жима автогенератора. В этом случае исходное уравнение

для	переменного тока (стока) можно представить в виде
/с	=	(Ер + 1^2 и ш	cos со/)2 =	/ с и (1 + та cos со/)?, (3.88)
	Ер
где	U3U	— эффективное	значение	переменного (управляю­
щего)		напряжения: ти = t/2c>'3 jEp .

Рис. 3.29. Зависимость нор­ мированного значения управ­ ляющего напряжения от ко­ эффициента регенерации:

	расчет по (3.89);
— расчет	по	(3.93),	+ + 4- —
эксперимент при Е р = 1 . 8			В. ' с и =
= 4!> мА,	л п = 11 кОм; °°°		—экспе­
римент при Є		=3,1 В, / с и = 1 . 3 6 м А .
	г п	= 3,6 кОм.

2 ОС/

Разлагая (3.88) в ряд Фурье, с учетом (3.86), (3.87) на­ ходим относительное значение постоянной составляющей тока стока

i«L = а ? = — [26 + 4mn sin в 4- т п ( в 4- sin в cos в)], (3.89)

/ с и	2л
где
	6 = л 4-arcsin-5—— при та^ 1,					(3.90)
	Э = я при ти			1		(3.91)
—угол	отсечки.
Относительное значение тока 1-й гармоники опреде
лится	соотношением
	і сі	2	sin в 4- та		(в -+ sin в cos в)	+
	/си	Л

+ mi, (si n в — ^ - s i n 3 6 J J .

(3.92)

При известных значениях / с и , Е р , а; (по заданию) и по­ стоянной составляющей тока / с о [по (3.86), (3.87)] уравне­ ния (3.88), (3.92) позволяют определить амплитуду напря­ жения Um. Поскольку уравнения трансцендентные, связь между соответствующими величинами решается графиче­ ски. Связь между управляющим напряжением и коэффициен­ том а ( хорошо аппроксимируется выражением

		£ / 8 И * 0 , 7 5 £ р ( 2 а , - 1 , 5 ) ,				(3.93)
где	Uт	— эффективное	значение	управляющего		напря­
жения		Расчет по (3.93) хорошо согласуется с измеренными
значениями Vш при at			1,3 (рис. 3.29).
	3.6 2. Поправки для частоты			автогенератора
с	транзистором, работающим в			режиме	обогащения
	Решая мнимую часть уравнения (3.82) относительно ча­
стотной поправки б с , с учетом (3.80), (3.83) получаем
		8С =	У ^ Р + ° к )		я	( 3 _ 9 4 )
		Q3/2ky	/ г Є р ш С о	(1 - a / f e y )

Выражение (3.94) характеризует частотную поправку, обу­ словленную сдвигом фазы колебаний за счет влияния внут­ реннего сопротивления транзистора.

Поскольку величины междуэлектродных емкостей тран­ зистора значительно меньше емкостей схемы, параллельно которым они включены, с помощью несложных преобразо­ ваний находим частотную поправку, вносимую за счет этих (статических) емкостей:

б		= -		р 2 Г -	f С 8 0	+ — —	C C J .	(3.95)
	с е		н	[(І ф а ) 2	30	(1 - fa) 2	C " J	v

При работе автогенератора в нелинейном режиме под между­ электродными емкостями следует понимать их среднее зна­ чение за период основных колебаний.

Помимо частотных поправок (3.94) и (3.95) необходимо учитывать частотную поправку из-за влияния высших гар­ моник. Однако поскольку спектральный состав высших гармоник тока в полевом транзисторе значительно меньше, чем у биполярного транзистора, их влияние будет относи­ тельно мало.

I — H I — — 1

Рис. 3.30. Принципиальная схема автогенератора на полевом тран­ зисторе, работающем в режиме обеднения.

Схема автогенератора с транзистором, работающим в режиме обеднения, пред­ ставлена на рис. 3.30. Эквивалентная схема это­ го генератора соответст­ вует схеме на рис. 3.27, б. Автоматическое смещение на затвор подается за счет падения напряжения на сопротивлении гп. Коэффи­ циент связи р колебатель­ ного контура с транзи­ стором рассчитывается для

этой схемы по (3.83). С целью увеличения крутизны характеристики S0 при одновременном выполнении усло­ вия (3.85) на затвор следует подавать дополнительное по­ стоянное смещение через потенциометр (рис. 3.30). Знак этого смещения будет противоположен знаку смещения за счет падения напряжения на сопротивлении гп.

Приведенные расчетные формулы для схем автогенера­ торов с емкостной связью вполне применимы и для схем с частичной индуктивной связью, вид которых аналогичен виду схем на биполярных транзисторах (см. рис. 3.1, а).

3.7. ДВУХКОНТУРНЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

По стабильности частоты,по простоте и удобству монтажа трехточечная схема с частичной емкостной связью превос­ ходит другие схемы автогенераторов. Однако резкое изме­ нение режима генерирования в диапазоне частот при коэф­ фициенте перекрытия по частоте т) > l,2-f-l,3 затрудняет использование этих схем на практике. Применение электро­ механических систем для синхронного изменения связи кон­ тура с транзистором, как было показано применительно к биполярным транзисторам (см. рис. 3.10), усложняет конструкцию автогенератора в целом.

Этот недостаток автогенераторов с емкостной связью может быть уменьшен, если с изменением частоты автогене­ ратора и связанного с этим изменением связи контура с транзистором менять и величину отрицательного сопротив­ ления, вносимого транзистором в колебательную систему.

Практически это можно осуществить в двухконтурном ав­ тогенераторе. В таком автогенераторе (рис. 3.31) контур с переменной емкостью является основным; он должен из­ менять частоту генерирования. Другой контур настроен на частоту, при которой обеспечивается наибольшее отрица­ тельное сопротивление, вносимое в основной колебательный контур при настройке его на самую высокую частоту пере­ крываемого диапазона частот.

Рис. 3.31. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы двухконгурного автогенератора на транзисторе, работающем в режиме

обогащения

В общем	виде	комплексное		сопротивление	нагрузки
в цепи стока можно представить в виде
		Z&=Rj(l-jy),			(3.96)
где
R	=	=		<к	(3.97)
	1— т— Ш|		со,, С а 0 (1 — т — тх)
		У =		Qa	(3-98)

1—m — tn}

—коэффициент, характеризующий расстройку второго кон­

тура по отношению к генерируемой частоте;

	т = С з с /С а 0 ;		гщ = АС/Са 0 ;
Qa	— добротность	второго	контура	на	частоте генерации
соО'	С^с — емкость,	включенная между			стоком и затвором
	w 30			междуэлектродная ем­
(в эту емкость входит и собственная
кость транзистора);		С а 0 — емкость		контура, при которой
обеспечивается соблюдение			условия
		©о Ь а	0 С а 0 = 1;		(3.99)

175

AC — величина изменения емкости С а 0 в сторону ее умень­ шения, обеспечивающая максимальное отрицательное со­ противление, вносимое в основной контур на частоте (о0 , принято, что подстройка второго контура осуществляется емкостью; без принципиальных отличий подстройку можно осуществлять с помощью индуктивности L a 0 .

Анализ схемы на рис. 3.31, б приводит к следующему вы­ ражению, характеризующему режим автогенератора:

р 2 # 0 =	к й щ с з с		* а м о і «	^ (3.100)
ySc	— Ra	SQ CDu Ca o — oo)0 C 3 c
где
p = C0 /C2 ,		tf0	= Q/co0C0	(3.101)

— коэффициент связи транзистора с основной колебатель­ ной системой и полное сопротивление контура; С0 — пол­ ная емкость основного контура; Q — добротность основного контура;

5 с =	5 с и а ,	(3.102)
— крутизна характеристики,	соответствующая	току / с ;
а = 1 + / ? „ / / ? , .		(3.103)

Величины р, Q и С0 рассчитываются для самой высокой частоты (о0 перекрываемого автогенератором диапазона частот.

Подставив в (3.100) соответствующие значения из (3.97)— (3.99), после ряда упрощений получим

2	о	[т\4-2рп	(m^mt)2 ] а;
P2R0	mSc	mi 1		( 1 — т ф а 0 ) ? 0	" |	(3.104)
				Qa	J
		\
где
	n = C3C/C0;		a0 =	Ra0/Rt;
		Qo = »o CjSca.				(3.105)
Решая	уравнение	(3.104)	относительно p,		получаем

Ro Sou tn m'j ^ 1 4-

		<7o	(1 —m-f>a0)go
			Qa	(3.106)
	(1	— m ф а 0 ) </„

Значение p, которое соответствует максимуму вносимого в основной контур отрицательного сопротивления, будет оп­ тимальным (минимальным) при определенном значении ко­ эффициента т1 расстройки частоты второго контура отно­ сительно OJ0 . В общем виде определение этого оптимума из (3.106) приводит к громоздкому конечному выражению, однако его можно существенно упростить при условии

п « 1 .

(3.107)

Это условие выполняется тем легче, чем выше добротность основного контура Q и чем больше крутизна характеристики

При соблюдении условия (3.107) выражение (3.104) пре­ образуется к виду

Р 2 Я о = -	S c т	(1	—т-4-а0) qa
		т\ at	(3.108)
		(1 — т ч М 0 )
	S0 т		q0

Таким образом, рассмотрен двухконтурный автогене­ ратор при его работе на самой высокой частоте перекрыва­ емого диапазона. Рассмотрим теперь поведение автогене­ ратора, если частота основного контура будет уменьшаться с помощью увеличения емкости С1 (см. рис. 3.31). Вводя коэффициент, характеризующий отношение максимальной частоты диапазона к текущей частоте, т. е.

:(О0/Ю,	(3.109)
выражения (3.101) перепишем в виде
-,2	(3.110)
= ртГ
	(3.111)

При выводе выражения для R0 считалось, что добротность контура уменьшается пропорционально квадратному кор­ ню из частоты, что справедливо для однослойной катушки индуктивности.

7 Зак 1056

177

С учетом (3.110), (3.111) левая часть выражения (3.108) преобразуется к виду

Правая часть (3.108) будет определяться частотной зависи­ мостью комплексного сопротивления второго контура. Имея в виду, что величины L a n и С а о остаются неизменными, за­ меним в (3.97) коэффициент расстройки у на

y ^ U t l ' - O - f m - f m i l Q a	( 3 1 1 3 )
ц (\-~т — тл)

и частоту о)0		на со. Одновременно коэффициент регенерации
а, заменим		неизвестным		пока	значением		коэффициента
at^.	Тогда,	учитывая (3.112),			при	соблюдении		условия
(3.107) имеем
р » Я 0 =			( t i ' - i ^ ) ' ^						( 3 1 И )
	4	0 / ' m S c	t)2 — І + m , —				a» J
			L		Qa
Разделив (3.114) на			(3.108) и решив			получившееся			урав­
нение	относительно		а г ~/а г	(считая при этом			1 +	q0/Qa да
да 1),	получим
«<~			T| 5 / 2 mi{r) a — 1 +			т х )
	( T ) a - l + m i ) a		(1 — т + ад ) q»]			5 / 2	г (1—/гг		{ак)дй
			щ			+ п ' « і		я
				Va	J			Va
									(3.115)
Подставив в (3.115) оптимальное значение для тх,								получим

«г ( 1 4 Ч Г І 2 - - 1 ) Щ2 + ц 5 / 2 '

где

M = Qj2qQ(\ -пг + оо).

Выражение (3.116) хорошо характеризует зависимость режима автогенератора от перекрываемого им диапазона частот при разных значениях безразмерного коэффициен­ та М, в который входят основные параметры транзистора и второго контура. Возможность получения мало завися­ щего ст перекрытия по частоте режима генератора иллю­ стрируют кривые, графически отображающие уравнение

і 78