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

(3.116) (рис. 3.32). Для иллюстрации на рис. 3. 32 представ­

лено	нормированное значение управляющего				напряжения
для	обычной	трехточечной	схемы с частичной			емкостной
	/		связью	(см. рис. 3.27),			в
a.;		•	которой	частота		изменяет­
			ся с помощью		конденсато­
			ра 6\ без изменения дру­
			гих элементов схемы. Ха-
	/		}>актер	экспериментально
			полученных		зависимостей
			нормированного			значения
1,5			управляющего напряжения
			от и, (рис. 3.33) хорошо сог­
			ласуется с характером кри-
			>—о—
		_f				тх5
0,5	1Л	?,8 2	0,5			•	г
	Рис	3.32	Рис	3.33

Рис. 3.3?. Зависимость нормированного значения коэффициента регенерации от перекрытия по частоте при разных значениях коэффициента М:

I — М = 5, 2—М = 3 , 3 ,	if— JW = 2 , 5 J I трехточечная схема при постоянной
связи колебательного	контура с транзистором (см рис. 3 . 2 7 ) .

Рис. 3.33. Экспериментальная зависимость нормированного зна­

чения управляющего			напряжения	от коэффициента перекрытия
по	частоте при	разных	значениях	коэффициента М:
f =	50- Ю« Гц (пр:і	t j = l ) •

вых на рис. 3.32 с учетом зависимости управляющего напряжения Uзи от <хь описываемой выражением (3.93).

Таким образом, двухконтурные автогенераторы на по­ левых транзисторах позволяют получить большое перекры­ тие по частоте при мало изменяющемся режиме генериро­ вания без применения механических согласующих систем.

3.8.АВТОГЕНЕРАТОРЫ НА ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДАХ

Положительные свойства туннельных диодов (высокочастотность, малый шум, экономичность, стабильность ха-

7*

179

рактеристик) позволили с успехом применять их для гене­ рирования стабильных колебаний. В работе [111 рассмот­ рены свойства автогенераторов с разными видами согласу­ ющих устройств. Здесь ограничимся анализом схемы авто­ генератора с П-образным согласующим устройством, поз­ воляющим в бескварцевых автогенераторах наиболее просто согласовать колебательную систему с туннельным диодом.

					0,2	•	0,Ь	0,В£0)в
	Рис.	3.34			Рис.	3.35
	Рис. 3.34.	Эквивалентная		схема туннельного			диода
Рис.	3.35. Зависимость тока		и барьерной		емкости		туннельного
диода из арсенида галлия от напряжения					на р п переходе.
На эквивалентной схеме туннельного диода							( рис.	3.34)
обозначено: R — сопротивление (отрицательное)							на падаю­
щем	участке характеристики;			Ст — емкость		р-п перехода;
Ra	и L , — сопротивление		и	индуктивность			выводов и
тела	диода.

Для устойчивой работы туннельного диода, соответст­ вующей падающему участку вольтамперной характеристи­ ки, внутреннее сопротивление источника питания (гх) долж­ но быть меньше абсолютного значения отрицательного

сопротивления		ТД,	соответствующего точке перегиба
характеристики		(рис. 3.35).		В то	же время		сопротивле­
ние гх	не должно	вносить заметных потерь				в	колебатель­
ную	систему. Для		выполнения		последнего	условия ре­
зистор гх включается			между	точками 0—0		на	емкостной

и индуктивной ветвях колебательного контура, имеющими

одинаковое	высокочастотное	напряжение по отношению
к корпусу,	т. е. <oLl т 1/соС2	(рис. 3.36). Схемы автогене­

раторов с ТД аналогично схемам типа А и Б на транзисто­ рах (рис. 3.36) одинаково пригодны как для колебательных систем с однослойной катушкой индуктивности, так и для систем с резонансными линиями В последнем случае под

параметрами L , Cl и C„ следует понимать эквивалентные параметры разонансных линий. Конструкция колебатель­ ных систем должна выполняться так, чтобы собственные частоты конденсаторов С% и Сх (для схемы типа Б) были шачительно выше рабочей частоты.

С учетом сказанного при Re <^ R и при работе на ча­ стотах, значительно меньших предельной частоты, когда

Рис. 3.36. Схемы автогенераторов на туннельных диодах:

а — типа А; б —типа В.

индуктивностью Z.6 можно пренебречь, условие самовозбуж­ дения автогенератора запишется в виде

	р*#0	= /?' = Я а 1 в н в ,		(3.117)
где р = С1/(С1 + Сг ) — коэффициент связи ТД с			колеба­
тельной	системой; ссгэ к в	— коэффициент усреднения		отри­
цательного сопротивления R за период колебаний.
Для	количественной	оценки коэффициента а 1 а	к в	обра­

тимся к реальной характеристике туннельного диода из арсенида галлия, изображенной на рис. 3.35. Из выражения (3.117) следует, что при заданных внетлних условиях сред­ нее значение српротивления не должно изменяться при из­ менении напряжения источника питания ТД.

Если напряжение изменять в пределах линейной части падающего участка характеристики ТД, то коэффициент усреднения at э к в будет соответствовать коэффициенту устой­ чивости автоколебаний а ь аналогичному соответствующему коэффициенту в транзисторном автогенераторе. Характер зависимости R' от величины подводимого к ТД синусои­ дального напряжения на этой части характеристики показан на рис. 3.37 (кривые /, 2 соответствуют рабочим точкам на характеристике ТД, помеченным на рис. 3.35 теми же цифрами). Из этих кривых видно, что при малых значениях переменного напряжения, когда его амплитудное значение

не превышает напряжения, соответствующего линейной

части характеристики, R' = R,	т. е. at з в в =	1; при дальней­
шем увеличении подводимого	напряжения	сопротивление
R' резко возрастает.

При смещении рабочей точки в нелинейную часть пада­

ющего участка характеристики						(точки		3, 4 на рис. 3.35 и
соответствующие			им кривые на			рис. 3.37) характер					зависи­
мости R' от подводимого напряжения существенно изменяет­
ся. При самой малой амплитуде сопротивление R'										будет со­
ответствовать		дифференциальному					сопротивлению,				затем
R
2,5
2,0
U5
1,0
0..		40	80	120	160		200	240	С/т,мВ
Рис. 3.37. Зависимость					усредненного			за	период	коле­
баний	отрицательного сопротивления							ТД	от ампли­
туды	напряжения			подводимых			к ТД	колебаний		при
	разных		значениях		питающего напряжения:
/ — С о = 1 6 0		мВ;	2— £„ =	225	мВ; 3 — Б „ = ? 6 0			мВ;	* — £„ =	300	мВ

по мере увеличения амплитуды сопротивление R' умень­ шается и, пройдя некоторый минимум (который будет все­ гда больше сопротивления R), вновь увеличивается.

Нетрудно видеть, что применительно, например, к кри­ вой 3 на рис. 3.37 коэффициент усреднения а{ э к в отличается от коэффициента устойчивости (регенерации). В данном слу­ чае коэффициент устойчивости определяется отношением сопротивления R' при установившемся режиме (пусть это будет точка М на кривой 3) к дифференциальному сопро­ тивлению в точке 3 на кривой рис. 3.35 или, что то же самое, к сопротивлению в точке N на кривой 3 рис. 3.37. Если это отношение равно или меньше единицы, то колеба­ ния не возникнут.

Наиболее предпочтительна работа, соответствующая на­ чалу нижней нелинейной части характеристики ТД, так как при этом получаются минимальными нелинейные искаже­ ния тока при сравнительно большой амплитуде колебаний. Это наглядно показывают кривые рис. 3.38, полученные для реальной характеристики ТД.

	180	200	250	ЗОО	Ет,мВ
Рис.	3.38. Зависимость		коэффициента	регенерации
(	), управляющего		напряжения (—•—)		и коэф­
фициента искажения (—			— ) от постоянного напряже­
	ния	на ТД из	арсенида галлия:

граница возникновения колебаний при изменении по­ стоянного напряжения на ГД со стороны ббльших значений Е„.

На этом рисунке по оси абсцисс отложено напряжение питания, а по оси ординат — колебательное напряжение при разных коэффициентах усреднения at а к в и отношения суммы квадратов токов 2-й и 3-й гармоник к квадрату тока 1-й гармоники. Поскольку при работе, соответствующей этой части характеристики, пиковые значения колебательного напряжения практически не доходят до значений, соответ­ ствующих правому восходящему участку, и незначительно превышают значения, соответствующие левому нисходя­ щему участку характеристики ТД, то эту рабочую часть

m

характеристики можно аппроксимировать линейно-ломаной зависимостью с нижней и верхней отсечками.

Применяя те же ограничения, что и при расчете ампли­ туд (т. е. пренебрегая R s и L s ) , нетрудно показать, что вно­ симая в колебательную систему емкость равна

С в н = р*Сг .			(3.118)
Учитывая, что при малых значениях частотной поправки
8„ = bf/f~	- С В Н / 2 С 0 ,		(3.119)
после совместного решения (3.117)—(3.119) находим
8 e , = - |	p <	W	(3120)
Поскольку произведение	Ro.tmB	согласно	(3.117) не за­

висит от режима питания, частотная поправка может из­ меняться только из-за изменения емкости С т . Емкость С т имеет тот же физический смысл, что и емкость Сэ , описы­ ваемая выражением (3.68). Тогда применительно к данному случаю имеем

Ст = £ / ( ф 0 - £ 0	) ' / 2 .	(3.121)
Вводя обозначения ф о п = dEQ/E0	и а0 — %/Е0	и диффе­

ренцируя (3.121) по Е0 с учетом этих обозначений, полу­ чаем

dC T /C T =<p 0 n /2(a 0 - l) .	(3.122)
Дифференцируя (3.120) по С т и решая результат дифферен­
цирования совместно с (3.122), можно записать

Для ТД из	* » - - ї 5	в	а0 —
	германия, арсенида галлия и кремния<3123)
= 4,5-^-5,5.	Таким образом, выражение (3.123) позволяет
		£ 5 г * —

рассчитать изменение частоты при изменении питающего напряжения за счет емкости р-п перехода. Помимо изме­ нения емкости р-п перехода, при изменении питающего на­ пряжения будет изменяться соотношение между высшими гармониками тока и током основной частоты, что также приведет к изменению частоты автогенератора.

При нелинейном отрицательном сопротивлении, присое­ диненном параллельно колебательному контуру, общее

184

уравнение для баланса реактивностей имеет вид [5]

		W =	oc	/	\ 2
	=	- 2	NXN	М		,	(3.124)
		л/ = 2		\ ах	/
где Х 1 (	Хд/ — остаточная		реактивность			колебательной		си­
стемы на частоте 1-й		и Л/-й гармоник			тока.
Для	схемы типа А (рис. 3.36, а) после некоторых							пре­
образований находим
		XJ=2p*Q*8aT/«>C0,					(3.125)
где б а т	— частотная	поправка		из-за		влияния	высших
гармоник тока.
				.	1	г — і	.	1

Рис. 3.39. Зависимость изме­ нения частоты автогенератора от изменения питающего на­ пряжения при f <= 680 МГц;

# => —25Ом, С т •= 7 пФ.

2W

320

400 Е0,мВ

Реактивное сопротивление Хн можно без особых погреш­ ностей считать равным реактивному сопротивлению емко­ сти С2 , т. е.

Хл/ = 1 / Л Ч С 2 = р / Л Ч С 0 .			(3.126)
Подставляя полученные значения	для Х1 и Хц		в (3.124),
находим
ЛГ = 2	4	'

Для схемы типа Б значение частотной поправки будет опре­ деляться как

б „ -	J _ _ V f ^ V ,	(3.128)
	N = 3 4 '
где
т н	= 1 - С „ / С 0 .	(3.129)

185

Из сравнения (3.128) с (3.127) видно, что частотная по­ правка для схемы типа Б существенно больше, чем для схемы типа А. Это создает предпосылки для компенсации ухода частоты при изменении питающих напряжений. В за­ висимости от параметров схемы и характеристик ТД эта ком­ пенсация возможна также между частотными поправками (3.123) и (3.127). Типичный пример такой компенсации иллюстрирует экспериментально полученная зависимость, представленная на рис. 3.39.

3.9.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Конструкция	колебательной системы непосредственно зави­
сит от значения	рабочей частоты.

На частотах от 300—400 МГц до 2—3 ГГц применимы только системы с распределенными параметрами. Для наиболее стабиль­ ных автогенераторов ими будут коаксиальные резонансные линии; частотой в них наиболее удобно управлять, изменяя емкости у от­ крытого конца линии.

На частотах от 10—20 до 300—400 МГц наиболее целесообраз­ но применять колебательную систему в виде однослойной катушки индуктивности, работающей на частоте, близкой к собственной [2]. В высокочастотной части диапазона такую катушку тоже следует

рассматривать как систему	с распределенными параметрами. Уп­
равление частотой должно	осуществляться изменением	емкости
у открытого конца катушки (см. рис. 3.10). Таким образом,		в целом

такая конструкция будет представлять собой коаксиальную резо­ нансную линию, у которой внутренний стержень заменен катуш­ кой. Для наиболее стабильных автогенераторов на керамический

каркас	катушки должен непосредственно приклеиваться стекло-
эмалью	тонкий плоский провод из серебра. При оптимальном от­
ношении	диаметра экрана к	диаметру	катушки (около двух) и
при ширине провода, близкой		к шагу намотки, добротность такой
системы	равна [2]
	Q «	0.02D, Yfk,	(3.130)

где Da — диаметр экрана, см; / — рабочая частота, Гц; k — ко­

эффициент в формуле Нагаока, учитывающий отношение длины катушки к ее диаметру (при отношении, равном единице, k ж 0,7).

Добротность резонансной линии при оптимальном отношении диаметра внутреннего отверстия к диаметру экрана примерно в два раза больше, чем это следует из (3.130) (при этом коэффициент k

нужно считать равным единице).

	3.10.	ПРИМЕР	РАСЧЕТА	ТРАНЗИСТОРНОГО
		АВТОГЕНЕРАТОРА
Исходные		данные.	Транзистор	П403, рабочая частота	f =
= ЗОЛО6	Гц;	добротность 0 = 300; емкость колебательной			си­
стемы С0	= 8 пФ.

Считаем, что автогенератор должен возбудиться при токе кол­ лектора / к = 1 мЛ и коллекторном напряжении £ к = —10 В При этих исходных данных транзистор имеет следующие значении

параметров |2] : / ц = 87-10е

Гц; гб' —

50 Ом; лб =

46

Ом; аа

---

= 0,98;

Скб =

3,6

пф; Св

= 45 пФ;

реактивное

сопротивление

базы

Х б ж 20 Ом.

На основе этих

данных

по формулам

(3.21), (3.23), (3.24), (3.34^

и (3.36) находим: т0

= 0,413; /я, = 0,352; а т

= 0,837, гво

=

26 Ом;

/•„==

1.2

г э 0 /2 =

15,6 Ом; Гэ 0 = 24 Ом; R0

=

2-Ю6 Ом,

Оптимальное значение коэффициента обратной связи на задан­

ной частоте примерно равно о ж 0,5; тогда

по (3.44) рук =

0,407

или после умножения на оговоренный

в § 3.2. [см. (3.44)]

коэф­

фициент 0,7, получим рук =< 0,29.

Подставляя

найденное

значение рук

и

другие

известные

ве­

личины

в формулы

(3.32),

получаем: D ж 0,7; R х.

65

Ом; а д

ж

яг 0,625;

Р =к 4,7 Ом, подставляя которые

в формулу

(3.39), на­

ходим значение крутизны характеристики в начальной точке воз­

буждения

(она же средняя крутизна характеристики

при после­

дующем

увеличении

коллекторного

тока

путем

увеличения Eg)

Sa «

8,8 мА/В.

Расчет 5 Д

по упрощенной

формуле

(3.42) дает значение S% ж

я> 9,6

мА/В, т. е. разница

в

определении

крутизны

получилась

незначительной.

Подставляя найденные

значения

a,

R0,

SR

в (3.38),

находим

р ж 0,05.

Поскольку

произведение рук

известно,

зная

р,

по (3.44)

находим

YK =

5,8.

Для

дальнейшего

расчета

необходимо выбрать тип схемы. Вы­

бираем схему типа Б. Тогда, считая в (3.33) коэффициент ак = О,

находим	лік ж		1/ук = 0,17.		После	этого		по формулам (3.5)—(3.8)
находим	С к ~		6,6 пФ; d	ж	1,43	пФ; С 2		ж 41	пФ;	С3	ж 82 пФ.
Выбираем		коэффициент		устойчивости			а ; р = 2,		Тогда		по (3.53)
находим	t/a 6 »		0,26 В. По (3.43) рассчитываем величину								частотной
поправки		из-за	влияния	реактивностей			транзистора			б с	ж — 1 , 9 х
Х І 0 - 3 . Считая коэффициент искажения тока высшими										гармониками
(aNlaif	ж	0,5,	по (3.64)	определяем 6 а			ж	2,8-10~*.

Согласно (3.77) составляющая ТКЧ автогенератора, обуслов­ ленная температурной нестабильностью активного элемента схемы, равна т п ж 1,9-10_ в .

3.11.УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ С ПОМОЩЬЮ РЕАКТИВНЫХ НЕЛИНЕЙНОСТЕЙ

Наилучшие результаты для этой цели дает использование* зарядной емкости р-п перехода диода, описываемой выра­ жением (3.68). Такой нелинейный полупроводниковый кон­ денсатор носит название варикапа. Рассмотрим вопрос в об­ щем виде, т. е. для случая, когда емкость варикапа состав­ ляет любую часть контурной емкости при частичной связи активного элемента схемы с контуром.

Схема автогенератора на биполярном транзисторе, в колебательный контур которого включен варикап с емко­ стью Св и сопротивлением потерьгв , приведена на рис. 3.40. В этой схеме сопротивление резистора ли должно быть зна­ чительно больше модуля комплексного сопротивления ва

рикапа (rB , CJ. Сопротивление гв, выра­

женное	через добротность ва
рикапа QB, будет равно
r„ =	l/(oCB QB .	(3.131)

Рис. 3.40. Принципиальная схема автогенератора на би­

полярном транзисторе с варикапом.

С другой стороны, сопро тивление колебательного кон­ тура (если считать его сосре­ доточенным в катушке индук­ тивности), выраженное через добротность, без учета потерь в варикапе, составит

r = coL/Q= l/ooC0Q, (3.132)

где С„ — полная емкость колебательной системы автогене­ ратора, включающая и емкость варикапа.

Тогда эквивалентная добротность контура, учитываю­ щая потери в варикапе, будет определяться как

	Q a K D =			=	—	•	(3-133)
Согласно формуле Томсона нетрудно найти							коэффициент
перекрытия по частоте за счет емкости варикапа:
		/		_(СЫ*СВ\ 1/2			(3.134)
		fo	\	С в	)
	1
где /0 ,	С 1 0 — частота	и емкость колебательной					системы	без
учета	емкости варикапа, т. е. при Св				=	сю.	следует,	ис­
Рассчитывать автогенератор				с варикапом

пользуя изложенную в § 3.1—3.8 методику, однако в фор мулы вместо Q необходимо подставлять эквивалентное зна чение добротности QSKB, которая, как следует из (3.133), будет сильно зависеть от доли емкости варикапа в общей емкости колебательной системы. Емкость варикапа С„ за­ висит не только от приложенного к нему постоянного на пряжения, но и от переменного высокочастотного напря­ жения UB и низкочастотного напряжения UF, действующих