Конспект ТЭС 2 сем

Вторая общая точка колебательной характеристики 1 и линии обратной связи 4 (рисунок 10.3, точка 0) является неустойчивой, так как в ней возникшие колебания вне зависимости от начальной амплитуды нарастают до колебаний со стационарными амплитудами, определяемыми положением точки В.

Рисунок 10.4 – Определение стационарного состояния АГ в режиме жесткого самовозбуждения.

В условиях жесткого режима самовозбуждения (рисунок 10.4) колебательная характеристика 1 и линия обратной связи имеют три общих точки: О, А, В. Точка 0 характеризует устойчивое состояние покоя автогенератора, т. е. отсутствие самовозбуждения при малых начальных амплитудах колебаний. Колебания возникают только когда первоначальная амплитуда входного напряжения становится больше UmвхА, определяемого точкой А на рис. 10.4, например, напряжение увеличилось до значения UmвхС . Вызванный этим напряжением ток Im1C увеличит c помощью обратной связи напряжение на входе генератора, что приведет к большему возрастанию тока и т. д.

(см. рисунок 10.4, линии со стрелками). В результате достигается устойчивый колебательный режим (точка В), характеризуемый амплитудамиUmвхВ иIm1B.

Предположим теперь, что напряжение на входе генератора стало меньше, чем UmвхА и достигло значения UmвхВ, определяемого точкой D. Тогда ток уменьшится до Im1D, что вызовет дальнейшее уменьшение входного напряжения, как это показано линиями со стрелками на рис. 4. В результате колебания затухают. Следовательно, точка А пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи характеризует неустойчивое состояние режима автогенератора.

10.4 LC автогенератор с автоматическим смещением

Его применение обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующим автоматическим переходом в режим жесткого самовозбуждения. Этого достигают применением в автогенераторе специальной цепи автоматического смещения. На рис. 10.5, изображена упрощенная принципиальная схема автогенератора на биполярном транзисторе, нагрузкой которого служит колебательный контур L1C1. Напряжение положительной обратной связи создается на катушке L2 и подводится между базой и эмиттером транзистора. Начальное напряжение смещения на базе транзисто-

31

ра создается источником U0. Последовательно с этим источником включена цепь автосмещения R1С2.

Рисунок 10.5 – Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с автоматическим смещением.

Рисунок 10.6 – Диаграммы, поясняющие действие цепи автосмещения. Процесс возникновения и нарастания колебаний иллюстрируется с помощью

рисунка 10.6. В первый момент после включения генератора, т. е. в момент появления колебаний, рабочая точка А находится на участке максимальной крутизны вольт-амперной характеристики транзистора. Благодаря этому колебания возникают легко в условиях мягкого режима самовозбуждения. По мере возрастания амплитуды колебаний увеличивается ток базы, постоянная составляющая которого создает падение напряжения Uсм на резисторе R1 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор С1). Так как напряжение (Uсм приложено между базой и эмиттером в отрицательной полярности, результирующее постоянное напряжение на базе U0-Uсм уменьшается, что вызывает смещение рабочей точки вниз по характеристике транзистора и переводит автогенератор в режим работы с малыми углами отсечки коллекторного тока. При этом токи коллектора Iк и базы Iб имеют вид по-

32

следовательности импульсов, а напряжение на выходе Uвых, создаваемое первой гармоникой коллекторного тока, представляет собой синусоидальное колебание с неизменной амплитудой.

Таким образом, цепь автоматического смещения R1С2 в автогенераторе выполняет роль регулятора процесса самовозбуждения и обеспечивает в первоначальный момент условия мягкого самовозбуждения с последующим переходом в более выгодный режим с малыми углами отсечки.

11ТРЕХТОЧЕЧНЫЕ LC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

11.1Обобщенная трехточечная схема

Схемы одноконтурных автогенераторов (с трансформаторной, автотрансформаторной и емкостной обратной связью) и большинство других, более сложных схем, могут быть приведены к упрощенной, так называемой трехточечной схеме (рисунок 11.1). Такое обобщение упрощает анализ и помогает при составлении схем автогенераторов. Оно возможно благодаря общим требованиям к схемам автогенераторов, заключающимся в обязательней выполнении условий самовозбуждения (баланс фаз, баланс амплитуд).

Рисунок 11.1 – Обобщенная трехточечная схема АГ.

В обобщенной схеме колебательная система, состоящая из трех реактивных сопротивлений Хкб, Хбэ, Хкэ (активными сопротивлениями в большинстве случаев можно пренебречь), подключена к транзистору в трех точках: к, б, э, что определило название схемы. Отдельные элементы колебательной системы могут быть конденсаторами, катушками или более сложными электрическими цепями, например расстроенными параллельными контурами. Условимся также, что сопротивления Хкб, Хбэ, Хкэь включает в себя индуктивности соединительных проводов, междуэлектродные емкости, емкость монтажа и т. д. Таким образом, колебательная система приводится к контуру, состоящему из трех реактивных сопротивлений, по которым протекает контурный ток I к . В такой схеме автогенератора колебания могут возбу-

диться на собственной частоте данного контура f0 (точнее, на очень близкой к ней частоте), определяемой из условия резонанса, т. е.

X кб + X бэ + X кэ = 0

Контурный ток создает колебательные напряжения Uбэ = I к X бэ и U кэ = I к X кэ ,

которые для выполнения условия баланса фаз должны быть противофазными, что возможно только, когда реактивные сопротивления Хбэ и Хкэ имеют одинаковый характер (знак). Характер третьего сопротивления Хкб должен быть противоположным

33

характеру первых двух сопротивлений, образующих контур, иначе резонанс в контуре будет невозможным

Правильно составленная схема автогенератора должна обеспечивать выполнение условий баланса фаз и баланса амплитуд на частоте, близкой к собственной частоте колебаний в контуре. Необходимый для самовозбуждения коэффициент передачи цепи обратной связи, обеспечивающий выполнение условия баланса амплитуд, определяется соотношением:

Kос Sср Rрез =1,

а при самовозбуждении на частоте, близкой к f0 удовлетворяется также усло-

вие

ϕус +ϕос =1.
Коэффициент Kос =	U			I	X			X	бэ	при самовозбуждении должен быть веще-
		бэ	=	к		бэ	=
								X кэ
	U кэ			I к	X кэ

ственным и положительным, т. е. (ХБЭ/ХКЭ)>0, а это еще раз подтверждает, что реактивные сопротивления ХБЭ и Хкэ обязательно должны быть одного знака.

Можно составить два варианта трехточечных схем: ндуктивную (рис. 11.2), в которой напряжение обратной связи снимается с катушки L1, и емкостную (рисунок 11.3), в которой это напряжение снимается с конденсатора С1.

Рисунок 11.2 – Индуктивная трехточка.

Рисунок 11.3 – Емкостная трехточка.

Сравнивая рисунки, убеждаемся, что генератор с автотрансформаторной обратной связью представляет собой индуктивную трехточечную схему, а генератор с емкостной обратной связью емкостную трехточечную схему.

34

Получение почти синусоидальных автоколебаний, несмотря на то, что контур автогенератора настроен на частоту, близкую к ωавт , и выделяет колебания основной

гармоники, в выходном напряжении все же содержатся составляющие с частотами высших гармоник, приводящие к искажению формы выходных колебаний по сравнению с синусоидальной формой.

Высшие гармоники подавляют в основном за счет резонансных свойств контура выходной цепи. Известно, что чем выше добротность контура, тем острее его АЧХ и лучше фильтрация колебаний с частотами, отличающимися от резонансной. Однако получить высокую добротность контура в автогенераторе, особенно транзисторном, трудно. Поэтому принимают дополнительные меры к подавлению высших гармоник. К ним относятся следующие:

подключают нагрузку к индуктивной ветви выходного контура, так как токи высших гармоник в основном проходят через емкостную ветвь, имеющую для них меньшее сопротивление;

применяют многоконтурные выходные цепи, в которых фильтрующие свойства одного контура дополняются и усиливаются другими контурами;

применяют двухтактные автогенераторы, обеспечивающие эффективное подавление гармоник;

включают дополнительные заграждающие фильтры (в автогенераторах, работающих на одной частоте), настроенные на n-ю гармонику;

применяют в выходных цепях диапазонных автогенераторов фильтры нижних частот, пропускающие основные колебания рабочего диапазона и ослабляющие все гармоники; выбирают в усилительных каскадах, следующих за автогенератором, углы отсечки

коллекторного (анодного) тока θ = 90°, так как при этом в импульсе тока отсутствуют высшие нечетные гармоники.

11.2 Генератор с автотрансформаторной обратной связью

Принципиальная схема такого автогенератора изображена на рисунке 11.4.

Рисунок 11.4 - Принципиальная электрическая схема автогенератора с автотрансформаторной связью.

35

Схема содержит колебательный контур второго вида L1C4, к трем точкам которого к, э, б соответственно подключены коллектор, эмиттер (через блокировочные конденсаторы большой емкости С1, СЗ) и база (через разделительный конденсатор С2) транзистора VТ. Начальное смещение на базе транзистора задается делителем напряжения R1, R2. Элементы RЗ, СЗ образуют цепь автосмещения, создаваемого падением напряжения на резисторе RЗ при протекании по нему постоянной составляющей эмиттерного тока.

Напряжение обратной связи Umвв =Uбэ снимается с части витков катушки L1,

которая одновременно служит делителем напряжения UкБ, действующего на контуре. Как видно из схемы, условие баланса фаз выполняется потому, что напряжение Uъэ всегда изменяется в противофазе с переменным напряжением на коллекторе Umввы =U кэ . В этом можно убедиться, рассмотрев направление токов в ветвях контура

L1С4. Индуктивность катушки L1 в точке э делится на Lкэ, образующую левую (индуктивную) ветвь контура, и на UБЭ, которая с конденсатором С4 образует правую (емкостную) ветвь. Так как токи iL и iС в ветвях параллельного контура в любой момент времени противоположны по направлению, напряжения Uбэ и Uкэ противофазны.

11.3 Автогенератор с емкостной обратной связью

Одна из возможных схем такого генератора представлена на рисунке 11.5. В этой схеме применен колебательный контур третьего вида L2С4С5, соединенный точками к, э, б соответственно через конденсаторы СЗ, С2 и С1 с коллектором, эмиттером и базой транзистора VT1. В автогенераторе применена схема параллельного коллекторного питания, в которой источник питания, колебательный контур и транзистор включены параллельно друг другу. Для ослабления шунтирующего действия высокочастотного дросселя L1 на контур индуктивность дросселя выбирают исходя из соотношения L2=(10...20)L1. Общую емкость контура составляют емкости двух конденсаторов: С4 и С5, причем С4 образует емкостную ветвь контура, а С5 и L1 — индуктивную ветвь. Так как соответствующие токи iС и iL в любой момент времени направлены противоположно друг другу, напряжения Uкэ и UБЭ противофазны. Следовательно, условие баланса фаз выполняется, поскольку напряжение Uбэ =Umвв , снимаемое с конденсатора С5, является напряжением обратной связи, а

U кэ =Umввы , снимаемое с С4, - выходным напряжением генератора.

36

Рисунок 11.5 – Принципиальная электрическая схема АГ с емкостной обратной связью.

12СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ LC-ГЕНЕРАТОРОВ

12.1Общие сведения

Одним из важнейших показателей качества работы генератора является стабильность частоты. Стабильность частоты определяет электромагнитную совместимость система радиосвязи, искажения сигналов при модуляции и детектировании и др. показатели качества передачи сообщений.

Стабильность частоты – способность АГ сохранять частоту выходных колебаний постоянной при воздействии дестабилизирующих факторов. Она оценивается абсолютной и относительной нестабильностями.

Абсолютная нестабильность – разность между текущим и номинальным f0 значениями частоты:

∆f = f − f0 .

Относительная нестабильность – отношение абсолютной нестабильности к номинальному значению частоты:

∆f / f0 .

Относительная нестабильность частоты АГ при изменении его температуры на 10С называется температурным коэффициентом частоты (ТКЧ).

12.2 причины нестабильности частоты

Частота генерируемых колебаний определяется параметрами колебательного контура, а также параметрами других активных и пассивных элементов схемы. Изменение любого из них приводит к изменению частоты. Это может происходить под воздействием дестабилизирующих факторов:

-изменения внешних условий (температуры влажности, давления);

-механических сотрясений и вибраций;

-нестабильности напряжения источника питания;

37

-старения радиоэлектронных элементов;

-переключений, регулировок, изменения нагрузки генератора.

12.3Методы стабилизации частоты:

-конструктивное выполнение АГ с защитой от внешних механических и климатиче-

ских воздействий (жесткий монтаж, амортизация шасси, герметизация отдельных деталей или АГ в целом, термостатирование и др.);

-увеличение добротности колебательных систем АГ;

-стабилизация источников питания и режимов НЭ;

-параметрическая стабилизация – стабилизация параметров элементов схемы АГ при изменении внешних факторов;

-кварцевая стабилизация частоты – использование кварцевых резонаторов в схемах АГ.

12.4 Кварцевая стабилизация частоты

Кварцевый резонатор представляет собой кварцевую пластинку 1, помещенную между двумя металлическими электродами 2 и закрепленную с помощью кварцедержателя 3.

Рисунок 12.1 – Эскиз конструкции кварцевого резонатора. Кварцевые пластины обладают пьезоэлектрическим эффектом. ПРЯМОЙ ПЬЕ-

ЗОЭФФЕКТ состоит в том, что при механической деформации пластины на ней появляются электрические заряды, а ОБРАТНЫЙ – в деформации пластины под воздействием электрического поля.

Если к зажимам цепи, содержащей резонатор, подвести переменное напряжение u ~, то в ней возникнет переменный ток.

Рисунок 12.2 – Условное изображение кварцевого резонатора.

Ток достигает максимума при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной резонансной частотой кварцевой пластины fсобств .

Рисунок 12.3 – Частотная характеристика кварцевого резонатора.

38

Кварцевый резонатор можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, приведенной ниже.

Рисунок 12.4 – Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора: Lкв, Скв, Rкв – эквивалентные параметры кварцевой пластины;

С0 – емкость между электродами.

В целом образовался колебательный контур третьего вида. В нем резонанс наблюдается на двух частотах:

f рез1 =			1			- частоте последовательного резонанса;
	2π
			LквCкв
f рез2 =			1					- частоте параллельного резонанса.
				СквС0
		2π		Lкв СквС0

Расхождение между частотами очень небольшое (сотни герц). Частоты резонансов очень стабильны и могут использоваться в качестве эталонных.

Для любых частот, кроме узкой полосы f рез1... f рез2 сопротивление кварцевого резонатора имеет емкостной характер и лишь для отмеченной полосы – индуктивный.

Рисунок 12.5 – Изменение реактивного сопротивления кварцевого резонатора. В схемах генераторов кварцевые резонаторы можно использовать как эталон-

ные фильтры и как эталонные индуктивности.

Пример первого способа использования представлен на рисунке 12.6.

39

Рисунок 12.6 – Кварцевый генератор, выполненный по фильтровой схеме. Схема является фильтровой, т.к. кварцевый резонатор выполняет в ней роль

конденсатора, замыкающего цепь ПОС индуктивной трехточки. Автогенератор возбуждается на частоте последовательного резонанса f рез1 , на которой сопротивление

резонатора минимальное и чисто активное. Это означает, что коэффициент обратной связи будет наибольшим (выполняется условие БА). Кроме того, на этой частоте цепь ПОС не вносит дополнительного фазового сдвига (выполняется условие БФ).

Пример второго способа использования кварцевого резонатора показан на рисунке 12.7.

Рисунок 12.7 – Кварцевый генератор, выполненный по схеме емкостной трехточки.

Кварцевый резонатор выполняет роль индуктивности и включается в соответствующий участок трехточечной схемы генератора (между базой и коллектором в емкостной трехточечной схеме). АГ возбуждается на одной из частот, лежащих между f рез1 и f рез2 .

13 RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Использование LC-генераторов для генерирования низкочастотных гармонических колебаний затруднительно, т.к. необходимо увеличивать индуктивность и емкость контура, что связано с уменьшением добротности контура и увеличением его габаритов и массы. Поэтому на этих частотах используют RC-генераторы.

Из множества разновидностей на практике находят применение цепочные и мостовые RC-автогенераторы.

40