2. Выбор и анализ схемы автогенератора

Автогенератором является такая электрическая цепь, в которой периодические изменения напряжения и тока возникают без приложения к ним дополнительного периодического сигнала.

Для получения незатухающих колебаний в схеме создана положительная обратная связь. В генераторе синусоидального напряжения цепь обратной связи имеет резонансные свойства, чем обеспечивается ее самостабилизация.

Рисунок2.1.2.1 Принципиальная схема индуктивного трёхточечного автогенератора с положительной обратной связью

В схеме автогенератора по типу индуктивная трехточка передача энергии от выхода ко входу обеспечивается положительной обратной связью осуществляемой за счет разделения индуктивности контура на две части, и падение напряжения на одной из них является источником входного сигнала усилительного каскада (рисунок2.1.2.1). Автогенератор работает в мягком режиме, т.е. петлевое усиление К_у·К_ос > 1 в момент включения. Тогда любые шумы или возмущения в системе, вызванные случайными факторами, усиливаются и через цепь ОС подаются на вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала, причем, причем величина этого дополнительного сигнала больше того возмущения, которое вызвало его появление, затем этот процесс повторяется до тех пор пока при определенном уровне сигнала не начнут появляться свойства усилительного каскада. Петлевой коэффициент начинает уменьшаться до единицы, амплитуда автоколебаний начинает стабилизироваться и АГ начинает давать колебания, имеющие постоянную амплитуду. Также в автогенераторе должно выполняться два необходимых и достаточных условия: баланс амплитуд К_у·К_ос = 1 (все потери в схеме должны быть восполнены за счет усиления) и баланс фаз (часть выходного сигнала снимаемого с выхода должна подаваться с той же фазой на вход).

Назначения элементов:

R₁, R₂ - базовый делитель, обеспечивающий необходимое напряжение смещения, т.е. положение рабочей точки на входной характеристике;

R_э1, R_э2 - резисторы создающие отрицательную обратную связь по постоянному току, это обеспечивает автоматическую термостабилизацию рабочей точки;

С_э- конденсатор, достаточно большой ёмкости, исключающий ООС по переменному току, что не позволяет снизить коэффициент усиления каскада;

С_к, L_к1, L_k2 — колебательный контур, является нагрузкой транзистора и задает частоту генерируемых колебаний;

L_ф, С_ф - развязывающий фильтр, необходим для того чтобы переменная составляющая коллекторного тока не замыкалась на источник питания;

С_р1, С_р2- разделительные конденсаторы, они разделяют (развязывают) по постоянному току входную цепь и выходные соответственно;

R_н – внешняя нагрузка.

2. Выбор рабочей точки транзистора в режиме класса а. Определение необходимых параметров транзистора

   1. Статические характеристики транзистора

Перед началом расчёта усилителя по постоянному току необходимо иметь входную и выходные характеристики для выбранного транзистора по справочнику, либо определить их моделированием.

Расчёт выполним для работы транзистора в классе А, в этом случае форма сигнала на выходе повторяет форму сигнала на входе.

Надо определить начальные токи и напряжения покоя транзистора для заданных условий работы (напряжения питания, сопротивления нагрузки и выбранного эмиттерного сопротивления) для использования в дальнейших расчетах схемы по постоянному току.

Рисунок 2.2.1.1 Окно DC Sweep с параметрами для получения передаточной характеристики

Составим схему для снятия переходной характеристики и введем исходные данные для каждого элемента схемы в соответствии с заданием. При этом напряжение включаемого источника питания в базовую цепь выбираем равным 3В, имея ввиду, что это предельное напряжение до которого его можно изменять, начиная от нуля. В программе расчета, для получения передаточной характеристики по точкам, воспользуемся встроенной функцией построения графиков, которую можно запустить следующим образом: Analysis DC sweep. В открывшемся окне вводим необходимые параметры: источник, напряжение которого изменяется; пределы изменения напряжения; шаг изменения напряжения; узел, в котором снимается напряжение (см. рисунок 2.2.1.1).

По полученному графику определяем напряжение базы покоя U_БП, для этого принимаем напряжение U_к равным половине E_П/2 =7В. При этом U_БП=1.519В (см. рисунок 2.2.1.3).

Полученное значение U_БП задаем для источника V₂ и определяем значение напряжения база–эмиттер покоя U_БЭП, тока базы покоя I_БП и ток коллектора покоя Iкп, которые покажут измерительные приборы, включенные в схему (см. рисунок 2.2.1.2).

Рисунок 2.2.1.3 Передаточная характеристика и определение напряжения U_БП

Рисунок 2.2.1.2 Схема для снятия передаточной характеристики и определения U_БЭП; I_БП

Соберем схему, показанную на рисунке 2.2.1.4 для снятия выходной характеристики (при постоянном токе базы). Снова воспользуемся встроенной функцией построения графиков, которую можно запустить следующим образом: Analysis DC sweep.В открывшемся окне введем необходимые параметры для получения семейства выходных характеристик.

Рисунок 2.2.1.5 Окно DC Sweep с параметрами для получения выходной характеристики

Рисунок 2.2.1.4 Схема для снятия семейства выходных характеристик транзистора

Рисунок 2.2.1.6 Семейство выходных характеристик транзистора

Входная характеристика – это зависимость тока базы I_Б от напряжения Uбэ при I_k=const. Она снимается аналогично остальным характеристикам с помощью DC sweep Схема для ее снятия и ее график показаны на рисунках 2.2.1.7 и 2.2.1.9соответственно.

Рисунок 2.2.1.7 Схема для снятия входной характеристики

Рисунок 2.2.1.8Окно DC Sweep с параметрами для получения входной характеристики

Величина	Размер
Uбп	1.519V
Uбэп	814.0mV
Uкп	7.010V
Iбп	47.34μA
Iкп	4.660mA

Рисунок 2.2.1.9Входная характеристика транзистора

3. Схема усилителя переменного сигнала

Усилительный каскад содержит в себе следующие функциональные цепи: входную цепь, цепь обратной связи, нагрузочную и выходную цепи, а также фильтр в цепи источника питания.

Рисунок 2.3.1 Схема однотактного апериодического усилителя

Рассмотрим функциональное назначение элементов и электрических цепей схемы (рисунок 2.3.1).

В состав входной цепи входят резисторы R₁ и R₂, а также разделительный конденсатор С_р1. Конденсатор С_р1 препятствует протеканию постоянного тока от источника входного сигнала на вход усилителя. В противном случае это приводит к нарушению режима работы транзистора по постоянному току. Разделительный конденсатор С_р1 представляет собой большое сопротивление для постоянного тока на входе усилителя и вносит фазовый сдвиг, обеспечивающий положительную обратную связь по переменному току. Иначе говоря, разделительный конденсатор С_р1 служит для того чтобы не пропустить на вход каскада постоянную составляющую. Конденсатор С_р2, также называемый разделительным, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянному току. Наличие этих конденсаторов позволяет считать, что подключение следующего функционального узла к выходу усилителю или к его входу, не вызовет изменений режима работы усилителя по выполняемым расчетам по постоянному току.

Сопротивления R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. При включении его в схему из неё исключается дополнительный источник питания базы. Чем меньше общее сопротивление делителя, тем больше ток делителя, и тем меньше потенциал базы зависит от изменений базового тока и тем лучше стабилизация. Сущность стабилизации заключается в том, что делителем задаётся потенциал базы, тем самым фиксируется ток эмиттера и через это ток коллектора. РезисторыR₁ и R₂ выбираются таким образом, чтобы ток делителя многократно превышал ток базы. В этом случае потенциал базы не зависит от тока базы, поэтому он слабо подвержен температурному дрейфу и обеспечивает необходимое, напряжение смещения рабочей точки и выводит транзистор в режим работы класса А.

Цепь обратной связи предназначена для стабилизации режима работы транзистора по постоянному току. Данная схема включает в себя сопротивление R_э и ёмкость С_э.

Резистор R_э образует отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току для получения стабильного режима работы усилителя. Резистор R_э предназначен для компенсации теплового изменения коллекторного тока. Увеличение резистора R_э приводит к максимальному усилению на переменном токе и повышает температурную стабилизацию на постоянном. Резистор R_э обеспечивает ограничение протекания тока в цепи и тем самым уменьшает вероятность перегрузки.

Конденсатор С_э шунтирует резистор R_э по переменному току, чтобы исключить влияние отрицательной обратной связи на сигнал. При отсутствии конденсатора С_э резистор R_э не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет режим работы каскада по переменному току. Для схемы входной изменяющийся сигнал также является дестабилизирующим фактором.

Конденсатор С_э обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напряжению, так как уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения Ur_э (говорят, что конденсатор С_э шунтирует резистор R_э ликвидируя отрицательную обратную связь на переменном токе). Резистор R_э образует цепь обратной связи. Предназначен для температурной стабилизации каскада. Чем больше R_э, тем стабильнее рабочая точка, но уменьшается КПД усилителя. Температурная стабилизация тем выше, чем больше падение стабилизирующего напряжения на R_э.

Переменная составляющая эмиттерного тока I_э создаёт на резисторе R_э падение напряжения, которое уменьшает переменное напряжение U_бэ ⁼ U_вх – I_эR_э, что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада.

Нагрузочная цепь, за счёт содержащегося в ней резистора R_к, ограничивает протекание тока в выходной цепи. R_к выбирается примерно равным сопротивлению нагрузки R_н для согласования, чтобы уменьшить нелинейные искажения и обеспечить оптимальный коэффициент передачи сигнала.

В выходную цепь передается усиленный переменный сигнал, откуда выходное напряжение передается в следующий каскад. Данная цепь содержит два элемента: С_р2 и R_н.

Конденсатор С_р2 аналогично конденсатору С_р1 выполняет функции разделительного и имеет большое сопротивление постоянному току. Он для того, чтобы не пропустить постоянную составляющую тока в нагрузку. Резистор R_н -сопротивление нагрузки, с которого снимается выходное напряжение.

Разновидности всех схем усилителей состоят в основном в различиях нагрузки в выходных цепях.