5.7. Автогенератор

Автогенератор (АГ) в радиопередающем устройстве является первичным источником колебаний, частота и амплитуда которых определяются только собственными параметрами схемы и должны в очень малой степени зависеть от внешних условий. Любой АГ содержит активный элемент и колебательную систему (КС), колебания в которой поддерживаются за счет поступления энергии от источника питания.

Основными требованиями, предъявляемыми к АГ являются:

- стабильность частоты выходных колебаний;

- стабильность амплитуды выходных колебаний.

Стабильность частоты характеризуется следующими параметрами:

- абсолютной нестабильностью частоты сигнала;

- относительной нестабильностью частоты сигнала;

- спектральной чистотой сигнала.

Различают долговременную и кратковременную стабильность частоты. В АГ частота колебаний не должна зависеть от внешних воздействий (изменений напряжения источника питания, времени, температуры, влажности, вибраций, электромагнитных излучений), а должна определяться главным образом свойствами колебательной системы.

Для улучшения стабильности частоты в АГ используются КС, собственные частоты которых слабо зависят от внешних условий:

• высокодобротные колебательные контура со стабильными параметрами;

• кварцевые резонаторы;

• линии задержки и резонаторы на поверхностных акустических волнах;

• резонаторы из сверхпроводящих материалов;

• резонансные линии поглощения или излучения некоторых веществ.

При выбора типа автогенератора можно ориентировочно основываться на следующих усредненных значениях нестабильности частоты различных схем:

транзисторный с LC контуром - 10^-2 …10^-3;

термостатированный транзисторный с LC контуром - 10^-4;

транзисторный с кварцевой стабилизацией частоты - 10^-5 …10^-6;

термостатированный транзисторный с кварцевой стабилизацией частоты - 10^-7.

Мощность транзисторного автогенератора с кварцевым резонатором как правило не должна превышать 10 мВт, коэффициент полезного действия 2…5%, а выходное напряжение 50…1000 мВ. Чаще всего эти величины не задаются, а становятся известными в конце расчета автогенератора.

5.7.1. Порядок расчета автогенератора на транзисторе

Исходные данные:

f - рабочая частота;

R_н - сопротивление нагрузки (может быть не задано);

Р_н - мощность в нагрузке автогенератора (может быть не задана).

1) Задаемся мощностью, генерируемой транзистором Р_~ (для обеспечения высокой стабильности частоты рекомендуется выбирать около 10 мВт).

2) Выбираем по справочнику транзистор по мощности и частоте.

Высокая стабильность частоты автогенератора может быть получена при достаточно большой нагруженной добротности колебательной системы автогенератора Q_н=90 … 100. Если учесть, что добротность ненагруженной колебательной системы Q_хх=120 … 150, то коэффициент полезного действия колебательной системы получается h_к=0,2 … 0,3. Следовательно, только 20 % … 30 % генерируемой мощности поступает в нагрузку. Учитывая эти обстоятельства, транзистор по мощности следует выбирать в соответствии с неравенством

P_~іР_н/h_к

Величина P_~ для маломощных транзисторов в справочниках не указывается. Приближенный расчет этой величины может быть получен из следующих соображений. Если транзистор автогенератора работает в недонапряженном режиме, то электронный коэффициент полезного действия h_э составляет 0,2 … 0,3. Тогда

P_~@P_Кдоп/h_э

P_КдопіР_н/h_кі

Существенное упрощение расчета автогенератора получается, если инерционные явления в транзисторе слабо выражены. Это справедливо, когда граничная частота по крутизне f_S выше рабочей частоты автогенератора f

f <(0,1 - 0,2)f_S

S=S₀/(1+jf/f_S)

S₀=b₀/(r_б+b₀j_T/I_K0) =b₀/(r_б+b₀r_Э)

где j_T - температурный потенциал перехода (j_T=8,62*10^-5Т);

r_Э - сопротивление эмиттерного перехода:

r_Э@1/(40I_Э0)

I_Э0=I_K0(1+b₀)/b₀

Величина f_S для маломощных транзисторов в справочниках не указывается. Определить ее для конкретного транзистора можно по формуле

f_S=f_Т/(r_бS₀)

Постоянную составляющую коллекторного тока автогенератора следует выбирать из следующих соображений:

- I¹_K0і(3…5) мА, иначе будет наблюдаться сильная зависимость режима работы транзистора от температуры. Кроме того, при малых I_K0 велики шумы автогенератора;

- минимальное значение I_K0 зависит от мощности в нагрузке автогенератора. В недонапряженном режиме при электронном коэффициенте полезного действия 0,3…0,4 подводимая от источника коллекторного питания мощность:

Р₀=Е_к I_K0=Р_н/(h_эh_к)@(10…15)Р_н

Задавшись Е_к=0,5Е_кдоп, найдем ориентировочное значение I_K0

I¹¹_K0=Р₀ /Е_к=(10…15)Р_н/Е_к

Из полученных значений I¹_K0 и I¹¹_K0 следует взять большее. Приняв это значение за оценку постоянной составляющей тока коллектора, вычисляем S₀ а затем f_S.. Сравнивая f_S и f, решаем вопрос об использовании выбранного транзистора на заданной частоте.

Выписываем из справочника параметры транзистора.

3) Вычисляем мощность в нагрузке автогенератора

Р_н=h_кP_~

где h_к - коэффициент полезного действия контура автогенератора.

4) Вычисляем напряжение на нагрузке автогенератора:

U²_н=2R_нР_н

5) Выбираем угол отсечки коллекторного тока q_к в пределах 60 … 90 градусов. По формулам, таблицам или графикам определяем a₀(q_к) и a₁(q_к).

6) Выбираем напряжение источника питания:

Е_КЈU_КЭдоп/2

Напряжение на коллекторе влияет на барьерную емкость коллекторного перехода (уменьшается с ростом коллекторного напряжения) и температуру транзистора (мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе возрастает при увеличении напряжения на коллекторе).

Оптимальными можно считать значения напряжения на коллекторном переходе в интервале

Е_KЭ=(3…10) В.

7) Вычисляем амплитуду переменного напряжения на коллекторе транзистора:

U_mK=0,5E_K[1+Ц(1-8P_~r_нас/(E_Ka₁(q_К)))]

8) Определяем остаточное напряжение на коллекторе:

9) Определяем высоту импульса коллекторного тока (по выбранной ранее постоянной составляющей тока коллектора):

I_mK=I_K0/a₀(q_К)

Если полученное значение импульса коллекторного тока превышает предельно-допустимые параметры используемого транзистора, то необходимо уменьшить напряжение питание, либо выбрать более мощный транзистор.

10) Определяем первую гармонику коллекторного тока, генерируемую транзистором,

11) Определяем мощность, потребляемую коллекторной цепью от источника питания:

12) Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора:

Р_К=Р₀-Р_~

проверяем выполнение условия

Р_КЈ Р_Кдоп

Если полученное значение мощности превышает предельно-допустимые параметры используемого транзистора, то необходимо уменьшить напряжение питание, либо выбрать более мощный транзистор.

13) Вычисляем сопротивление нагрузки автогенератора, приведенное к участку эмиттер - коллектор,:

R_ОЕкр=U_mK/I_K1

Производим энергетический расчет базовой цепи.

14) Определяем ток базы транзистора:

I_б0=I_K0/b₀

15) Вычисляем амплитуду переменного напряжения на базе транзистора

U_mб=I_mK/(S(1-cosq_к))

16) Считая, что угол отсечки эмиттерного и коллекторного тока примерно одинаков, определяем напряжение смещения (для n-p-n транзистора):

,

где - напряжение отсечки коллекторного тока, равное 0,7 вольта для кремниевых транзисторов и 0,2…0,3 вольта для германиевых (по модулю). (Для p-n-p транзистора следует поменять знаки перед каждым из слагаемых суммы предыдущей формулы).

17) Определяем угол отсечки тока базы (для n-p-n транзистора):

(Для p-n-p транзистора следует поменять знаки перед каждым из членов числителя предыдущей формулы).

18) Определяем входное сопротивление транзистора по переменному току:

R_вх=1/(Sa₁(q_к)(1-cosq_к))

19) Определяем мощность переменной составляющей на базе:

Р_возб=0,5(U_mб)²/R_вх

На этом электрический расчет транзистора закончен, производим расчет нагрузочного контура, обеспечивающего работу автогенератора в непрерывном режиме.

Произведем расчет для автогенератора, собранного по схеме емкостной трехточки.

VT₁

C₂ L R_H

C₁ r₀

C₃

Рис. 15. Эквивалентная схема емкостной трехточки.

Элементы обратной связи должны быть рассчитаны так, чтобы обеспечивалось найденное ранее эквивалентное сопротивление нагрузки автогенератора R_ОЕкр при необходимом для работы значении коэффициента обратной связи К_ос.

20) Задаемся волновым сопротивлением контура автогенератора:

r=200 … 300 Ом

21) Вычисляем параметры контура автогенератора, обеспечивающие выполнение условия баланса фаз:

L=r/w

С=1/(rw)

где

С^-1=С^-1₁+ С^-1₂+ С^-1₃

22) Определяем коэффициент обратной связи автогенератора:

К_ос=U_mб/U_mК

Проверяем условие выполнения баланса фаз

К_осSR_ОЕкрі1

При невыполнении данного неравенства необходимо увеличить амплитуду переменного напряжения на базе (коэффициент обратной связи).

23) Задаемся собственной добротностью контура автогенератора:

Q_хх=100…200

24) Вычисляем сопротивление потерь контура автогенератора:

r₀=r/ Q_хх

25) Уточняем коэффициент полезного действия контура с учетом потерь на передачу сигнала с выхода (коллектора) на вход (базу):

h_к=(Р_н +Р_возб)/P_~

Если полученное значение превышает принятое в начале расчетов рекомендованное значение, то значит выбран транзистор с малым коэффициентом передачи тока базы и рекомендуется сменить транзистор, после чего все расчеты повторить.

26) Вычисляем нагруженную добротность контура автогенератора:

Q_н = Q_хх(1-h_к)

27) Вычисляем внесенное в контур автогенератора сопротивление:

r_вн=(r/ Q_н) -r₀

28) Вычисляем полное эквивалентное сопротивление нагруженного контура автогенератора:

R_ОЕн=r²/(r_вн+r₀)

29) Вычисляем коэффициент включения контура автогенератора в цепь коллектора:

р_к=Ц(R_ОЕкр/R_ОЕн)

30) Вычисляем емкости конденсаторов:

С₂=1/(rwр_к)

С₁=С₂/К_ос

С₃=1/(С^-1-С^-1₁-С^-1₂)

31) Вычисляем сопротивление потерь, внесенное в контур автогенератора по цепи обратной связи:

r¹_вн=1/((w С₁)²R_вх)

32) Вычисляем сопротивление потерь, внесенное в контур автогенератора внешней нагрузкой,:

r¹¹_вн=r_вн -r¹_вн

33) Вычисляем сопротивление связи с нагрузкой (сопротивление части контура автогенератора, параллельно которой подключается нагрузка R_н):

х_свН=ы(r¹¹_внR_н)

34) Вычисляем коэффициент включения нагрузки в контур автогенератора:

р_н=х_свН/r

35) Рассчитываем необходимые температурные коэффициенты емкости a_с из условия, что основным дестабилизирующим фактором является температурная нестабильность реактивных элементов трехточки, а для ее уменьшения необходимо у емкости a_с и индуктивности a_L иметь противоположные знаки температурных коэффициентов:

a_с+a_L=0

Задаемся температурным коэффициентом индуктивности:

a_L=0,000005…0,00001

Вычисляем температурный коэффициент емкости:

a_с= -a_L

Так как результирующая емкость состоит из соединенных последовательно конденсаторов С₁, С₂ и С₃, то их температурные коэффициенты емкостей связаны следующим образом:

(a_с1/С₁)+(a_с2/С₂)+(a_с3/С₃)=(a_с/С)

36) Задаемся температурным коэффициентом емкостей a_с1 и a_с2 конденсаторов С₁ и С₂ (следует выбирать небольшие значения) из стандартного ряда, приведенного в таблице Приложения 9.

37) Вычисляем температурный коэффициент емкости a_с3 конденсатора С₃:

a_с3=С₃/[(a_с/С) - (a_с1/С₁) - (a_с2/С₂)]

Если полученное значение температурного коэффициента емкости a_с3 существенно (более 20%) отличается от стандартных значений, то конденсатор С₃ можно составить из двух (и более) параллельно включенных конденсаторов с разными значениями и (или) знаками температурных коэффициентов емкости:

С₃=С¹₃+С¹¹₃

a_с3=[a¹_с3 С¹₃+a¹¹_с3 С¹¹₃]/С₃

Комбинируя путем перебора стандартными значениями a¹_с3, a¹¹_с3 и величинами С¹₃ и С¹¹₃, можно подобрать любое требуемое для термокомпенсации значение a_с3.

Производим электрический расчет принципиальной схемы автогенератора.

Используются различные схемы построения автогенераторов:

- схема с фиксированным смещением базовой цепи;

- схема с заданием тока базы;

- схема с заданием напряжения на базе;

- схема с эмиттерным автоматическим смещением;

- схема с комбинированным смещением (фиксированным и автоматическим).

С точки зрения максимальной температурной стабильности и обеспечения плавного перехода из режима мягкого возбуждения в режим жесткого возбуждения наилучшей является последняя схема.

Пример расчета простой часто используемой принципиальной схемы транзисторного автогенератора, собранного по схеме емкостной трехточки с параллельным питанием коллекторной цепи и емкостной связью с нагрузкой приведена на рис. 16.

Назначение элементов:

R₁, R₂ -резисторы задания режима работы каскада (тока базы);

R_Э -резистор эмиттерного автосмещения;

С_Э -блокировочная емкость;

С₁, С_2а, С_2б, С_2в, С₃ -емкости трехточки;

С_2а, С_2б -емкости, определяющие коэффициент включения нагрузки;

С_2в -подстроечная емкость для обеспечения точного выполнения условия баланса фаз;

L -индуктивность трехточки;

R_н -сопротивление нагрузки (на принципиальной схеме не рисуется, поскольку в его качестве выступает входное сопротивление последующего (буферного, согласующего) каскада);

L_бл -блокировочная индуктивность;

С_бл -блокировочная емкость.

R_б L_бл С_бл

С₃

L

VT₁

С_2в С_2а

С_2б R_H

C₁ R_Э C_Э

Рис. 16. Вариант схемы автогенератора.

38) Вычисляем величины сопротивлений, определяющих режим работы по постоянному току, R₁, R₂ и R_Э.

39) Вычисляем величину конденсатора связи с нагрузкой С_2б:

С_2б=1/(w х_свН)

40) Вычисляем величину конденсатора связи с нагрузкой С_2а:

С_2а=1/[(1/С₂) - (1/С_2б)]

41) Вычисляем величину блокировочной индуктивности L_бл:

L_блі10/(w С₂)

42) Вычисляем величину блокировочной емкости С_бл:

С_блЈ0,1/(w R_н)

43) Вычисляем среднюю величину емкости конденсатора С_2в:

С_2в=1/[w² L_бл]

44) Проверяем условие отсутствия прерывистой генерации:

С₁ R_б<<4p Q_н /f

Если это условие не выполняется, то в схему необходимо ввести емкость между точкой соединения базы транзистора и резистора R_б и точкой соединения индуктивности L и емкости С₁. Величина данной емкости определяется по формуле:

С_доп=0,4p Q_н /(f R_б)

Для уменьшения влияния на автогенератор внешних электромагнитных полей рекомендуется производить экранировку всего автогенератора или в крайнем случае индуктивности L (следует иметь в виду, что экран небольших размеров ухудшает собственную добротность индуктивности за счет дополнительных потерь в экране).