5.7.3. Транзисторный автогенератор с кварцевым резонатором
Кварцевый резонатор состоит из кварцевой пластины и кварцедержателя, к которому присоединены выводы для подключения к схеме автогенератора.
Эквивалентные параметры кварцевой пластины Lкв, Cкв, rкв зависят от размера кварцевой пластины и типа среза и имеют [29] следующие величины:
Cкв - десятые доли пикофарады;
Lкв - десятки милигенри:
rкв - единицы Ом.
Емкость кварцедержателя C0 зависит от конструкции и обычно составляет 20…40 пф.
Кварцевая пластина вместе с кварцедержателем имеет две резонансных частоты (параллельного w0 и последовательного w1 резонанса):
w20=1/(LквCкв)
w21=1/(LквCпар)
где Cпар - емкость параллельно соединенных конденсаторов Cкв и C0:
Cпар=CквC0/(C0+Cкв)
Как правило, частоты w0 и w1 отличаются незначительно (на 0,5…1 %), причем в интервале частот от w0 до w1 кварц имеет индуктивное сопротивление.
Из большого множества вариантов схем кварцевых автогенераторов наиболее часто используются следующие:
осцилляторные (кварцевый резонатор выполняет роль одной из индуктивностей в трехточечной схеме автогенератора);
фильтровые (кварцевый резонатор включается как последовательный колебательный контур в цепь обратной связи автогенератора, при этом колебания возникают на частоте последовательного резонанса кварца, которая достаточно стабильна).
Осцилляторные схемы обеспечивают лучшую стабильность частоты, а также более предпочтительны, так как кварцевый резонатор может иметь индуктивное сопротивление только в том случае, если он исправен и кварцевая пластина колеблется. В противном случае, а также в случае отсутствия в схеме кварцевого резонатора автоколебания невозможны.
Из осцилляторных схем чаще используются автогенераторы, построенные по схеме емкостной трехточки, в которых кварц включается между коллектором и базой транзистора (при этом схема менее склонна к паразитной генерации на частотах выше рабочего диапазона, и для схемы не нужны дополнительные индуктивности, что важно при интегральном исполнении).
Определяющим критерием при выборе транзистора является рабочая частота и диапазон рабочих температур. Пригодны различные маломощные высокочастотные германиевые и кремниевые транзисторы.
Выбор конкретного транзистора производим в соответствии с рекомендациями, приведенными в предыдущем разделе.
В транзисторных каскадах оптимальными с точки зрения стабильности частоты являются использование кварцевых резонаторов с частотами до 10 МГц. Выбирать следует кварцевый резонатор с минимальным значением температурного коэффициента частоты в рабочем интервале температур. Если заданная стабильность частоты не обеспечивается, то необходимо термостатировать кварц или весь автогенератор. При термостатировании необходимо выбирать кварцевый резонатор, у которого температура нулевого значения коэффициента частоты выше верхней рабочей температуры автогенератора, так как при этом облегчается поддержание необходимой температуры в термостате.
Рассмотрим расчет транзисторного автогенератора, собранного по схеме емкостной трехточки с кварцевой стабилизацией частоты, принципиальная электрическая схема которого приведена на рис. 17.
Емкостная трехточка образуется индуктивностью кварцевого резонатора и конденсаторами С2, С3. Резисторы R1, R2 и R3 обеспечивают внешнее и автоматическое смещение базового перехода транзистора. Конденсатор С2 служит для устранения отрицательной обратной связи по переменному току через эмиттерный резистор R3. Дроссель L1 осуществляет подачу постоянного напряжения на коллектор, представляя большое сопротивление для переменного тока. Дроссель L2 устраняет шунтирующее действие делителя напряжения R1, R2 на базовую цепь транзистора по постоянному току.
R1 LК C3
VT1
Lбл
R2 C2 R3 C1
Рис. 17. Вариант схемы кварцевого автогенератора.
1) Задаемся мощностью, генерируемой транзистором (рекомендации см. выше).
2) Выбираем по справочнику транзистор по мощности и частоте (рекомендации см. выше). Выписываем из справочника параметры транзистора.
3) Задаем параметры режима работы транзистора:
IK0=(3…10) мА.
ЕKЭ=(3…10) В.
ЕЭ=(2…3) В.
4) Вычисляем напряжение источника питания:
ЕK=ЕKЭ+ЕЭ
5) Вычисляем сопротивление эмиттерного автосмещения:
R3=ЕЭ/IЭ0
6) Определяем ток базы:
Iб0=IK0/b0
7) Задаем ток делителя напряжения внешнего смещения базы:
Iдел=(10 … 20)Iб0
8) Вычисляем результирующее сопротивление делителя напряжения внешнего смещения базы:
Rдел=ЕК/Iдел
9) Вычисляем напряжение на базе транзистора:
Еб=ЕЭ+Е1б
где Е1б - падение напряжения на прямосмещенном базовом переходе (для германиевых транзисторов около 0,3 В, а для кремниевых около 0,7 В).
10) Вычисляем сопротивления делителя напряжения внешнего смещения базы:
R2=Еб/Iдел
R1=Rдел- R2
11) Задаем коэффициент регенерации автогенератора:
Gр=3…7
12) Вычисляем управляющее сопротивление:
Rупр=Gр/S
13) Задаем коэффициент обратной связи:
К1ос=(С3/С3)Ј1
14) Вычисляем реактивное сопротивление емкости С3:
х3=Ц(Rупр rкв/К1ос)
15) Вычисляем величины конденсаторов С2 и С3:
С3=1/(wквх3)
С2=С3/К1ос
16) Вычисляем величину блокировочного конденсатора С1:
С1=(10 - 20)/(wкв R3)
17) Вычисляем величину блокировочного дросселя L1:
L1=(20 - 30) х3/wкв
Этот дроссель может быть заменен резистором величиной
RL=(20 - 30) х3,,
но при этом необходимо будет увеличить напряжение питание на величину
Е1=IK0 RL
и произвести перерасчет делителя напряжения базовой цепи R1 и R2.
18) Вычисляем величину блокировочного дросселя L2:
L2=(20 … 30) х2/wкв,
где х2 - реактивное сопротивление емкости С2.
Блокировочный дроссель L2 необходим, если не выполняется неравенство:
(20 … 30)х2ЈR1R2/(R1 +R2),
иначе средняя точка соединения резисторов R1 и R2 соединяется с базой транзистора.
19) Для стационарного режима вычисляем коэффициент Берга b1(qк)
b1(qк) =1/Gр
20) По таблицам или графиком для полученного значения b1(qк) находим угол отсечки коллекторного тока qк, а затем по таблицам определяем коэффициенты Берга a0(qк) и a1(qк).
21) Вычисляем размах импульса коллекторного тока:
ImK= IK0/a0(qк)
Проверяем выполнение условия
ImKЈImKдоп
Если неравенство не выполняется, то необходимо увеличить напряжение питание, уменьшить коллекторный ток или выбрать более мощный транзистор и повторить расчеты с самого начала.
22) Вычисляем амплитуду первой гармоники коллекторного тока:
IK1=ImKa1(qк)
23) Вычисляем амплитуду переменного напряжения на базе:
Umб=IK1Rупр
24) Вычисляем модуль коэффициента обратной связи:
|Кос|=х2/Ц(х23 +r2кв)
25) Вычисляем амплитуду напряжения на коллекторе:
UmК=Umб/|Кос|
Проверяем условие работы транзисторного каскада в недонапряженном режиме:
UmК<ЕК.
26) Вычисляем мощность, потребляемую от источника питания коллекторной цепью:
Р0=ЕКЭ IK0
27)Вычисляем мощность, рассеиваемую кварцевым резонатором:
Ркв=0,5 rкв (Umб/х2)2
Проверяем допустимость рассеиваемой кварцем мощности
Ркв<Рквдоп
При невыполнении неравенства необходимо обеспечить меньшую амплитуду колебаний кварцевого резонатора и повторить расчеты.
28)Вычисляем мощность, рассеиваемую транзистором:
РК=Р0 - Ркв
Проверяем выполнение условия
РК<РКдоп
При невыполнении неравенства необходимо изменить режим работы транзистора, либо выбрать более мощный транзистор.
29) Вычисляем допустимое сопротивление нагрузки (входное сопротивление буферного каскада):
Rупрі5U2mК/Ркв
из условия, что нагрузкой потребляется мощность Рн
Рн=0,1Ркв
Для выполнения этого неравенства в некоторых случаях между кварцевым генератором и следующими каскадами иногда ставятся буферные каскады: эмиттерные (истоковые) повторители, имеющие большое входное сопротивление.