Генератор электрических колебаний высокой частоты (стр. 2 из 4)

· Сдвиг фаз на угол ψ₁=π, создаваемый усилительным элементом (например, транзистор при его включении по схеме с общим эмиттером), между его входным U_mвх и выходным U_mвых напряжениями.

· Сдвиг фаз на угол ψ_о.с. возникающий в цепи обратной связи между её входным U_mвх и выходным U_mвых напряжениями.

· Сдвиг фаз на угол ψ₂ между напряжениями на входе усилительного элемента U_mвх и первой гармоникой его выходного тока I_m1. Этот сдвиг возникает на очень высоких частотах и при правильном выборе лампы или транзистора угол ψ₂≈0⁰.

· Сдвиг фаз на угол ψ₃ между напряжением U_mвых и током I_m1. Если колебательный контур точно настроен на частоту первой гармоники выходного тока, угол ψ₃≈0⁰.

Таким образом, условие (4) можно переписать в следующем виде:

ψ₁+ ψ₂+ ψ₃+ ψ_о.с= 180⁰+0⁰+ ψ_о.с= 0; 360^0;720⁰,… или ψ_о.с =±180⁰ (6)

Соотношение означает, что для выполнения условия баланса фаз цепь обратной связи должна изменять фазу подводимого к ней переменного напряжения U_mвых и 180⁰. В большинстве автогенераторов существует лишь одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, т.е. на которой возможно генерирование колебаний. Следовательно, условие (4) определяет частоту автоколебаний ω_авт.

2.2 Режимы самовозбуждения автогенератора

В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительного элемента, и от коэффициента К_ос возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.

1.Режим мягкого самовозбуждения.

В данном режиме рабочую точку А выбирают на линейном участке вольт-амперной характеристики усилительного элемента, что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока i_вых (рис. №2).

Рис. № 2. Диаграмма, мягкого режима самовозбуждения.

В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения U_вх, всегда имеющихся в реальных условиях из-за флуктуаций носителей заряда.

Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки вольт-амперной характеристики со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S_ср и коэффициента передачи К_ос цепи обратной связи.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи К уменьшится до единице. В результате в автогенераторе установиться стационарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных колебаний, причем угол отсечки выходного тока 0>90⁰. Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы.

Если бы усилительный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.

Из-за нелинейности воль-амперной характеристики форма выходного тока i_вых усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при достаточно большой добротности (50…200) колебательной системы первая гармоника этого тока и, следовательно, напряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармонические колебания.

2. Режим жесткого самовозбуждения.

При этом режиме напряжение смещения U₀ задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначительный колебания, возникшие в контуре, не могут вызвать ток выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возникают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникновения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрирует с помощью рис.№3.

Рис.№ 3. Диаграмма жесткого самовозбуждения

Из рассмотрения этого рисунка видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая1) ток i_вых=0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напряжения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В стационарном режиме усилительный элемент работает у углами отсечки выходного тока 0<90⁰.

Для удобства эксплуатации автогенератора целесообразнее применить мягкий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника питания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки 0<90⁰ обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного тока усилительного элемента.

Автоматическое смещение. Его применение обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующими автоматическим переходом в режим жесткого самовозбуждения. Этого достигают применением в автогенераторе специальной цепи автоматического смещения.

На рис.№ 4а изображена упрощенная принципиальная схема автогенератора на биполярном транзисторе VT, нагрузкой которого служит колебательный контур L2C2. Напряжение положительной обратной связи создается на катушке L1 и подводится между базой и эмиттером транзистора. Начальное напряжение6 смещения на базе транзистора создается источником включена цепь авто-смещения R1C1.

Процесс возникновения и нарастания колебаний иллюстрируется с помощью рис.№ 4б. 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 увеличивается ток базы, постоянная составляющая которого создает падение напряжения U_см на резисторе R1 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор C1). Так как напряжение U_см приложено между базой и эмиттером в отрицательной полярности, результирующее постоянное напряжение на базе U₀- U_см 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 i_к и базы i_б имеют видпоследовательности импульсов, а напряжение на выходе U_вых, создаваемое первой гармоникой коллекторного тока, представляет собой синусоидальное колебание с неизменной амплитудой.

Таким образом, цепь автоматического смещения R1C1в 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.

3. Основные схемы LC- автогенераторов

3.1 Одноконтурные схемы автогенераторов на транзисторах

Маломощные автогенераторы, используемые в современной аппаратуре передачи сигналов электросвязи, выполняют обычно на транзисторах, имеющих по сравнению с электронными лампами большую экономичность, долговечность, надежность и компактность.

1. Автогенератор с трансформаторной обратной связью.

Принципиальная схема генератора показана на рис № 4а.

Рис. №4 а,б. Генератор с цепью автосмещения: а-схема; б- диаграммы, поясняющие регулирующие действие цепи автосмещения

Включение источника коллекторного напряжения Е_к сопровождается первоначальным зарядом конденсатора контура С₂ и последующим его разрядом через катушку L₂. Так как катушки L₂ иL₁ представляют собой трансформатор высокой частоты, возникающий даже самый слабый ток в контуре наводит в катушке связи L₁ переменную ЭДС взаимоиндукции. Эта ЭДС создает переменное возбуждающее напряжение между базой и эмиттером транзистора, которое управляет коллекторным током в такт с колебаниями, возникшими в контуре. Благодаря усилительным свойствам транзистора возникшие колебания нарастают и неустойчивый процесс первоначальной генерации переходит в стационарный, при котором амплитуды колебательных токов и напряжений, а также их частота устанавливаются неизменными.

Периодически меняющийся коллекторный ток может иметь различную форму в зависимости от угла отсечки 0. Однако первая гармоника этого тока всегда совпадает по фазе с напряжением возбуждения и напряжением на контуре. В режимах с отсечкой из-за частотной избирательности контура действие высших гармоник импульса коллекторного тока проявляется слабо и основным током, питающим колебательный контур, является ток первой гармоники. Таким образом, при наличии в контуре гармонических колебаний в коллекторной цепи автогенератора создается периодически меняющийся ток, способный поддержать эти колебания и сделать их незатухающими. Для получения незатухающих колебаний требуется, чтобы энергия, расходуемая коллекторным источником Е_к, полностью компенсировала потери в контуре, включая и энергию, отдаваемую автогенератором во внешнюю цепь- нагрузку.

Основные количественные соотношения в схеме автогенератора с трансформаторной обратной связью: амплитуда выходного напряжения