Проектирование высокочастотного генератора синусоидальных сигналов (стр. 2 из 4)

где

- амплитуда тока в контуре автогенератора.

Учитывая, что усилитель с положительной обратной связью переходит в режим генерации при условии

, получаем значение коэффициента передачи цепи обратной связи, необходимое для самовозбуждения,

. (1.5)

Условие самовозбуждения, выраженное формулой (1.5), называют условием баланса амплитуд.

Выбор энергетического режима генератора. Транзисторный автогенератор типа LC может работать в разных режимах. Для установки соответствующего режима выбирается коэффициент использования коллекторного напряжения

. Этот коэффициент равен отношению амплитуды переменного напряжения на контуре к постоянному напряжению на коллекторе Е_К

. (1.6)

Рисунок 1.2 – Графики зависимости коэффициен-тов разложения импульсов тока

При

устанавливается недонапряженный режим работы автогенератора. При режим работы называют перенапряженным. Обычно используется критический режим работы автогенератора. В этом случае автогенератор отдает требуемую полезную мощность при достаточно высоком КПД. Форма тока в коллекторной цепи автогенератора зависит от режима работы. Если ток проходит на протяжении всего периода напряжение на входе, то колебания его имеют синусоидальную форму и их называют колебаниями первого рода. Этот режим характеризуется малым КПД и поэтому в автогенераторах используется редко. Более выгодным является режим колебаний второго рода с отсечкой коллекторного тока. Угол отсечки коллекторного тока транзистора в критическом режиме составляет .

Известно, что ток, имеющий форму импульсов, можно разложить в ряд Фурье и представить в виде суммы постоянного тока, переменного тока той же частоты, что и частота повторения импульсов, переменного тока удвоенной частоты, а так же переменных токов более высоких частот. Важно отметить, что именно первая гармоника тока

создает на контуре генератора переменное напряжение требуемой частоты, амплитуда которого определяется по формуле

, (1.7)

где - резонансное сопротивление контура автогенератора.

Для токов других частот контур имеет малое сопротивление и токи этих частот проходя через контур, не создавая на нем заметного напряжения. Таким образом, несмотря на то, что ток коллектора по форме отличается от синусоидального, колебательное напряжение на контуре оказывается синусоидальным.

Амплитуду первой гармоники, а также величину постоянной составляющей импульсного тока можно найти с помощью коэффициентов разложения

и , зависящих от угла отсечки рисунок 1.2

Между амплитудным значением первой гармоники тока

, постоянной составляющей тока и максимальным значением импульсного тока существуют соотношения

; (1.8)

(1.9)

Для анализа и расчета транзисторных генераторов допустимо пользоваться идеализированными характеристиками транзисторов рисунок 1.3.

Один из основных параметра, в схеме генератора, является крутизна линии критического режима

рисунок 1.3б. У некоторых типов транзисторов сотен миллиампер на вольт и выше.

Важными параметрами являются также крутизна характеристики тока коллектора

при (1.10)

и напряжение среза

, определяемое для заданного рабочего напряжения на коллекторе рисунок 1.3б.

Главную особенность работы транзистора на высоких частотах составляет влияние времени пробега

носителей тока. Это время невелико и на сравнительно низких частотах им можно пренебречь, но с повышением частоты влияние это значительно увеличивается. Действие времени проявляется, прежде всего в том, что заряды, инжектированные эмиттером в один и тот же момент времени, приходят к коллектору в разное время. Появляется рассеяние носителей тока, которое приводит к уменьшению коэффициента усиления транзистора по току, тем более сильному, чем выше частота генерируемых колебаний. Инерционность носителей тока приводит также к возникновению между первой гармоникой коллекторного тока и коллекторного напряжения на контуре фазового сдвига φ_пр, зависящего от времени движения носителей тока

Существенное влияние на работу транзисторного генератора в области высоких частот оказывают емкости эмитерного и коллекторного p – n переходов транзистора. С повышением частоты для поддержания на требуемом уровне коллекторного тока и полезной мощности на выходе генератора необходимо увеличить амплитуду напряжения возбуждения на участке база – эмиттер.

3 Электрический расчет схемы

Порядок расчета LC-генератора на транзисторе. Основными техническими данными для расчета транзисторного LC-генератора являются: выходная мощность, отдаваемая автогенератором в нагрузку, Р_вых и частота генерируемых колебаний f_р. Порядок расчета транзисторного генератора рассмотрим применительно к схеме, приведенной на рис. 9.2,а.

1.Выбираем тип транзистора. При заданном значении Р_вых мощность Р_к, которую должен отдать транзистор в контур, составляет

Р_К =Р_вых/η_к, (1.11)

Вт

Где η_к, - КПД контура.

При повышенных требованиях к стабильности частоты автогенератора КПД контура η_к выбирают в пределах 0,1…1,2. В остальных случаях его можно увеличить до 0,5…0,8.

Выбирая транзистор, необходимо исходить из условий

Р_{К max}>P_K, (1.12)

f_max≥f_p, (1.13)

где Р_{К max} –максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора выбранного транзистора; f_max–максимальная частота генерации биполярного транзистора; выбранного типа. Параметры Р_{К max}= 0,4Вт.иf_max = 200 МГц.высокочастотных транзисторов приведены в справочнике по полупроводниковым приборам (взяли транзистор КТ 668В, или его аналог BС393)

2. Рассчитываем энергетический режим работы генератора. Выбираем импульс коллекторного тока косинусоидальной формы. Считая, что в критическом режиме угол отсечки тока коллектора θ=90^° ,по графикам рис.1.2 находим коэффициенты разложения импульса коллекторного тока α₁=0,5; α₀=0,318.

Находим усредненное время движения τ_п носителей тока между p-n переходами транзистора по формуле

τ_п≈1/2πf_max(1.14)

c

Вычисляем угол пробега носителей тока

φ_пр=2πf_рτ_п (1.15)

Вычисленное по формуле (1.15) значение φ_пр выражаем в градусах. При этом учитываем, что при φ_пр=2π угол φ_пр=360^°. Находим угол отсечки тока эмиттера

θ_э=θ-φ^°_пр (1.16)

;

По графикам рис. 1.2 определяем коэффициенты разложения импульса эмитерного тока α_1(Э) и α_0(Э)

Напряжение питания можно определить по формуле (1.17) при этом U_k берем в пределах 0,8…1,2 В:

(1.17)

;

Коэффициент использования коллекторного напряжения выбираем из соотношения:

ξ=1-2Р_к/Е_к²S_крα₁ (1.18)