УГФС 12 Кварцевые автогенераторы

Включение кварцевого резонатора в схему автогенератора повышает стабильность генерируемой частоты при воздействии дестабилизирующих факторов. По этой причине в современных передатчиках в качестве опорных генераторов используют кварцевые автогенераторы. Усилительным элементом в современных кварцевых автогенераторах обычно является транзистор, что обусловлено его малыми габаритными размерами и массой, небольшой потребляемой мощностью, высокой надежностью и мгновенной готовностью к работе.

Схемы кварцевых автогенераторов классифицируют в зависимости от рабочей частоты (w_К, w₀, w_К…w₀), места включения в схему и характера сопротивления (индуктивное, минимальное и активное) кварцевого резонатора. По характеру сопротивления резонатора схемы кварцевых автогенераторов подразделяют на две группы. К первой группе относят схемы, в которых резонатор выполняет функцию одного из индуктивных сопротивлений трехточечной схемы.

Ко второй — схемы, в которых резонатор включен последовательно в цепь ОС. При этом генератор легче всего возбуждается на частоте, на которой резонатор имеет минимальное активное сопротивление, что соответствует наиболее глубокой ОС. Практикуется включение в колебательный контур генератора резонатора, работающего на частоте последовательного резонанса.

При построении генераторов первой группы (осцилляторных: генераторов) используют индуктивный характер сопротивления резонатора в диапазоне частот w_К…w₀ (рис. 5.4), т. е. то, что резонатор эквивалентен катушке с высокой добротностью. Следовательно, езонатором может быть замещена одна из индуктивностей трехточечной схемы автогенератора (см. рис. 4.8,а,б).

Резонатор можно включать между базой и коллектором транзисторов в автогенераторе, собранном по схеме емкостной трехточки, также между базой и эмиттером, коллектором и эмиттером в автогенераторе, собранном по схеме индуктивной трехточки. Практическое применение нашли генераторы по схеме емкостной трехточки. В таких генераторах реализуется максимальная стабильность частоты, схема генератора более проста в регулировке, надежнее по сравнению с индуктивными трехточками. Принципиальная схема такого генератора по высокой частоте (без yчета цепей питания) показана на рис. 5.5,а.

Отметим два момента, характерных для работы автогенератора по схеме рис. 5.5,а. Во-первых, неисправность или шунтирование резонатора, а также обрыв в его цепи приводят к срыву генерируемых колебаний, что само по себе полезно, поскольку исключается работа генератора без кварцевого резонатора. Во-вторых, на резонаторе создается достаточно большое РЧ напряжение, вызывающее его нагрев, что снижает стабильность генерируемых колебаний. По этой причине кварцевые автогенераторы выполняют по возможности маломощными.

Одна из возможных практических схем транзисторного кварцевого автогенератора, собранного по схеме емкостной трехточки показана на рис. 5.5,б. Кварцевый генератор возбуждается на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса w_К. Для эрекции частоты предусмотрена катушка L, включаемая последовательно с резонатором. Рабочая точка транзистора определяется сопротивлениями R1, R2 и R3. Конденсаторы C1 и С2 совместно с резонатором Кр и катушкой L образуют схему емкостной трехточки (рис. 5.5,а). Конденсаторы С3 и С5 — разделительные.

При работе на частотах выше 15... 20 МГц резонатор имеет толщину 0,1... 0,2 мм, что трудно реализуемо и ограничивает максимально возможную частоту. На более высоких частотах резонаторы могут работать на гармониках механических колебаний кварцевой пластины. Известно, что кварцевая пластина при колебаниях по толщине может совершать колебания на гармониках механических колебаний. При этом можно

получить во много раз более высокую генерируемую частоту.

Рис. 5.6

Рис. 5.7

Схема автогенератора (рис. 5.6), работающего на заданной механической гармонике кварцевой пластины, аналогична схеме генератора на рис. 5.5,б; отличие — включение в цепь между коллектором и эмиттером транзистора колебательного контура, собственная частота которого несколько ниже рабочей частоты резонатора. Для основной частоты и гармоник, более низких, чем заданная, контур L1 С2 представляет собой индуктивное coпротивление. При этом условия самовозбуждения не выполняются и колебаний в системе не возникает. Для заданной частоты гармоники контур представляет собой емкостное сопротивление; тогда схема генератора — емкостная трехточка. Для более высоких гармоник условия самовозбуждения, как правило, не выполняются. При работе резонатора на гармониках механических колебаний емкость С_к эквивалентного последовательного контура становится небольшой, при этом начинает сказываться шунтирующее действие емкости между выводами резонатора Со. Поэтому для получения стабильных колебаний на очень высоких частотах необходимо устранить влияние большой емкости Со. Для этих целей в автогенераторах предусматривают цепь нейтрализации емкости Со, которая создает в схеме ток, равный по величине и противоположный по знаку току через Со. Этого можно достигнуть, например, включением параллельно кварцевому резонатору индуктивной катушки.

В схемах второй группы кварцевый резонатор включают последовательно в цепь ОС. Автогенераторы самовозбуждаются на частотах, близких к частоте w_К, на которой полное сопротивление кварцевого резонатора минимально. Характерным для рассматриваемых автогенераторов является то, что короткое замыкание резонатора не приводит к срыву генерируемых колебаний; автогенераторы продолжают работать в автоколебательном режиме на частоте резонансной системы.

Такие генераторы менее критичны к значению динамического сопротивления резонатора, они обеспечивают больший ypoвень генерируемых колебаний при той же мощности, рассеиваемой на резонаторе. Однако стабильность генерируемой ими частоты ниже стабильности генераторов, выполненных по емкостной трехточке, что ограничивает их практическое применение. Указанные автогенераторы называют фильтровыми. Существует две разновидное таких автогенераторов. К первой относятся автогенераторы, резонаторы которых (в практически применяемых схемах) включают в цепь, соединяющую базу или эмиттер транзистора с коллекторной системой; ко второй — автогенераторы, выполненные как многокаскадные усилители, охваченные положительной ОС, в цепь которой включают резонатор.

Автогенераторы с резонатором в базовой или эмиттерной цепи транзистора можно реализовать по схеме емкостной либо индуктивной трехточки. Наибольшую стабильность генерируемой частоты имеет схема емкостной трехточки. Варианты включения кварцевого резонатора в схему емкостной трехточки показаны на рис. 5.7. Автогенераторы с резонатором в цепи ОС могут работать и на гармониках механических колебаний кварцевой пластины. /

Рис. 5.9

Существуют схемы, в которых кварцевый резонатор и нейтродинная емкость подключаются к индуктивной катушке коллекторного контура. Уменьшить влияние емкости С_о можно применением в схеме автогенератора цепи компенсации (например, с помощью индуктивности L = 1/(w²С₀), включаемой параллельно кварцевому резонатору).

Примером автогенератора, построенного по схеме многокаскадного усилителя с резонатором в цепи ОС, может служить схема Батлера (рис. 5.9). Первый каскад собран на транзисторе Т1, включенном по схеме ОБ, а второй — на транзисторе Т2, включенном по схеме ОК. Контур L1 C3 настроен на рабочую частоту, равную основной частоте кварцевой пластины, или ее гармонике. Наличие эмиттерного повторителя (ЭП) позволяет обеспечить лучшее согласование активного сопротивления резонатора с выходным сопротивлением ЭП и входным сопротивлением каскада на транзисторе Т1. Включение катушки L2 компенсирует емкость С0.

Выходной контур L1C3 может быть включен не только в коллекторную цепь транзистора Т1 но и в коллекторную цепь транзистора ЭП. При этом, применяя одновременно и резонансный контур в коллекторной цепи транзистора Т1, можно получить умножение частоты. В автогенераторах, собранных по схеме Батлера, достигнуты колебания частотой до 100 МГц и стабильностью 10^-7... 10^-8. Схема Батлера может быть реализована и на одном транзисторе, при этом кварцевый резонатор включается между контуром L1C3 и эмиттером транзистора.

УГФС 13 СМХ при АМ

Для неискаженной передачи информации необходимо, чтобы форма огибающей AM колебаний воспроизводила форму модулирующего сигнала. Для этого возникающие линейные и нелинейные искажения, а также шум не должны превышать допустимых значений. Для оценки качества воспроизведения модулирующего сигнала удобно пользоваться статическими модуляционными характеристиками (СМХ).

Название «статическая модуляционная характеристика» показывает, что при ее снятии процесс модуляции отсутствует. Она представляет собой зависимость первой гармоники анодного или антенного тока от модулирующего фактора (напряжения). По СМХ можно определить нелинейные искажения, возникающие при модуляции, если характер процессов квазистационарный. В качестве, примера на рисунке приведены СМХ, соответствующие модуляции смещением и на анод. При модуляции смещением СМХ имеет заметный нижний изгиб, что заставляет во избежание искажений ограничивать глубину модуляции(mмакс<1). Поэтому здесь в минимальном режиме не доходят до нулевой точки При анодной же модуляции (комбинированной) основная СМХ оказывается практически линейной и допускается mмакс=1

При модуляции мгновенная рабочая точка перемещается по соответствующим СМХ. На рисeyrt для примера слева показаны линейные СМХ для модуляции возбуждением.

Рисунок - Статические модуляционные характеристики (СМХ):

а) при модуляции смещением; б) при анодной модуляции

Справа на следующем рисунке показаны эпюры токов I_а1, I_а0 (Qt).

При линейной СМХ эти эпюры повторяют кривую модулирующего сигнала, в данном случае Ug(Qt). При этом, как видно из рисунка,

I_a1=I_a1ср +I_a1Q cosQt = I_a1т(1+m₁cosQt)

I_a0=I_a0ср +I_a0Q cosQt = I_a0т(1+m₀cosQt)

Здесь учтено то обстоятельство, что обе характеристики линейны и исходят из одной точки (в данном случае из начала координат)

поэтому их средние значения равны значениям в телефонной точке: I_alcp = I_a1т и

I_a0cp = I_a0т, а коэффициенты модуляции равны m₁=m₀=m.

Кривая I_ао(Qt) показывает изменение в процессе модуляции постоянной составляющей анодного тока. Этот ток имеет два слагаемых: среднее значение за период модуляции I_а0ср и переменную составляющую модулирующей частоты I_{а0 Q} cos Qt.

Следует подчеркнуть, что мощность, отдаваемая анодным выпрямителем

непосредственно вч каскаду при модуляции, определяется лишь первым слагаемым.