Автогенераторы L-C (схема,работа)

Известно много разновидностей схем транзисторных автогенера­торов типа LC, но любая из них должна содержать:

колебательную систему (обычно колебательный контур), в которой возбуждаются

требуемые незатухающие колебания;

источник электрической энергии, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие ко­лебания;

транзистор, с помощью которого ре­гулируется подача энергии от источника в контур;

элемент обратной связи, посредством которого осуществляется подача необходимого возбуждающего переменного напряжения из выходной цепи во входную.

Простейшая схема транзисторного генера­тора типа LC показана на рис. 16.1. Такая схема называется генератором с трансфор­маторной связью и используется обычно в диапазоне высоких частот.

Рис. 16.1. Транзисторный автогенератор с трансформаторной связью.

Элементы R_Б΄, R_Б΄΄,R_Э и С_Э предназначены (так же, как и в усили­телях) для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. С помощью конденсатора С_Б, емкостное со­противление которого на высокой частоте незначительно, заземляется один конец базовой обмотки.

В момент включения источника питания в коллекторной цепи тран­зистора появляется ток I _К заряжающий конденсатор С_Б колебатель­ного контура. Так как к конденсатору подключена катушка L _K, то после заряда конденсатор начинает разряжаться на катушку. В резуль­тате обмена энергией между конденсатором и катушкой в контуре возникают свободные затухающие колебания, частота которых опре­деляется параметрами контура и равна

(16.1)

Переменный (колебательный) ток контура, проходя через катушку L_K, создает вокруг нее переменное магнитное поле. Вследствие этого е катушке обратной связи Ь_Б, включенной в цепь базы транзистора, наводится переменное напряжение той же частоты, с которой проис­ходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока коллектора, в котором появляется переменная составляющая.

Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное транзистором пере­менное напряжение. В свою очередь это приводит к новому нарастанию напряжения на катушке связи L_Б, которое повлечет за собой повое нарастание амплитуды составляющей тока коллектора и т. д.

Разумеется, нарастание коллекторного тока не происходит бес­предельно—оно наблюдается лишь в пределах активного участка выходной характеристики транзистора (на участке насыщения, как известно, ток коллектора практически не меняется). Что же касается амплитуды колебаний в контуре, то ее рост ограничивается сопротив­лением потерь контура, а также затуханием, вносимым в контур за счет протекания тока в базовой обмотке.

Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выполнении двух основных условий, которые получили название условий самовозбуждения.

Первое из этих условий называют условием баланса фаз. Сущность его сводится к тому, что в схеме должна быть установлена именно по­ложительная обратная связь между выходной и входной цепями тран­зистора. Только в этом случае создаются необходимые предпосылки для восполнения потерь энергии в контуре.

Поскольку резонансное сопротивление параллельного контура носит чисто активный характер, то при воздействии на базу сигнала с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекторе бу­дет сдвинуто по фазе на 180° (как для обычного резистивного каска­да усиления). Напряжение, наводимое на базовой катушке за счет тока I _К, протекающего через контурную катушку L_K, равно

(16.2)

где М — коэффициент взаимоиндукции между катушками.

Очевидно, необходимо так выбрать направление намотки катушки, чтобы U _Б=-jω₀ МI _К. Только в этом случае общий фазо­вый сдвиг в цепи усилитель — обратная связь будет равен нулю: j_к+j_b = 0, т. е. в схеме будет установлена положительная обратная связь.

Если же U _Б=+jω₀ МI _К, то обратная связь окажется отрицатель­ной и колебания в контуре прекратятся.

Выполнение условия баланса фаз является необходимым, но не­достаточным для самовозбуждения схемы. Второе условие самовоз­буждения состоит в том, что для существования автоколебательного режима ослабление сигнала, вносимое цепью обратной связи, должно компенсироваться усилителем. Иными словами, глубина положитель­ной обратной связи должна быть такой, чтобы потери энергии в кон­туре восполнялись полностью.

При наличии положительной обратной связи в соответствии с фор­мулой (13.15) коэффициент усиления составляет

где b — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для рассматриваемой схемы коэффициент b показывающий, ка­кая часть переменного напряжения контура подается на базу тран­зистора в установившемся режиме рабо­ты, равен

(16.3)

где I _{К т} — амплитуда тока в контуре ав­тогенератора.

Учитывая, что усилитель с положи­тельной обратной связью переходит в режим генерации при условии bК >> 1, найдем значение коэффициента обратной связи, необходимое для самовозбужде­ния:

(16.4)

Коэффициент усиления схемы на резонансной частоте приближенно можно считать равным

(16.5)

Поэтому

(16.6)

Условие самовозбуждения, выраженное формулой (16.6), получило название условия баланса амплитуд.

Процесс возникновения, нарастания и установления колебатель­ного режима транзисторного автогенератора (при выполнении усло­вий баланса фаз и амплитуд) можно объяснить с помощью так называе­мой колебательной характеристики автогенератора, представляющей собой зависимость U _вых=f(U _вх). На рис. 16.2 изображены амплитудная характеристика собственно усилительного звена и прямая линия, выражающая зависимость коэффициента передачи цепи обратной связи от величины входного напряжения и характеризующая ослабляющее действие цепи об­ратной связи.

Предположим, что на вход транзистора поступает напряжение U _вх1. После усиления в К раз на выходе усилителя появится напряжение U _вых1. Это напряжение, ослабленное в b раз, вызовет появление на входе напряжение U _вх2, которое создаст на выходе новое напряжение, и т. д. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока величина выход­ного сигнала не достигнет своего установившегося значения (точка А), при котором выполняется условие Кb=1.

Из-за нелинейности характеристик транзистора амплитудная ха­рактеристика усилителя также оказывается нелинейной, т. е. с ростом уровня выходного сигнала коэффициент усиления уменьшается. Имен­но поэтому амплитуда колебаний в контуре не может увеличиваться беспредельно и ограничивается на определенном уровне, соответству­ющем установившемуся режиму. Из рис. 16.2 видно, что после вклю­чения источника питания автоколебания возникают и развиваются при воздействии на вход транзистора любого, сколь угодно малого, напряжения, которое всегда имеется вследствие флуктуационных изменений режима работы схемы.

Рис. 16.2. Колебательная характеристика автогенератора.