Транзисторные автогенераторы (АГ) находят широкое применение в радиотехнике, прежде всего, они используются для генерации ВЧ колебаний в возбудителях передатчиков и синтезаторах частот радиоприемников.
Одним из основных требований, предъявляемых к АГ, является обеспечение высокой стабильности частоты генерируемых колебаний, определяющей качественные характеристики и надежность систем связи, радиовещания и телевидения.
Стабильность частоты автогенератораопределяет стабильность частоты колебаний, излучаемых радиопередающим устройством. Частота автоколебаний зависит от температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения питания автогенератора и других причин. Если стабильность частоты автогенератора недостаточна, то в последующих каскадах этот недостаток устранить невозможно. Заданная стабильность частоты – это основное требование к автогенератору .
После подачи питающих напряжений при выполнении некоторых условий автогенератор самовозбуждается. С течением времени амплитуда автоколебаний достигает некоторого значения, которое в дальнейшем не меняется. Этот режим называется стационарным (или установившимся).
Большую часть схем автогенераторов можно свести к схеме обобщенной трехточки(рис. 8, а, б), состоящей из пассивного трехполюсника (сопротивленияZ1, Z2, Z3) и активного трехполюсника (транзистор или электронная лампа). СопротивленияZ1, Z2 и Z3 образуют параллельный колебательный контур, резонансная частота которого определяет частоту автоколебаний.
Рис. 8 – Обобщенная схема автогенератора в виде трехточки
В стационарном режиме комплексные амплитуды токов первой гармоники и напряжений, действующих между электродами автогенератора, связаны следующими соотношениями:
(18)
где ZК – сопротивление коллекторной нагрузки автогенератора:
. (19)
Часть напряжения UК через делитель, состоящий из Z2 и Z3, подается в базовую цепь:
(20)
где k - коэффициент обратной связи автогенератора
(21)
Ток первой гармоники в коллекторной цепи с напряжением UБ связан соотношением:
. (22)
После подстановки уравнения (22) в (18) получим
. (23)
Поделив правую и левую части последнего уравнения на UК, получаем уравнение стационарного режима автогенератора в комплексной форме:
(24)
где S1 – крутизна транзистора по первой гармонике –S1 = γ1(θ)S. Представим сомножители этого уравнения в показательной форме:
(25)
где S1, |ZК|, k – модули крутизны по первой гармонике, сопротивления коллекторной нагрузки и коэффициента обратной связи.
Подставив выражения (25) в уравнение (24) получим:
(26)
Последнее уравнение распадается на два:
- уравнение баланса амплитуд: , (27)
- уравнениебаланса фаз: . (28)
где ϕS– фазовый сдвиг между первыми гармониками тока коллектора IК1 и напряжения на базе UБ, ϕН – фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения на коллекторе UК и тока коллектора IК1, т.е. фазовый угол нагрузки, ϕК – фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения на базе UБ и напряжения на коллекторе UК (фазовый сдвиг в цепи обратной связи), n = 0, 1, 2....
В автогенераторах, которые здесь рассматриваются, модуль всех фазовых углов менее 90о, поэтому n = 0 и уравнение (28) можно переписать иначе:
(29)
Уравнение (27) позволяет рассчитать энергетические характеристики автогенератора в стационарном режиме. Зная крутизну S транзистора, сопротивление контура |ZК| и коэффициент k обратной связи, можно определить амплитуды напряжений UК1, UБ1 и угол отсечки θ
(30)
Фазовые углы, входящие в уравнение баланса фаз, не равны нулю из-за инерционности транзисторов и наличия активных потерь в цепях обратной связи. Сдвиг по фазе между коллекторным током первой гармоники и напряжением на нагрузке свидетельствует о том, что частота автоколебаний не равна резонансной частоте контура автогенератора.
Уравнение (29) определяет расстройку (рис. 9) между частотой генерации и резонансной частотой контура автогенератора, а также приращение частоты автогенератора при изменении фазовых углов ϕS и ϕК.
На рис. 9 построены две фазо-частотные характеристики контура, соответствующие добротностям Q1 и Q2 (Q2>Q1). Большей добротности соответствует меньшее приращение частоты автогенератора при одинаковом значении (ϕS+ ϕК).
Рис. 9 – Фазо-частотные характеристики контура
Сопротивления Z1, Z2, Z3 - это элементы добротного колебательного контура автогенератора, следовательно, активные потери в них малы. На этом основании, пренебрегая малыми активными сопротивлениями, можно записать коэффициент обратной связи в виде соотношений реактивных сопротивлений:
(31)
Коэффициент обратной связи в автогенераторах с высокодобротными контурами можно считать вещественным.
Условимся использовать в автогенераторе высокочастотные транзисторы, которые на рабочей частоте можно полагать безынерционными приборами. В этом случае фазовый угол крутизны φSможно принять равным нулю.
Тогда из уравнения баланса фаз (20) следует, что и фазовый угол φН = 0, то есть нагрузка автогенератора имеет активный характер. Нагрузка автогенератора активна, если
x 1 +x2 +x3 = 0 или x 2 +x3 = –x1. (32)
Подставляя это выражение (31) получим
k = x 2 / x 1. (33)
Сопротивление коллекторной нагрузки при выше названных условиях равно
R К =x12/r, (34)
где r =r1 +r2 +r3 – сопротивление потерь контура автогенератора.
Коэффициент обратной связи kв автогенераторах – величина положительная, поэтому из уравнения (33) следует, что сопротивления x 1 и x 2 должны быть одного знака. В свою очередь уравнение (32) позволяет сделать вывод, что сопротивление х 3 должно иметь противоположный характер. Реактивные сопротивления в автогенераторах относительно активного прибора должны включаться только так, как показано на рис. 10. Схемы, изображенные на рис. 10, получили наименование индуктивной «а» и емкостной трехточки «б».
Рис. 10 – Схемы автогенераторов в виде трехточек
Реактивные элементы схем составляют параллельный колебательный контур, резонансная частота которого определяет частоту автоколебаний.
На основе общих схем автогенераторов (рис. 10) можно составить различные практические схемы.
Рассмотрим практическую схему автогенераторов (рис. 11) и определим их основные параметры.
Рис. 11 – Схема емкостной трехточки с заземлением коллектора
На рис. 11 изображена схема автогенератора – «емкостная трехточка с заземленным коллектором». Цепь обратной связи образуют конденсаторы С1 и С2, а роль индуктивности выполняют последовательно включенные L3 и С3. На частоте генерации эта цепь имеет индуктивное сопротивление при любых значениях L3 и С3. Емкость конденсатора С3 выбирается на порядок меньше емкости конденсаторов С1 и С2 с тем, чтобы уменьшить связь транзистора с колебательным контуром. При этом уменьшается влияние нестабильных межэлектродных емкостей транзистора на резонансную частоту контура и, как следствие, на частоту генерации. Кроме этого, появляется возможность использовать контура с высоким характеристическим сопротивлением ρ.
Резисторы R1 и R2 образуют делитель, с выхода которого подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор. Резистор RЭ выполняет роль блокировочного элемента, устраняющего короткое замыкание эмиттера по высокой частоте. Вместо этого резистора можно использовать блокировочную индуктивность. Ее сопротивление на частоте генерации должно быть много больше сопротивления конденсатора С1.
Частота автоколебаний в этом автогенераторе:
где СОБЩ – емкость трех последовательно соединенных конденсаторов С1, С2 и С3.
Коэффициент обратной связи
Сопротивление коллекторной нагрузки
где p – коэффициент включения контура в коллекторную цепь: p = C ОБЩ С1; ρ– характеристическое сопротивление контура: ρ = ω Г L 3; Q– добротность контура.
Подробный порядок расчета автогенератора в виде емкостной трехточки по схеме Клаппа приведен в практической части работы.
Содержание практической работы в ходе занятия
Описание лабораторного оборудования:
Электронные лаборатории на IBM PC, оснащенные программами:
- Electronics Workbench 5.12 для моделирования электрических схем;
- Mathcad Professional 15.0 для автоматизации математических расчетов/
Требования безопасности при выполнении работы:
1) К проведению лабораторных работ допускаются студенты, прошедшие требуемые инструктажи по охране труда.
2) Включение лабораторных установок (компьютеров) осуществляется только с разрешения преподавателя.
3) При проведении лабораторной работы не допускается использование приборов, оборудования, не предусмотренного планом проведения занятия.
4) Не разрешается при включенном оборудовании переключать кабели питания, соединительные кабели блоков и компонентов лабораторных установок (компьютеров).
5) При возникновении аварийных ситуаций необходимо немедленно отключить оборудование от питающей сети, сообщить об этом преподавателю и действовать по его указанию.
6) При возгорании оборудования его необходимо немедленно обесточить, сообщить об этом преподавателю, принять меры по устранению возгорания и действовать по указанию преподавателя.
7) По окончанию работы с лабораторным оборудованием (компьютерами) его необходимо выключить установленным порядком.
Исходные данные для моделирования и исследования
Таблица 3 –Варианты заданий для моделирования и исследований автогенератора
Вариант
Обозначение
Тип проводимости
Основные параметры
Предельные параметры
ft,
МГц
Sгр
А/В
bо
E б0,
В
Ск, пФ
rб,
Ом
Uk.доп
В
Uэ-б.доп
В
iк.доп, А
Pк.доп Вт
1
ГТ311
n- p- n
300...800
0.05
50
0.25
3.0
60
12
2.0
0.05
0.15
2, 3
ГТ313
p - n - p
450... 1000
0.05
50
0.25
3.75
60
12
0.5
0.03
0.09
4
ГТЗЗО
n-p-n
1000...1500
0.06
75
0.25
2.0
30
13
1.5
0.02
0.05
5
КТ306
n-p-n
500...650
0.03
50
0.6
3.0
300
15
4.0
0.03
0.2
6
КТ316
n-p-n
600... 800
0.03
40
0.6
4.5
100
10
4.0
0.06
0.25
7
КТ324
n-p-n
600... 800
0.03
40
0.6
3.75
100
10
4.0
0.02
0.025
8
КТ326
n-p-n
450... 900
0.03
60
0.6
4.0
80
15
4.0
0.05
0.25
9, 10
КТ337
p-n-p
500... 600
0.05
50
0.6
6.0
60
6
4.0
0.03
0.15
Таблица 4 –Варианты заданий для моделирования и исследований автогенератора
Вариант
f, МГц
Qxx
r, Ом
hk
Un, В
Rn, Ом
Cn, пФ
1
10
200
150
0,2
1,0
500
10
2
20
190
155
0,25
1,2
1000
5
3
40
180
160
0,2
1,1
1500
15
4
10
170
165
0,25
1,3
1200
20
5
20
160
170
0,2
1,4
800
15
6
40
150
145
0,25
1,5
600
10
7
20
160
140
0,3
1,6
700
5
8
80
170
135
0,3
1,7
900
10
9
50
180
130
0,25
1,8
1100
15
10
60
220
150
0,3
2,0
1300
20
Задание для работы по второму учебному вопросу
2.1) Произвести в программе Mathcad Professional расчет транзисторного автогенератора в виде емкостной трехточки по схеме Клаппа.
2.2) Смоделировать в программе EWB и провести исследование транзисторного автогенератора в виде емкостной трехточки по схеме Клаппа.
Порядок выполнения работы
Задание 2.1.Произвести в программе Mathcad Professional расчет транзисторного автогенератора в виде емкостной трехточки по схеме Клаппа.
Запустить программный макет Mathcad Professional и последовательно занести необходимые для расчета формулы.
Порядок расчета:
1) Индивидуальными исходными данными для расчета автогенератора являются заданные по указанному преподавателем варианту следующие параметры:
- тип транзистора, его основные и предельные параметры (таблица 3);
- требуемая частота генератора f,
- параметры колебательной системы – добротность контура на холостом ходу Qx, его характеристическое сопротивление r и КПД h к,
- требуемая амплитуда напряжения в нагрузке Un,
- сопротивление нагрузки Rn и емкость нагрузки Cn (таблица 4).
2) Общими исходными данными являются следующие параметры:
- угол отсечки q = 90о,
- коэффициенты a 0 = 0,32 и a 1 = 0,5, для определения амплитуд постоянной составляющей тока и первой гармоники;
- определить активную мощность P1n сигнала в нагрузке:
;
- рассчитать активную мощность P1 , отдаваемую транзистором, с учетом КПД контура:
.
- определить амплитуду импульса коллекторного тока ;
- вычислить крутизну Sо и граничную частоту fs транзистора и фазовый угол крутизны js по формулам:
, , ;
- рассчитать постоянную составляющую Iк0, первую гармонику Iк1 коллекторного тока и амплитуду коллекторного напряжения:
, и ;
- определить амплитуду напряжения на коллекторе ;
- рассчитать напряжение коллекторного питания Eк , для этого сначала определим остаточное напряжение на коллекторе Uогр в граничном режиме и соответствующий коэффициент ξгр:
, , , ;
- вычислить эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки
;
- определить мощности, подводимую Pо и рассеиваемую на коллекторе Pк, а также КПД по коллекторной цепи АГ соответственно , и ;
- рассчитать амплитуду напряжения возбуждения на базе
;
- вычислить напряжение смещения на базе ;
- определить коэффициент обратной связи ;
- рассчитать сопротивление в цепи эмиттера , выбрав значение числителя, равное 85;
- определить напряжение источника коллекторного питания, округлив рассчитанное значение .
4) Расчет колебательной системы автогенератора:
- определить добротность контура Qn при подключенной нагрузке ;
- вычислить эквивалентное активное сопротивление контура в точках подключения коллекторной цепи ;
- определить полную емкость Ск и индуктивность катушки Lк колебательного контура:
, ;
- рассчитать коэффициент включения контура в коллекторную цепь
;
- вычислить емкости контурных конденсаторов
, , .
5) Расчет элементов цепей питания транзистора:
- определить сопротивление делителя Rd смещения в цепи базы из следующего условия , где , выбрав Rd ближе к верхнему пределу для повышения КПД, например, если 50X2 = 50 Ом, а 6Re = 2,3 кОм, то выбираем Rd = 2 кОм;
- вычислить сопротивления
и ;
- определить емкость конденсатора Cэ в цепи эмиттера из следующего условия , где , например, если , то выбираем Cэ = 10 нФ ;
- рассчитать индуктивность блокировочного дросселя в цепи коллектора , при этом следует иметь ввиду, что для устранения возможных паразитных колебаний на частоте, ниже заданной за счет образования колебательного контура из Сbl и Lbl, необходимо снизить добротность дросселя Lbl, включив последовательно с ним дополнительный резистор Rbl =100 Ом.
6) Занести в отчет по лабораторной работе листинг программы в Mathcad Professional с вычисленными результатами расчетов.
Задание 2.2. Смоделировать в программе EWB и провести исследование транзисторного автогенератора в виде емкостной трехточки по схеме Клаппа.
А) Порядок моделирования:
1) Собрать в программе EWB электрическую принципиальную схему транзисторного автогенератора в виде емкостной трехточки по схеме Клаппа (см. рис. 12).
2) Ввести в схему значения заданных и рассчитанных в предыдущем задании параметров элементов.
3) Для согласования колебательного контура с нагрузкой установить емкости конденсаторов С1-1=С1-2=2С1.
4) Включить симулятор EWB, проверить, а при необходимости отладить до работоспособного состояния собранную электрическую принципиальную схему автогенератора.
5) Занести в отчет осциллограммы электрических колебаний, созданных АГ. Если схема собранна и рассчитана правильно, то полученные колебания в контуре и в нагрузке должны быть синфазными, и отличатся по амплитуде примерно в 2 раза.
6) Измерить с помощью амперметра М5 величину постоянного тока источника питания, рассчитать мощность, подводимую к транзистору:
.
Рис. 12 – Принципиальная схема транзисторного автогенератора в виде емкостной трехточки по схеме Клаппа
7) Измерить с помощью амперметра М3 и вольтметра М4 в режиме переменного тока соответственно величины первой гармоники тока и напряжения в нагрузке, рассчитать колебательную мощность отдаваемую транзистором в нагрузку:
.
8) Рассчитать КПД генератора в режиме автогенерации: .
9) Измерить и определить с помощью осциллографа и Фурье анализатора частоту сгенерированных автоколебаний fизм и ее погрешность относительно заданной частоты f. Для этого выполнить следующие операции:
- измерить по осциллографу период колебаний, затем вычислить частоту;
- запустив Фурье анализатор, установить в диалоговом окне узел, в котором необходимо получить спектр, основную частоту в 400 раз меньшую, чем заданная частота колебаний f, количество гармоник – 800, и, наконец, с помощью курсоров измерить частоту;
- определить для обоих вариантов измерений абсолютную и относительную погрешности:
и ;
- занести в отчет по лабораторной работе осциллограмму и спектр автоколебаний вместе с определенными частотами и погрешностями измерений.
10) Сделать вывод по результатам проведенного моделирования.
Б) Порядок исследования:
1) Провести исследование автогенератора в переходном режиме.
Для этого выполнить следующие операции:
- запустить симулятор EWB, после завершения переходного режима и установления стационарного (установившегося) режима остановить симулятор;
- установить (свернуть или сжать) горизонтальную развертку осциллографа (Time base) так, чтобы на экране осциллографа наблюдался весь переходной процесс: от исходного установившегося режима отсутствия колебаний до другого установившегося режима, когда амплитуда колебаний становится постоянной и независимой от времени, т.е. стационарной;
- произвести с помощью осциллографа измерение длительности переходного процесса;
- занести в отчет по лабораторной работе осциллограмму переходного режима автоколебаний и измеренную длительность.
- сделать вывода по результатам проведенного исследования.
2) Провести исследование автогенератора на условие возникновения и устойчивость колебаний.
Для реализации этого задания необходимо проверить соблюдение двух условий: баланса амплитуд и баланса фаз.
а) для проверки баланса фаз выполнить следующие операции:
- подключить первый канал осциллографа к точке соединения коллектора транзистора и колебательного контура (как показано на рис. 12), а второй канал к точке соединения цепи обратной связи с базой транзистора;
- запустить очень кратковременно симулятор EWB, так, чтобы получить колебания в переходном режиме;
- получить на осциллографе по обоим канал с помощью кнопок вертикальной развертки колебания на выходе транзистора и на выходе цепи обратной связи;
- определить с помощью осциллографа разность фаз между этими колебаниями и сравнить их с условием баланса фаз при генерации колебаний на резонансной частоте контура ;
- повторить исследование в установившемся режиме, запустив симулятор EWB долговременно, и произвести определение разность фаз между колебаниями;
- сделать вывод о том, как в автогенераторе соблюдается условие баланса фаз.
а) для проверки баланса амплитуд необходимо произвести 4 – 5 измерений в различные моменты времени, при этом первое измерение должно быть произведено в начальный момент самовозбуждения АГ, а последнее измерение в момент времени, когда автоколебания будут находиться в установившемся режиме, а оставшиеся 2 – 3 измерения – в переходном режиме.
Для выполнения задания провести следующие операции:
- для фиксации колебаний в начальный момент самовозбуждения АГ настроить осциллограф на отображения минимальных напряжений, установив по обоим каналам вертикальные развертки, равные 10 мкВ/дел.
- запустить очень кратковременно симулятор EWB, так, чтобы на экране осциллографа только успели появиться колебания с маленькой амплитудой;
- измерить с помощью вольтметра М2 управляющее напряжение U 1 y, поступающее на базу из цепи обратной связи (с конденсатора обратной связи С2);
- измерить с помощью амперметра М1 коллекторный ток транзистора по первой гармонике I 1 k;
- измерить с помощью мультиметра коллекторное напряжение U 1к транзистора;
- занести измеренные значения в таблицу 5 и рассчитать следующие параметры: усредненную по первой гармонике переходную крутизну транзистора S, коэффициент обратной связи Koc, их произведение S × Koc, а также проводимость коллекторной нагрузки Yk по формулам
, , ;
Таблица 5 – Результаты измерений и расчетов
№ измер.
U1 y, мВ
I1 k, мкА
U1к, мВ
S, мА/В
Koc
S ×Koc, мА/В
Yk, мА/В
1
2
3
4
5
- проверить соблюдение условия баланса амплитуд S × Koc = Yk;
- повторить выше причисленные операции для других измерений, при этом для фиксации колебаний в переходном режиме последовательно устанавливать по обоим каналам вертикальные развертки, равные 100 мкВ/дел, 500 мкВ/дел и 10 мВ/дел;
- сделать выводы о том, как в АГ соблюдается условие баланса амплитуд, как изменяется крутизна переходной характеристики транзистора и проводимость коллекторной нагрузки.
3) Провести исследование стабильности частоты автогенератора.
Для выполнения задания провести исследования стабильности частоты АГ от влияния нагрузки и температурной зависимости емкости.
а) для исследования нестабильности частоты от изменения температуры, предположим, что ТКЕ конденсаторов составляет 200×10-6 , ТКИ катушки - 300×10-6, а температура резко изменилась на DТ = 10 град, в этом случае следует выполнить следующие операции:
- для катушки индуктивности и каждого конденсатора рассчитать его значения при данной температуре по формуле ;
- установить в схеме АГ новые рассчитанные значения емкостей;
- запустить симулятор EWB и определить с помощью осциллографа и Фурье анализатора частоту сгенерированных автоколебаний, для повышения точности измерения установить в Фурье анализаторе основную частоту в 1000 раз меньшую, чем заданная частота колебаний f, а количество гармоник – 2000.
- сравнить вновь полученные частоты с ранее полученными, определив абсолютную и относительную нестабильность частоты автогенератора;
- сделать выводы по результатам проведенного исследования.
б) для исследования стабильности частоты от влияния нагрузки, необходимо выполнить следующие действия;
- увеличить сопротивление нагрузки вдвое, а затем начальное значение уменьшить вдвое;
- для обоих случаев, запустив симулятор EWB, определить с помощью осциллографа и Фурье анализатора частоту автоколебаний,
- сравнить вновь полученные частоты с ранее полученными, определив абсолютную и относительную нестабильность частоты автогенератора;
- сделать выводы по результатам проведенного исследования.
Задание 2.3. Оформить результаты исследований в виде отчета по лабораторной работе и защитить его.
1) В отчете отобразить:
- тему и цель работы, задания для исследований;
- листинги составленных в Mathcad Professional программ:
Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас...
2019-07-03
274
Обсуждений (0)
(18)
. (19)
(20)
(21)
. (22)
. (23)
(24)
(25)
(26)
, (27)
. (28)
(29)
(30)
(31)
С1; ρ– характеристическое сопротивление контура: ρ = ω Г L 3; Q– добротность контура.
;
.
;
, 
, 
;
, 
и 
;
;
, 
, 
, 
;
;
, 
и 
;
;
;
;
, выбрав значение числителя, равное 85;
.
;
;
, 
;
;
, 
, 
.
, где 
, выбрав Rd ближе к верхнему пределу для повышения КПД, например, если 50X2 = 50 Ом, а 6Re = 2,3 кОм, то выбираем Rd = 2 кОм;
и 
;
, где 
, например, если 
, то выбираем Cэ = 10 нФ ;
, при этом следует иметь ввиду, что для устранения возможных паразитных колебаний на частоте, ниже заданной за счет образования колебательного контура из Сbl и Lbl, необходимо снизить добротность дросселя Lbl, включив последовательно с ним дополнительный резистор Rbl =100 Ом.
.
.
.
и 
;
;
, 
, 
;
;