Генераторы: ёмкостная трёхточка, индуктивная трёхточка, а также
Целью нашей сегодняшней тактической подготовки будет сопровождение целей под названием «Высокочастотные автогенераторы на LC-цепях».
Содержание учений включает организованное выдвижение сил с массированными ударами и групповыми манёврами. Общее направление манёвров – расчёт частотозадающих цепей, ёмкостных делителей, а также режимов работы схем транзисторных LC генераторов и гетеродинов.
Но для начала определимся с доктриной: «Генератор (гетеродин) – жизненно важный орган любого передатчика или радиоприёмника. От того, насколько спектрально чисто и стабильно он работает, зависят основные параметры приёмо-передающих трактов».
Обсуждаемые на этой странице типы транзисторных генераторов, использующие комбинацию индуктивности L и ёмкости C, называемые LC-генераторами, весьма полезны при необходимости поиметь в радиолюбительском хозяйстве перестраиваемый по частоте аналоговый генератор, т.е. генератор без применения цифровых и микропроцессорных излишеств.
Приведём схемы основных разновидностей LC-генераторов.
В схеме Колпитца – ещё одной ёмкостной трёхточки, приведённой на Рис.2, транзистор Т1 включён по схеме с общей базой, что позволяет применять данную схему на очень высоких частотах.
Частотно-задающий параллельный контур в данной схеме гетеродина составляют элементы L1, C1, C2 и С3.
Глубина обратной связи (ПОС) определяется соотношением ёмкостей конденсаторов C2 и C3.
Конденсатор большой ёмкости C обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току.
Так же, как и в предыдущем случае, номинал резистора R1 выбирается исходя из соображений получения тока покоя транзистора Т1 в пределах 3-8мА.
Рис.4
Схема, приведённая на рисунке Рис.4, является модификацией предыдущей схемы.
Дополнительная цепь стабилизации С2 D1, детектирует поступающие на затвор колебания и создаёт отрицательное смещение при возрастании их амплитуды. Это смещение, в свою очередь, сдвигает рабочую точку транзистора на участок характеристики с меньшей крутизной, и усиление уменьшается.
Значение номинала конденсатора С* следует подбирать при настройке, исходя из минимальной величины, при которой сохраняется устойчивая работа генератора во всём интересующем нас диапазоне.
Рис.5
Граничная частота коэффициентов передачи транзисторов, применяемых во всех схемах, должна быть в 5 (а лучше в 10) раз выше генерируемой частоты.
Сигнал с максимальной амплитудой и минимальным количеством гармоник следует снимать с верхнего по схеме вывода катушки индуктивности (с нижнего для Рис.2) посредством каскада с высоким входным сопротивлением (предпочтительно на полевом транзисторе).
Перейдём к расчётам элементов генераторов и начнём с определения значений ёмкостей конденсаторов, определяющих глубину положительной обратной связи в схемах ёмкостных трёхточек.
Оказалось, что посчитать эти значения теоретически не так уж и просто. Похоже, информация эта схоронилась в секретных лабораториях ЦРУ и Пентагона, а потому поначалу было решено действовать по старинке – воспользоваться заведомо рабочей схемой и масштабировать значения ёмкостей пропорционально изменению диапазона частот генерации.
– Я знаю! – похлопал меня по плечу седовласый старик, протягивая мне жёлтую книжицу «Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. М, Мир, 1990.»
– Спасибо, дядя Эрик, – стыдливо промямлил я, вспоминая, сколько же раз перелистовал её в поисках нужной информации, а вот так, чтобы внимательно, от корки до корки, как-то не задалось.
Всё оказалось довольно просто: f≈[0,1-200] МГц ; XC3≈XC4≈50 Ом ; XC2≈100 Ом , (см. Рис.1), где XC – реактивные сопротивления конденсаторов на частоте генерации. Вот теперь можно смело переходить к онлайн калькуляторам.
Онлайн расчёт элементов емкостных трёхточек
Если предполагается, что генератор должен выполнять функцию перестраиваемого по частоте гетеродина, то в качестве частоты генерации F следует выбирать среднюю частоту диапазона перестройки.
Не стоит рассчитывать, что данные типы генераторов обеспечат значительную величину этого диапазона. Как правило, фазовый баланс при выбранных значениях ёмкостного делителя обеспечивает устойчивую работу устройства в пределах октавного изменения (в 2 раза) рабочих частот.
Теперь осталось только рассчитать значения контурных конденсаторов С1. Причём, если для схем, приведённых на Рис.(3. 5) всё просто – F= 1/2π√ LС , то для ёмкостных трёхточек (Рис.1. 2) в качестве частотозадающей ёмкости С выступает параллельно-последовательное соединение нескольких конденсаторов С1-С4 (Рис.1), либо С1-С3 (Рис.2).
Онлайн расчёт номинала контурного конденсатора С1
Если в схеме отсутствует тот или иной элемент – оставляйте соответствующие поля незаполненными.
Приведённые расчёты являются приблизительными, так как не учитывают влияний паразитных ёмкостей: катушек, монтажа и переходов полупроводников.
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ LC ГЕНЕРАТОР
Генератор, схема которого приведена на рисунке, предназначен для измерительной аппаратуры. Важным преимуществом этого генератора является возможность использовать резонансные контуры практически с любым отношением L/C. Так, он одинаково устойчиво работает, если индуктивность катушки L1 изменяется а пределах от 50 мкГн до 100 мГн, а ёмкость конденсатора C1 -от 50 пФ до 5 мкФ. Например, при индуктивности L1 = 50 мкГ и ёмкости С1 = 5 мкФ генерируемая частота будет около 10 кГц, а при той же индуктивности и C1 = 50 пФ — 3,2 МГц. Кроме того, к числу достоинств данного генератора следует отнести малое напряжение на LC-контуре — примерно 100 мВ. В некоторых случаях это существенно, например, при измерении параметров варикапов.
Генератор выполнен на транзисторах V1 и V2. Каскад на транзисторе V3 — предварительный усилитель, сигнал с которого поступает на выходной усилитель (транзистор V8) и на узел автоматической регулировки уровня выходного сигнала генератора, Поскольку на предварительный усилитель сигнал поступает непосредственно с колебательного контура генератора, то узел АРУ поддерживает постоянным напряжение и на этом контуре. Узел автоматической регулировки уровня состоит из выпрямителя на диодах V4 и V5, выполненного по схеме удвоения, усилителя постоянного тока на транзисторе V7 и регулирующего транзистора V6. Как только по каким-нибудь причинам напряжение на выходе генератора изменится, например повысится, то возрастет смешение на базе транзистора V7. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению тока через транзистор V6 (следовательно, и через транзисторы генератора V1, V2), и напряжение на выходе генератора уменьшится до первоначального значения.
Выходное напряжение практически остаётся постоянным при изменении напряжения питания от 3,5 до 15 В. Его удобно выбрать равным 5 В. В этом случае уровень сигнала на выходе генератора будет совместим с устройствами транзисторно-транзисторной логики.
В генераторе можно использовать любые кремниевые высокочастотные транзисторы, причём транзисторы V1-V3 должны иметь достаточно большой коэффициент передачи тока (не менее 150). В том случае, если имеют место паразитные высокочастотные колебания, то следует несколько увеличить сопротивление резистора R2.
«Funkshau» (ФРГ), 1978, № 18
В генераторе можно применить транзисторы КТ361Б, Г (V1, V2, V3) и КТ315Б, Г [V6, V7, V8), диоды (V4, V5) могут быть типа КД503А.
LC-автогенераторы
Принципиальная электрическая схема этого генератора представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 — Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с трансформаторной обратной связью
В этом генераторе в качестве усилительного элемента используется транзистор VT1 включенный по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой транзистора является параллельный колебательный контур L2 C2. Этот контур используется как колебательная система, с помощью которой формируются колебания, и как избирательная цепь, от которой зависит частота и форма колебаний. Катушки индуктивности L1 и L2 образуют высокочастотный трансформатор. Кроме того катушка L1 является элементом обратной связи, с помощью которого колебания подаются на базу транзистора. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения. С его помощью на транзистор подается напряжение смещения U0, которым задается положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике. Резистор R3 является температурной стабилизацией транзистора. Также R3 с конденсатором C4 образуют цепь автоматического смещения, которая осуществляет перевод генератора из мягкого режима самовозбуждения в жесткий. Конденсаторы С1 и С3 являются разделительными, и отделяют постоянную составляющую тока питания от переменной составляющей колебания. Электропитание генератора осуществляется от источника Ек.
Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении источника питания Ек происходит заряд конденсатора C2, который затем разряжается на L2. Таким образом, в контуре появляются колебания. Эти колебания, за счет ЭДС взаимоиндукции, возбуждают переменное напряжение в катушке L1, которое вместе с напряжением смещения U0 поступает на базу транзистора. За счет усилительных свойств возникшие колебания нарастают. По мере нарастания амплитуды колебаний возрастает ток базы транзистора. Постоянная составляющая этого тока создает падение напряжения на R3 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор С4). В результате этого, напряжение смещение, подаваемое на транзистор, уменьшается. Уменьшение U0 приводит к смещению рабочей точки вниз по характеристике, и генератор переходит в жесткий режим самовозбуждения. Колебания возрастают до значения точки устойчивого равновесия, и затем генератор переходит в стационарный режим работы.
Условие баланса амплитуд выполняется за счет усилительных свойств транзистора. Условие баланса фаз выполняется за счет транзистора включенного по схеме с общим эмиттером (осуществляет сдвиг фазы на 180°) и катушек индуктивности L1 и L2 (при подобном включении, каждая катушка сдвигает фазу на 90°).
Частота колебаний вырабатываемых данным автогенератором определяется выражением
Амплитуда генерируемых колебаний определяется выражением
Коэффициент обратной связи определяется выражением
где М — взаимная индуктивность между катушками L1 и L2.
Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством
где Q — добротность колебательного контура;
Sдиф — дифференциальная крутизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента.
Трехточечные автогенераторы
Как отмечалось выше трехточечным автогенератором является генератор, в котором колебательный контур подключается к усилительному элементу тремя точками. В этих генераторах используются колебательные контуры второго и третьего рода. Чтобы определить местоположение элементов колебательной системы таких генераторов рассмотрим обобщенную трехточечную схему. В этой схеме (рисунок 12) элементы колебательной системы заменим реактивными сопротивлениями XКБ, XБЭ, XКЭ (активными сопротивлениями можно пренебречь). Индексы обозначают точки подключения этих элементов к транзистору.
Элементы колебательной системы могут быть конденсаторами, катушками индуктивности или более сложными электрическими цепями. В такой схеме автогенератора колебания могут возникнуть на частоте генерации fг при выполнении условия резонанса
Рисунок 12 — Обобщенная трухточечная схема автогенератора
Следовательно, один из элементов должен иметь противоположный знак по отношению к двум другим элементам. Определить знаки элементов можно исходя из коэффициента обратной связи
Кос = XБЭ/XКЭ (20)
Согласно уравнению автогенератора коэффициент обратной связи должен быть положительным. Следовательно элементы XБЭ, XКЭ должны иметь одинаковый знак, а элемент XКБ должен иметь противоположный знак. В соответствии с вышеизложенным можно составить два варианта трехточечных схем: емкостную (рисунок 13, а) и индуктивную (рисунок 13, б).
Рисунок 13 — Упрощенные трёхточечные схемы автогенераторов
Одним из генераторов, эквивалентным трехточечной индуктивной схеме, является LC автогенератор с автотрансформаторной связью. Принципиальная электрическая схема этого генератора приведена на рисунке 14.
Рисунок 14 — Принципиальная электрическая схема LC-автогенератора с автотрансформаторной обратной связью
В этом генераторе используется колебательный контур второго рода L1 C4. Колебательный контур подключается к транзистору VT1 через блокировочные конденсаторы большой емкости С2 С3 и разделительный конденсатор С1. Начальное смещение рабочей точки задается делителем напряжения R1 R2. Перевод генератора из мягкого режима самовозбуждения в жесткий осуществляется цепью автоматического смещения R3 C3. Элементы С2 R4 выполняют функции фильтра цепи питания, который предотвращает влияние высокочастотных колебаний на источник постоянного тока Ек.
Конденсатор С5 является разделительным конденсатором, он предотвращает поступление постоянной составляющей тока питания в нагрузку. Элементом обратной связи является часть витков катушки L1 включенная между базой и коллектором транзистора. Колебательный контур образован индуктивной ветвью (часть витков катушки L1 включенная между коллектором и эмиттером) и емкостной ветвью (конденсатор С4 и часть витков катушки L1 включенная между базой и эмиттером транзистора). Т. к. токи в этих ветвях в любой момент времени противофазны, то баланс фаз будет соблюден (транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, также дает сдвиг фазы 180°).
Частота колебаний генератора с автотрансформаторной связью определяется выражением
Коэффициент обратной связи для этого генератора определяется выражением
где Lбэ — индуктивность катушки L1 образованная витками, включенными между базой и эмиттером транзистора VT1;
Lкэ — индуктивность катушки L1 образованная витками, включенными между коллектором и эмиттером транзистора VT1.
Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством
LбэLкэQSдиф/sqrt (Lбэ +Lкэ) ^3 C4 >1 (23)
Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с емкостной обратной связью эквивалентный трехточечной емкостной схеме приведена на рисунке 15.
Рисунок 15 — Принципиальная электрическая схема LC-автогенератора с емкостной обратной связью
В этом генераторе используется колебательный контур третьего рода С4 С5 L2. Контур подключается к транзистору через блокировочные конденсаторы С2 С3 и разделительный конденсатор С1. Дроссель L1 с конденсатором С7 образуют фильтр цепи питания. В данной схеме используется схема параллельного коллекторного питания, в которой источник питания, колебательный контур и транзистор включены параллельно друг другу. Элементом обратной связи является конденсатор С5. Назначение остальных элементов схемы аналогично схеме представленной на рисунке 14. Колебательный контур образован индуктивной ветвью (элементы L2 С5) и емкостной ветвью (конденсатор С4). Токи в этих ветвях в любой момент противофазны, поэтому баланс фаз также соблюдается.
Частота колебаний автогенератора с емкостной обратной связью определяется по выражению
Коэффициент обратной связи этого генератора определяется как
Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством:
Запись опубликована в рубрике Теория с метками генераторы, трёхточка, условия генерации. Добавьте в закладки постоянную ссылку.
LC-генератор со стабильной амплитудой
Во многих приложениях требуются широкодиапазонные перестраиваемые LC-генераторы, способные обеспечивать почти постоянную частоту и практически полное отсутствие гармоник, даже при изменении выходной нагрузки схемы. С точки зрения конструкции устройства исключение отводов от индуктивных или емкостных ветвей LC- цепи и трансформаторных связей в частотно-задающей цепи упрощает проектирование и производство, равно как и дает возможность при необходимости заземлить одну сторону колебательного контура. Для выполнения этих требований нужна схема, которая может автоматически и эффективно регулировать петлевое усиление, что является основным критерием для генерации. Кроме того, схема должна обеспечивать достаточное усиление для генерации с низкоимпедансными LC-цепями и регулировать амплитуду колебаний для улучшения стабильности частоты и минимизации общих гармонических искажений.
| Рисунок 1. | Базовая схема генератора образована параллельным LC-контуром и усилителем- преобразователем напряжение-ток. |
В своих попытках решения этих проблем разработчики создавали множество топологий схем, среди которых были очень сложные, однако использование некоторых основных свойств активных устройств может помочь им добиться приемлемого поведения и от простой схемы генератора. На Рисунке 1 показана базовая конфигурация LC-генератора. Усилитель работает как неинвертирующий источник тока, управляемый напряжением. LC-цепь преобразует выходной ток усилителя IOUT в напряжение VIN, которое служит входным сигналом усилителя. Формальное условие возникновения колебаний выражается формулой (1):
AO – общий коэффициент усиления по напряжению,
RD – резонансное сопротивление индуктивно-емкостной цепи.
В практических схемах величина сопротивления RD зависит от свойств элементов LC-цепи и, следовательно, может иметь широкий диапазон значений. Кроме того, формула (1) предполагает, что характеристики усилителя идеальны, то есть не зависят от частоты.
Рисунок 1 и формула (1) дают простое представление об основной проблеме проектирования. Если для работы в большой полосе частот требуется использование нескольких LC-цепей с широко изменяющимися значениями RD, то и характеристики усилителя должны перестраиваться в широком диапазоне. Можно настроить усиление таким образом, чтобы выполнить условие ограничения усиления для случая наихудших параметров LC-цепи, а затем, используя нелинейность устройства, уменьшать усиление при перегрузках. Однако при большой перегрузке усилителя его входное и выходное дифференциальные сопротивления могут упасть до небольших долей от их оптимальных высокоомных значений. Высокий уровень нелинейных искажений также может ухудшить стабильность частоты. Более того, эти эффекты сильно зависят от напряжения питания усилителя, что ухудшает стабильность частоты, если напряжение питания меняется в зависимости от нагрузки.
В разных схемах генераторов используются различные конструкции усилительного блока, показанного на Рисунке 1. Популярный транзисторный каскад с общим эмиттером или общим истоком имеет два существенных недостатка. Во-первых, такой усилитель является инвертирующим, а во-вторых, его выход не ведет себя как хороший источник тока, особенно при большой нагрузке. Попытки избежать этих проблем включают трансформаторную связь или согласование импедансов в LC-цепи с помощью отводов катушки, но это усложняет конструкцию и лишь частично решает проблемы.
| Рисунок 2. | Добавление второго преобразователя напряжение-ток изолирует резонансный контур. |
На Рисунке 2 показана другая топология генератора, основанная на двух каскадах неинвертирующих усилителей A1 и A2, работающих как преобразователи напряжения в ток (источники тока, управляемые напряжением). В этой схеме резистор связи RS преобразует выходной ток IIN усилителя A1 в напряжение VIN, которое подается на второй каскад A2. Динамическое сопротивление настроенной LC-цепи преобразует выходной ток усилителя A2 в выходное напряжение V22, которое возвращается на вход A1, замыкая петлю положительной обратной связи. Общее петлевое усиление ATOTAL выражается формулой (2):
RD = QωL – динамическое сопротивление LC-контура на резонансной частоте ω,
Q – добротность LC-контура,
A1 и A2 – эквивалентные коэффициенты усиления обоих усилительных каскадов,
|y21S1| и |y21S2| – действительные части полной дифференциальной проводимости прямой передачи (крутизны) обоих усилительных каскадов.
Для поддержания незатухающих колебаний условие ATOTAL > 1 в формуле (1) должно выполняться для всех значений динамического сопротивления RD колебательного контура. Теоретически это условие не представляет никаких проблем, однако на практике возникает ситуация, когда схема должна работать как LC-генератор с широким диапазоном перестройки индуктивностей и емкостей, с широким диапазоном изменения добротности Q настроенного контура, определяемой в первую очередь катушкой индуктивности, с постоянной амплитудой выходного сигнала при любом сочетании первых двух условий и с минимально возможной зависимостью частоты от напряжения питания и нагрузки.
| Рисунок 3. | Напряжение управления усилением создается выпрямлением части сигнала. |
Большинство схем LC-генераторов не могут одновременно удовлетворять всем этим требованиям. Каждая схема генератора может отвечать лишь отдельным требованиям, но ни одна не может поддерживать их все, если не усложнить схему сверх разумных пределов. На Рисунке 3 показана схема, получающая от V22 внешнее постоянное напряжение для управления коэффициентами преобразования напряжения в ток, то есть коэффициентами усиления A1 и A2. Контроль усиления обоих каскадов значительно повышает эффективность управления. В дополнение к исходной положительной обратной связи, необходимой для запуска и поддержания колебаний, можно добавить в схему генератора канал косвенной отрицательной обратной связи, чтобы ограничить амплитуду V22. Чтобы соответствовать первоначальным целям проектирования, усилительные блоки A1 и A2 должны иметь управляемые напряжением амплитудные характеристики, обладать линейными характеристиками управления усилением (Рисунок 4), не должны инвертировать фазу сигнала и почти не должны потреблять входной ток. Кроме того, для эмуляции источника тока усилитель A2 должен иметь максимально возможное внутреннее дифференциальное выходное сопротивление.
| Рисунок 4. | Характеристика управления идеализированного полевого транзистора с p-n переходом показывает линейную зависимость крутизны от напряжения затвор-исток. |
Лучшими активными устройствами для обоих усилительных каскадов являются подобранные n-канальные полевые транзисторы средней мощности с p-n переходом BF245B, имеющие ток стока 5 мА при напряжении затвор-исток, равном 0 В, и напряжении сток-исток 15 В. На Рисунке 5 показана окончательная схема, в которой Q2 работает как усилитель с общим стоком (A2), а Q1 – как усилитель с общим затвором (A1).
| Рисунок 5. | Законченная схема генератора состоит из минимального количества компонентов. |
Переход затвор-исток транзистора Q1 выпрямляет переменное напряжение V22 колебательного контура. Конденсатор связи C4 на Рисунке 5 одновременно выполняет функцию сглаживающего конденсатора CS на Рисунке 3, поскольку его нижний вывод соединяется с землей через низкое сопротивление контурной катушки L постоянному току. Постоянное управляющее напряжение подается на затвор транзистора Q2 через резистор R2. Конденсатор C2 соединяет затвор Q2 с землей по переменному току; транзистор Q2 работает в режиме включения с общим затвором, поскольку исток Q1 управляет истоком Q2. Чтобы свести к минимуму отклонения частоты из-за изменений нагрузки, в сток транзистора Q1 включен относительно низкоомный резистор R4, изолирующий выход от частотно-задающих элементов схемы. Кроме того, по одному выводу L и C соединено с землей.
Осциллограммы на Рисунках 6а и 6б не показывают существенного изменения напряжения на настроенном контуре даже при очень разных значениях L и C. В диапазоне напряжений питания от 8 до 30 В напряжение на контуре меняется не более чем на 3%. Такая же или лучшая стабильность амплитуды выходного напряжения (Рисунок 6в) сохраняется даже на частотах от 5 кГц до 50 МГц без подстройки номиналов каких-либо пассивных компонентов, за исключением L и C. Уменьшение сопротивления R4 уменьшает выходное напряжение, что еще больше снижает влияние изменений нагрузки на рабочую частоту.
 |
|
 |
|
 |
|
| Рисунок 6. | Чистая синусоида (V22 на Рисунке 3) на настроенном контуре с резонансной частотой 280 кГц при L1 = 147 мкГн и C1 = 2200 пФ (а). Синусоида при L1 = 56 мкГн и C1 = 60 пФ (б). Выходной сигнал VOUT на частоте настройки 280 кГц при L1 = 147 мкГн и C1 = 2200 пФ имеет плоскую вершину (в). |
Уровень верхней плоской части VOUT соответствует потенциалу земли, а отрицательным сигнал становится из-за отрицательного напряжения источника питания. Благодаря автоматической регулировке усиления форма сигнала остается удивительно стабильной независимо от частоты, а слегка закругленные углы, в основном проявляющиеся на частотах выше 25 МГц, обусловлены, прежде всего, паразитными емкостями. Идеальность синусоиды обеспечивается только на незаземленной стороне LC-цепи. В других узлах схемы наблюдается отсечка сигналов напряжения и тока, поскольку оба транзистора работают примерно в режиме класса B, смещаясь в сторону класса C по мере увеличения напряжения питания. Можно взять синусоиду непосредственно с LC-цепи, но изменения импеданса нагрузки будут влиять на рабочую частоту.
С другой стороны, отрицательная обратная связь по постоянному току, управляющая коэффициентами усиления обоих транзисторов, не позволяет даже относительно большим изменениям импеданса нагрузки контура существенно влиять на амплитуду синусоиды до тех пор, пока добротность LC-цепи не упадет до очень низкого уровня. Ценой усложнения схемы и увеличения количества компонентов можно добавить буферный каскад и извлечь истинную синусоиду из LC-цепи, но в первоначальном приложении радиомаяка, для которого создавался этот генератор, постоянство амплитуды выходного сигнала было важнее, чем его форма.
Материалы по теме
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман