Как работает генератор на транзисторе
Автогенераторы — автономные устройства, преобразующие энергию источников питания в высокочастотный сигнал гармонической формы. Применение автогенераторов на мощных ПТ в ряде случаев упрощает конструкцию различных устройств, например систем охранной сигнализации, простых радиопередатчиков, автогенераторных датчиков и т. д. Энергетические соотношения и частотные ограничения у автогенераторов в основном те же, что и у УМ.
Рис. 9.55. Схема LC-генератора с трансформаторной обратной связью
Простейшая схема LC-генератора с трансформаторной обратной связью приведена на рис. 9.55.
Практическая схема генератора (рис. 9.61) на транзисторе КП901А в диапазоне частот 30 . 80 МГц обеспечивала Рвых = 2,5 Вт. Подобная схема на транзисторе КП904А имела Рвых=20 Вт на частоте fо=4 МГц и Un = 52 В (потребляемая мощность 36,4 Вт, рассеиваемая 15 Вт). Значения L2 = 5,6 МГн, С2 = 760 пФ, R=2 Ома.
Схема рис. 9 55 обычно используется на частотах до 50. 100 МГц. На более высоких частотах осуществление трансформаторной связи затруднено и применяются схемы индуктивной (рис. 9.59, а) и емкостной (рис. 9.59, б) трехточек.
Схема на рис. 9.59, а может применяться в любом частотном диапазоне, но особенно удобна для СВЧ-диапазона. При этом контур вырождается в
Рис. 9.61. Высокочастотный автогенератор с уровнем выходной мощности единицы—десятки ватт
Рис. 9 59 Автогенераторы, собранные по схемам индуктивной (а) н емкостной (б) трехточки
вытянутую полупетлю из медного посеребренного провода. Недостатком схемы является отсутствие заземления (по высокой частоте) конденсатора С контура. Этот недостаток устранен у схемы на рис. 9.59,б, но у нее (из-за шунтирования контура делителем обратной связи С1С2) снижаются пределы перестройки по частоте изменением емкости С.
В дальнейшем был разработан ряд подобных схем на GaAs МПТШ с электронной перестройкой частоты с помощью варикапов. Так, в [184] описан СВЧ-генератор на GaAs МПТШ АП602 с обращенным каналом. Такое включение облегчает создание положительной обратной связи при заземленном стоке (рис. 9.62). Индуктивность последовательного контура в цепи затвора образована как внешней индуктивностью L, так и паразитными индуктивностями затвора и варикапа, используемого для электронной перестройки частоты.
Рис. 9 62. Автогенератор на транзисторе АП602 с обращенным каналом
На рис. 9.63 представлены зависимости мощности Рвых и необходимого напряжения иа варикапе dUв от отклонения частоты f—fо. При изменении Uв от 0 до 50 В было получено перекрытие по емкости варикапа, равное 6. Крутизна модуляционной характеристики изменялась до 4. 5 раз. Потребляемая генератором мощность 0,6 Вт, КПД около 5%.
Рис. 9.63. Зависимость выходной мощности н необходимого напряжения смещения варикапа от девиации частот
В [185] описаны генераторы с октавным (т. е. двойным) перекрытием по частоте. Однотактный генератор (рис. 9.64, а) использует для управления частотой встречно включенные варикапы, что обусловливает меньшую зависимость их емкости от амплитуды переменного напряжения на варикапах. Контур в цепи затвора разделен на две части отрезком микрополосковой линии. Импеданс цепи затвора носит индуктивный характер.
При fо= 500 МГц получен коэффициент перекрытия по частоте Кf = 2,1 при изменении управляющего напряжения Uсм от 2 до 25 В. Зависимость выходной мощности Рвых и частоты f от напряжения Uсм дана на рис. 9.64, б. Крутизна модуляционной характеристики изменяется не более чем в 3,5 раза. Выходная мощность генератора Р=17±2,5 дБ, КПД меняется от 3 до 7% при Uп =20 В (транзистор КП905А). Уровень высших гармоник достигает 20%.
Двухтактная схема генератора (рис. 9.65) обеспечивает эффективное подавление всех четных гармоник. Это уменьшает уровень высших гармоник
Рис.9.64. Генератор с электронной перестройкой частоты парой встречно включенных варикапов (а) и его характеристики (б).
Рис. 9.65. Двухтактная схема автогенератора на МДП-транзисторах
на выходе генератором. Зависимость f от управляющего напряжения Uсм для этой схемы дана на рис. 9.66. Коэффициент перекрытия по частоте Кf = wв/wн= 1,85, изменение крутизны модуляционной характеристики достигает 5 раз и более.
Вопросы проектирования СВЧ-генераторов вида на рис. 9.67 (цепи питания не показаны) рассматриваются в [186]. Показано, что колебания возникают только при инверсном включении транзисторов. Для транзисторов ЗП602А была получена частота генерации fo= = 5 ГГц при выходной мощности 30 МВт.
Представляет интерес применение в автогенераторах нового типа двухзатворных полевых транзисторов Шотки. На рис. 9.68 представлена схема автогенератора иа частоте fo=8,6 ГГц. Генератор работает в импульсном режиме и используется в доплеровском радиолокаторе. По сравнению со схемой на диодах Гаина эта схема обеспечивает лучшую стабильность частоты. Схема на рис. 9.69 совмещает в себе функцию генератора и утроителя частоты. Конструкция на тетроде с длиной затвора 1 мкм позволила получить частоту генерации до 22 ГГц.
Рис. 9 66. Зависимость частоты от управляющего напряжения для схемы рис. 9.65
Рис. 9.67. Автогенератор с колебательными цепями в виде отрезков длинной линии (а) и его функциональная схема (б)
Рис. 9.69. Схема совмещения функции генератора и утроителя частоты для диапазона частот до 22 ГГц
Рис. 9.68. Генератор с рабочей частотой f0=8,6 ГГц иа двухзатвориом полевом транзисторе с барьером Шотки
На низких частотах при большой выходной мощности (единицы—десятки ватт) в генераторах можно использовать ненасыщающиеся составные транзисторы [64], в которых мощный ПТ управляет более мощным биполярным транзистором. В [187] описана схема кварцевого генератора (рис. 9.70)
Рис. 9.70. Кварцевый автогенератор на составном (полевой-биполярный) транзисторах
на основе составного транзистора. На рис. 9.71 представлены зависимости потребляемого тока и выходной мощности от температуры. Максимальные изменения этих параметров не превышали 2,3 и 3,5% соответственно при изменении температуры от 25 до 70° С. При угле отсечки тока стока 0 = 70′ С генератор обеспечил получение выходной мощности 10 Вт при общем КПД 65%. Частота генерации 7,41 МГц, среднестатическая часовая нестабильность частоты не превышала 2-10~ 7 .
Рис. 9.72. Уровни фазовых шумов автогенераторов на мощных ПТШ (1), СВЧ-биполярyых транзисторах (2) и диодах Ганна (5).
Рис. 9.71. Зависимости потребляемого тока (1) и выходной мощности (2) от температуры окружающей ^реды
Таким образом, автогенераторы на мощных ПТ перекрывают практически все используемые диапазоны частот. Для ряда применений важное значение имеют уровни фазовых шумов автогенераторов. Как вытекает из рис. 9.72, по этому параметру СВЧ-геyнраторы на GaAs мощных ПТШ уступают генераторам на СВЧ-биполярных транзисторах и диодах Ганна. Ожидается уменьшение уровня модуляционных шумов на 20 дБ при разработке мощных ПТШ с субмикронной длиной канала [188].
Дьяконов В.П. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах
Принцип работы генератора электромагнитных колебаний на транзисторе
Рассмотрим принцип работы генератора незатухающих колебаний на транзисторе.
В схеме (рис.7) используется транзистор p — n-p типа (лабораторная работа № 11). При подключении источника питания на эмиттер такого транзистора подается обязательно положительный потенциал.
На одном каркасе намотаны несколько катушек индуктивности. Основные — это катушка колебательного контура L KК и катушка связи — L CВ, подключенная одним концом к базе транзистора. Первое условие работы генератора — достаточно сильная связь между катушкой связи и катушкой контура.
К базе и коллектору транзистора подключен переменный резистор. Поворотом регулировочной ручки этого резистора выбирается рабочая точка на характеристике транзистора. При правильном выборе рабочей точки можно добиться идеальной синусоиды полученного переменного тока.
Второе условие работы генератора — восполнение энергии за один период не может быть меньше потерь энергии. Выполнение этого условия обеспечено самой конструкцией генератора.
Третье условие — выполнение фазовых соотношений. При подключении генератора к источнику питания ток идет через катушку L КК, индуктивное сопротивление XL = w L КК будет большое, соответственно напряжение на катушке тоже будет большое. Конденсатор контура С КК включен параллельно катушке, потому он зарядится до максимального напряжения. В колебательном контуре возникнут электрические колебания. Магнитное поле катушки L КК пронизывает катушку связи L CВ и вызывает появление ЭДС в этой катушке. Катушка связи подключена к эмиттеру и базе транзистора, у которого первый p — n переход включен в прямом направлении. Если напряжение от катушки связи будет подано так, что на эмиттере будет плюс, а на базе минус, то транзистор откроется, а в противном случае закроется. Таким образом, сам колебательный контур с помощью катушки связи и транзистора может включать и выключать в нужном режиме источник питания. На этом основано пополнение убыли энергии в колебательном контуре.
Такое соотношение между токами в колебательном контуре и знаками ЭДС на катушке связи будет являться третьим условием работы генератора незатухающих колебаний.
Если генератор не заработал, то достаточно на основании третьего условия переключить концы катушки связи.
Таким образом, при выполнении указанных условий работы генератора, в схеме, представленной на рис.7, в течение периода колебаний происходят следующие изменения тока, заряда и напряжения.
Первая четверть периода. Положительно заряженная пластина конденсатора, соединенная с коллектором, разряжается. Ток в колебательном контуре возрастает до максимального значения . В катушке связи возникает индукционный ток такого направления, что база имеет отрицательный потенциал относительно эмиттера. Переходы база — коллектор и эмиттер — база прямые. Транзистор открыт. Энергия от источника поступает через транзистор в колебательный контур (ключ замкнут).
Вторая четверть периода. Ток в контуре убывает. Верхняя пластина заряжается отрицательно. В катушке связи ток меняет направление. На базе положительный потенциал. Переход коллектор — база обратный. Тока в цепи нет (ключ разомкнут).
Третья четверть периода. Конденсатор разряжается. Ток растет до максимального значения, направлен от нижней к верхней пластине. В катушке связи ток направлен так, что база получает положительный потенциал. Переход база — коллектор обратный. Тока в цепи нет (ключ разомкнут).
Четвертая четверть периода. Ток в контуре, не меняя направления, убывает. Верхняя пластина заряжается положительно. В катушке связи ток меняется по направлению. Заряд на базе отрицательный. Переходы база — коллектор и эмиттер — база прямые. Энергия поступает от источника в колебательный контур (ключ замкнут).
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
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.
Схемы генераторов высокой частоты
Предлагаемые генераторы высокой частоты предназначены для получения электрических колебаний в диапазоне частот от десятков кГц до десятков и даже сотен МГц. Такие генераторы, как правило, выполняют с использованием LC-колебательных контуров или кварцевых резонаторов, являющихся частотозадающими элементами. Принципиально схемы от этого существенно не изменяются, поэтому ниже будут рассмотрены LC-генераторы высокой частоты. Отметим, что в случае необходимости колебательные контуры в некоторых схемах генераторов (см., например, рис. 12.4, 12.5) могут быть без проблем заменены кварцевыми резонаторами.
Генераторы высокой частоты (рис. 12.1, 12.2) выполнены по традиционной и хорошо зарекомендовавшей себя на практике схеме «индуктивной трехточки». Они различаются наличием эмиттерной RC-цепочки, задающей режим работы транзистора (рис. 12.2) по постоянному току. Для создания обратной связи в генераторе от катушки индуктивности (рис. 12.1, 12.2) делают отвод (обычно от ее 1/3. 1/5 части, считая от заземленного вывода). Нестабильность работы генераторов высокой частоты на биполярных транзисторах обусловлена заметным шунтирующим влиянием самого транзистора на колебательный контур. При изменении температуры и/или напряжения питания свойства транзистора заметно изменяются, поэтому частота генерации «плавает». Для ослабления влияния транзистора на рабочую частоту генерации следует максимально ослабить связь колебательного контура с транзистором, до минимума уменьшив переходные емкости. Кроме того, на частоту генерации заметно влияет и изменение сопротивления нагрузки. Поэтому крайне необходимо между генератором и сопротивлением нагрузки включить эмиттерный (истоковый) повторитель.
Для питания генераторов следует использовать стабильные источники питания с малыми пульсациями напряжения.
Генераторы, выполненные на полевых транзисторах (рис. 12.3), обладают лучшими характеристиками.
Генераторы высокой частоты, собранные по схеме «емкостной трехточки» на биполярном и полевом транзисторах, показаны на рис. 12.4 и 12.5. Принципиально по своим характеристикам схемы «индуктивной» и «емкостной» трехточек не отличаются, однако в схеме «емкостной трехточки» не нужно делать лишний вывод у катушки индуктивности.
Во многих схемах генераторов (рис. 12.1 — 12.5 и другие схемы) выходной сигнал может сниматься непосредственно с колебательного контура через конденсатор небольшой емкости или через согласующую катушку индуктивной связи, а также с неза-земленных по переменному току электродов активного элемента (транзистора). При этом следует учитывать, что дополнительная нагрузка колебательного контура меняет его характеристики и рабочую частоту. Иногда это свойство используют «во благо» — для целей измерения различных физико-химических величин, контроля технологических параметров.
На рис. 12.6 показана схема несколько видоизмененного варианта ВЧ генератора — «емкостной трехточки». Глубину положительной обратной связи и оптимальные условия для возбуждения генератора подбирают с помощью емкостных элементов схемы.
Схема генератора, показанная на рис. 12.7, работоспособна в широком диапазоне значений индуктивности катушки колебательного контура (от 200 мкГн до 2 Гн) [Р 7/90-68]. Такой генератор можно использовать в качестве широкодиапазонного высокочастотного генератора сигналов или в качестве измерительного преобразователя электрических и неэлектрических величин в частоту, а также в схеме измерения индуктивностей.
Генераторы на активных элементах с N-образной ВАХ (туннельные диоды, лямбда-диоды и их аналоги) содержат обычно источник тока, активный элемент и частотозадающий элемент (LC-контур) с параллельным или последовательным включением. На рис. 12.8 показана схема ВЧ генератора на элементе с лям-бдаобразной вольт-амперной характеристикой. Управление его частотой осуществляется за счет изменения динамической емкости транзисторов при изменении протекающего через них тока.
Светодиод НИ стабилизирует рабочую точку и индицирует включенное состояние генератора.
Генератор на аналоге лямбда-диода, выполненный на полевых транзисторах, и со стабилизацией рабочей точки аналогом стабилитрона — светодиодом, показан на рис. 12.9. Устройство работает до частоты 1 МГц и выше при использовании указанных на схеме транзисторов.
На рис. 12.10 в порядке сопоставления схем по степени их сложности приведена практическая схема ВЧ генератора на туннельном диоде. В качестве полупроводникового низковольтного стабилизатора напряжения использован прямосме-щенный переход высокочастотного германиевого диода. Этот генератор потенциально способен работать в области наиболее высоких частот — до нескольких ГГц.
Высокочастотный , по схеме очень напоминающий рис. 12.7, но выполненный с использованием полевого транзистора, показан на рис. 12.11 [Рл 7/97-34].
Прототипом RC-генератора, показанного на рис. 11.18 является схема генератора на рис. 12.12 [F 9/71-171; 3/85-131].
Этот генератор отличает высокая стабильность частоты, способность работать в широком диапазоне изменения параметров частотозадающих элементов. Для снижения влияния нагрузки на рабочую частоту генератора в схему введен дополнительный каскад — эмиттерный повторитель, выполненный на биполярном транзисторе VT3. Генератор способен работать до частот свыше 150 МГц.
Из числа всевозможных схем генераторов особо следует выделить генераторы с ударным возбуждением. Их работа основана на периодическом возбуждении колебательного контура (либо иного резонирующего элемента) мощным коротким импульсом тока. В результате «электронного удара» в возбужденном таким образом колебательном контуре возникают постепенно затухающие по амплитуде периодические колебания синусоидальной формы. Затухание колебаний по амплитуде обусловлено необратимыми потерями энергии в колебательном контуре. Скорость затухания колебаний определяется добротностью (качеством) колебательного контура. Выходной высокочастотный сигнал будет стабилен по амплитуде, если импульсы возбуждения следуют с высокой частотой. Этот тип генераторов является наиболее древним в ряду рассматриваемых и известен с XIX века.
Практическая схема генератора высокочастотных колебаний ударного возбуждения показана на рис. 12.13 [Р 9/76-52; 3/77-53]. Импульсы ударного возбуждения подаются на колебательный контур L1C1 через диод VD1 от низкочастотного генератора, например, мультивибратора, или иного генератора прямоугольных импульсов (ГПИ), рассмотренных ранее в главах 7 и 8. Большим преимуществом генераторов ударного возбуждения является то, что они работают с использованием колебательных контуров практически любого вида и любой резонансной частоты.
Еще один вид генераторов — генераторы шума, схемы которых показаны на рис. 12.14 и 12.15.
Такие генераторы широко используют для настройки различных радиоэлектронных схем. Генерируемые такими устройствами сигналы занимают исключительно широкую полосу частот — от единиц Гц до сотен МГц. Для генерации шума используют обратносмещенные переходы полупроводниковых приборов, работающих в граничных условиях лавинного пробоя. Для этого могут быть использованы переходы транзисторов (рис. 12.14) [Рл 2/98-37] или стабилитроны (рис. 12.15) [Р 1/69-37]. Чтобы настроить режим, при котором напряжение генерируемых шумов максимально, регулируют рабочий ток через активный элемент (рис. 12.15).
Отметим, что для генерации шума можно использовать и резисторы, совмещенные с многокаскадными усилителями низкой частоты, сверхрегенеративные приемники и др. элементы. Для получения максимальной амплитуды шумового напряжения необходим, как правило, индивидуальный подбор наиболее шумящего элемента.
Для того чтобы создать узкополосные генераторы шума, на выходе схемы генератора может быть включен LC- или RC-фильтр.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год