Методические указания к лабораторным работам Электронное издание сетевого и локального распространения Саратов 2021

Схема автогенератора на биполярном транзисторе

На сравнительно невысоких частотах (до десятков мегагерц) наибо- лее часто применяют схемы одноконтурных АГ на биполярных и полевых транзисторах в виде емкостных трёхточек. В модифицированной схеме емкостной трёхточки (рис. 6), известной как схема Клаппа, в качестве ак- тивного элемента используется транзистор типа n-p-n. В качестве резона- тора (колебательной системы) используются конденсаторы C₁, C₂, C₃ и ин- дуктивность L. Использование конденсатора С₃ позволяет применить ка- тушку индуктивности с такой конструкцией и индуктивностью, при кото- рой ее добротность Q на рабочей частоте будет максимальной. Конденса- тор С₃ уменьшает коэффициент подключения транзистора к контуру, сни- жая тем самым дестабилизирующее влияние меняющихся параметров транзистора на частоту автогенератора. Кроме того, конденсатор С₃ обес- печивает развязку цепей коллектора и базы транзистора. Он позволяет по- лучить ещё одну степень свободы и оптимальный режим работы транзи- стора. Следует заметить, что уменьшение связи может затруднить реали- зацию условий самовозбуждения АГ.

Цепочка
^Rк^ор ^Скор

• 
  корректирующая. Резистор
  

^Rсм

• 
  сопротивление
  

автосмещения,
^Сбл 2 ^,
Сбл1
– блокировочные конденсаторы, резистор
^Rбл ^–

блокировочное сопротивление, конденсатор
^Ссв
– обеспечивает оптималь-

ное сопряжение транзистора с нагрузкой и препятствует прохождения в нагрузку постоянного тока источника питания автогенератора. Фиксиро- ванное смещение напряжения на базе транзистора обеспечивают резисто-

ры R₁ и
R₂ .


Рис. 6. Автогенератор на транзисторе (схема Клаппа)

Чтобы спроектировать схему автогенератора, следует выбрать VT, определить параметры корректирующей цепочки, рассчитать режим VT и рассчитать элементы резонатора, а также цепи питания и смещения.
При выборе типа транзистора АГ (биполярный или полевой) учиты- вают то, что полевые транзисторы (ПТ) с p-n переходом обладают более высокой кратковременной стабильностью частоты. При больших рас- стройках по частоте (несколько десятков килогерц) величина спектральной плотности флуктуации частоты у них примерно на два порядка меньше, чем у АГ на биполярных транзисторах (БТ).
Из трех составляющих шума: тепловой, дробовой и полупроводни- ковой (избыточной) – в диапазоне до 100 МГц в БТ преобладает дробовая составляющая, мощность которой пропорциональна току, а в ПТ – тепло- вая составляющая, определяемая внутренним сопротивлением прибора, и слабозависящая от тока транзистора. В связи с этим АГ на БТ при больших токах по уровню шума существенно уступают аналогичным устройствам на ПТ (20...30 дБ при больших отстройках от несущей частоты на 60...80 кГц). Однако не все ПТ обладают указанным преимуществом, а только их часть – приборы с горизонтальным каналом (с управляющим p-n- переходом). Но при малых расстройках преимущество по малости спек- тральной плотности флуктуации частоты сохраняется за автогенератором на БТ. Отмеченную специфику автогенератора на биполярных и полевых транзисторах можно выгодно использовать. Например, при выборе типов транзисторов для опорного и управляемого автогенератора в синтезаторе частот, который использует кольцо фазовой автоматической подстройки частоты (АПЧ), являющейся фильтром нижних частот для флуктуации частоты (фазы) опорного генератора и, наоборот, фильтром верхних частот для флуктуации частоты (фазы) управляемого генератора [4]. Для опорно- го генератора выгоднее использовать биполярные транзисторы, для управ- ляемого – полевые транзисторы. Другая особенность автогенератора на ПТ заключается в более высокой температурной стабильности [4].
При выборе типа проводимости транзистора (p-n-p или n-p-n) необ- ходимо учитывать лучшую температурную стабильность параметров n-p- n-транзистора в области положительных температур; p-n-p-транзистор яв- ляется более стабильным при отрицательных температурах. Однако очень часто автогенератор целиком или частями размещается в термостате, где изменения температуры незначительны, и тип проводимости транзистора в таких случаях не имеет значения.
С повышением рабочей частоты АГ начинает заметно сказываться инерционность транзистора – его крутизна становится комплексной. Если не принять специальных мер, то из-за сдвига фаз между током (первой гармоникой) выходного электрода транзистора и напряжением на его входных электродах транзистор будет работать на комплексную нагрузку. Это снижает полезную мощность и ухудшает стабильность частоты. Если
 _s  (20...30) , свойства автогенератора практически мало меняются по

сравнению со случаем безынерционного транзистора. При
_s  (40...60)

полезная мощность и стабильность частоты заметно уменьшаются. На еще больших частотах необходимо принимать специальные меры для сохране- ния работоспособности автогенератора.
На высоких частотах применяют схемы автогенераторов с полным фазированием. В них коэффициент обратной связи является комплексным,

его фаза
^ос
выбирается равной по значению и противоположной по знаку

 _s . В таких автогенераторах, как и в АГ на низких частотах, транзистор работает на настроенную нагрузку (т.е. частота АГ равна резонансной час- тоте колебательного контура).
Эквивалентная по высокой частоте схема автогенератора с фазиро- ванием показана на рис. 7, б. Для создания необходимого сдвига фаз слу- жит цепь обратной связи, состоящая из реактивного сопротивления Х4 и сопротивления Х5 (вместо Х5 используется, как правило, входное сопро- тивление транзистора).
Принципы использования блокировочных элементов в АГ и их рас- чет такие же, как и в усилителях мощности (в генераторах с внешним воз- буждением), за исключением особенностей выбора емкостей цепи авто- смещения (для избегания прерывистой генерации).
Для уменьшения дестабилизирующего влияния непостоянства на- грузки автогенератора выгодно его соединять с последующим каскадом возбудителя или усилителя мощности через буферный каскад. Функции буферного каскада выполняют усилители с высоким входным сопротивле- нием – составные эмиттерные повторители или каскады на ПТ.
Для получения высокой стабильности генерируемой частоты угол отсечки θ транзисторного автогенератора желательно выбирать так, чтобы токи и напряжения на переходах транзистора были по форме близки к си- нусоиде. Чем больше θ , тем лучше форма тока. Однако с приближением θ к 180° (мягкий колебательный режим) снижается стабильность амплитуды колебаний вследствие того, что колебательная характеристика и прямая обратной связи пересекаются под очень острым углом.

Рис. 7. Эквивалентные схемы автогенераторов

При уменьшении θ ток обогащается гармониками, что вызывает по- нижение стабильности генерируемой частоты. Однако работа с θ < 90° (жесткий колебательный режим) позволяет обеспечить меньшее тепловое рассеяние на выходном электроде транзистора (более высокий КПД) и бо- лее высокое значение входного сопротивления транзистора, что способст- вует повышению стабильности частоты автогенератора. Но мягкое само- возбуждение удобнее в эксплуатации, поскольку автоколебания возникают и самостоятельно устанавливаются при произвольных условиях в момент включения автогенератора. Компромиссное решение, при котором в мо- мент включения автогенератор начинает работать без отсечки (в режиме мягкого самовозбуждения) с последующим автоматическим переходом его в жесткий режим, предусматривает автоматическое изменение напряжения смещения по мере нарастания амплитуды колебаний АГ. При этом угол отсечки в установившемся режиме автоколебаний транзисторного автоге- нератора обычно выбирают равным 60°... 75°. Цепью автоматического смещения в схеме автогенератора служит RC-цепочка, установленная в цепи эмиттера, запирающее напряжение на которой создается постоянной составляющей тока эмиттера или базы (истока или затвора), например, R_см C_бл2 на рис. 6.
Для автогенераторов с возможно более высокой стабильностью час-
тоты и малой мощностью в нагрузке параметры конструкции катушки ин- дуктивности колебательной системы (контура) выбирают так, чтобы доб-

ротность нагруженного контура Q_н
была наибольшей. Обычно на частотах