Автогенераторы с параметрической стабилизацией частоты

АГ в радиопередатчиках являются первичными источниками колебаний, частота и амплитуда которых определяются только собственными параметрами схемы и должны в очень малой степени зависеть от внешних условий. В состав АГ обязательно входит активный элемент (транзистор) и колебательная система, определяющая частоту колебаний.

В многокаскадных передатчиках основные требования предъявляются к стабильности АГ. С этой целью АГ стараются защитить от внешних воздействий: температуры, вибраций, электромагнитных излучений, нестабильности источников питания и т.д.

Исходные данные для расчета: f ‑ рабочая частота, U_н ‑ напряжение на нагрузке, R_н ‑ сопротивление нагрузки.

Выбираем транзистор:

1) мощность в нагрузке

;

2) генерируемая транзистором мощность

,

где ‑ коэффициент полезного действия контура автогенератора. Для повышения стабильности частоты целесообразно выбирать =0,1‑0,3.

По заданной мощности P₁ выбираем транзистор с

.

При таком выборе при расчете можно не учитывать инерционность транзистора. Выпишем (определим по характеристикам) следующие параметры транзистора: , f_Т, U_{кэ доп},, r_нас, , Р_{к доп}.

Проводим энергетический расчет автогенератора;

1) граничная частота

.

Проверяем условие , при котором можно пренебречь инерционностью транзистора;

2) выбираем угол отсечки коллекторного тока в пределах 60‑90°. По таблицам или графикам находим величины , , [5];

3) напряжение источника питания

;

4) амплитуда переменного напряжения на коллекторе

;

5) остаточное напряжение на коллекторе

;

6) высота импульса коллекторного тока

;

7) постоянная составляющая коллекторного тока

;

8) первая гармоника коллекторного тока

;

9) сопротивление контура автогенератора на участке коллектор-эмиттер

;

10) подводимая к автогенератору мощность

;

11) мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

.

Переходим к энергетическому расчету цепи базы:

12) амплитуда напряжения возбуждения

.

Крутизна S транзистора вычисляется по формуле

,

где S₆ ‑ крутизна базового тока, определяемая по статическим характеристикам транзистора.

При отсутствии статических характеристик крутизну можно определить по формуле

,

где сопротивление эмиттерного перехода

,

причем ;

13) постоянная составляющая тока базы

;

14) напряжение смещения, обеспечивающее требуемый угол отсечки , для п‑р‑п транзисторов

,

а для р‑n‑р транзисторов

;

15) угол отсечки импульсов тока базы для п-р-п транзисторов

,

и для р‑п‑р транзисторов

;

16) входное сопротивление транзистора переменному току

;

17) мощность возбуждения

.

Расчет контура автогенератора. Расчет контура проведем для случая, когда автогенератор построен по схеме емкостной трехточки. Эквивалентная схема автогенератора приведена на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10

18) задаемся волновым сопротивлением контура в пределах

Ом или ;

19) индуктивность контура

;

20) емкость контура

,

причем ;

21) коэффициент обратной связи автогенератора

;

22) зададимся добротностью ненагруженного контура в пределах

Q_xx=50-200;

23) собственное сопротивление потерь контура

;

24) уточним значение с учетом потерь на возбуждение (в цепи базы)

;

25) добротность нагруженного контура

;

26) внесенное в контур сопротивление

;

27) полное сопротивление нагруженного контура

;

28) коэффициент включения контура в цепь коллектора

;

29) емкость конденсатора С₂

;

30) емкость конденсатора C₁

;

31) емкость конденсатора С₃

;

32) сопротивление потерь, внесенное в контур по цепи обратной связи

;

33) Сопротивление потерь, обусловленное подключением к контуру внешней нагрузки R_н

;

34) сопротивление связи с нагрузкой (сопротивление ветви контура, параллельно которой подключается нагрузка )

;

35) коэффициент включения нагрузки в контур

.

Расчет термокомпенсации частотной нестабильности контура автогенератора. Расчет термокомпенсации проводим в соответствии с методикой, изложенной в [17]. Согласно этой методики главным дестабилизирующим фактором является температурная нестабильность контура. Компенсация заключается в обеспечении равенства

,

где, , – соответственно температурные коэффициенты емкости (ТКЕ) и индуктивности (ТКИ) колебательного контура. Это равенство достигается включением в состав контура одного или нескольких конденсаторов с отрицательным ТКЕ;

36) задаемся значением ТКИ в пределах

.

Тогда ТКЕ емкости контура автогенератора должен быть равным

.

Так как контурная емкость С состоит из конденсаторов C_l, C₂, С₃, соединенных последовательно, их ТКЕ , и должны находиться в соотношении

.

При выборе ТКЕ конденсаторов, входящих в контур автогенератора, следует пользоваться табл. 6.2;

37) задаемся значениями и из табл. 6.2. (желательно пользоваться малыми значениями ТКЕ);

38) требуемое значение ТКЕ конденсатора С₃ находим по формуле

.

Если полученное значение отличается от стандартных значений ТКЕ, приведенных в табл. 6.2, емкость можно составить из двух (или более) конденсаторов с различными ТКЕ и соединенных параллельно, при этом справедливы следующие соотношения:

,

.

Комбинируя стандартными значениями и и величинами и , можно подобрать любое, требуемое для термокомпенсации, значение α₃.

Электрический расчет автогенератора. Вариант схемы автогенератора для случая Р_к>Р_н ( ) приведен на рисунке 6.11. В этой схеме для согласования с нагрузкой R_н емкость С₂ разделена на два последовательно соединенных конденсатора и причем нагрузка R_н подключена параллельно конденсатору .

Рисунок 6.11

39) емкость конденсатора

;

40) емкость конденсатора

;

41) сопротивление автоматического смещения

;

42) индуктивность блокировочного дросселя в цепи коллектора

;

43) средняя емкость подстроечного конденсатора

;

44) условие самовозбуждения

.

Таблица 6.2

Группы ТКЕ конденсаторов

Кварцевые автогенераторы

При проектировании кварцевого автогенератора необходимо решить следующие вопросы:

1) правильно выбрать исходные данные для расчета автогенератора, исходя из технического задания;

2) выбрать схему автогенератора;

3) выбрать транзистор в качестве активного элемента автогенератора и определить режим его работы;

4) выбрать конкретный тип кварцевого резонатора;

5) произвести расчет всех элементов автогенератора;

6) определить энергетические показатели автогенератора.

Исходные данные для расчета кварцевого автогенератора. Так как основное назначение кварцевого автогенератора – быть первичным источником колебаний стабильной частоты, то к энергетическим показателям его не предъявляют высоких требований. Чаще всего мощность автогенератора составляет 1‑10 мВт, коэффициент полезного действия (5‑10%), выходное напряжение от 50 мВ до 1 В. Как правило, эти величины не задаются, а становятся известными лишь в конце расчета автогенератора.

Исходными же величинами для расчета являются:

1) рабочая частота автогенератора – f;

2) допустимая нестабильность частоты – ;

3) диапазон рабочих температур.

Выбор схемы автогенератора. Существует много разновидностей схем кварцевых автогенераторов. В настоящее время чаще всего применяются два вида:

I) схемы, получающиеся путем замены кварцевым резонатором одной из индуктивностей в трехточечной схеме, так называемые осцилляторные схемы. В этих автогенераторах колебания устанавливаются на такой частоте, при которой сопротивление резонатора является индуктивным;

II) схемы, в которых кварцевый резонатор включается как последовательный элемент цепи обратной связи. Здесь колебания возбуждаются на такой частоте, при которой сопротивление резонатора минимально или близко к нему. Такие схемы наиболее эффективны при использовании малоактивных кварцев.

Чаще применяются осцилляторные схемы кварцевых автогенераторов. Во-первых, кварцевый резонатор может иметь индуктивное сопротивление только в том случае, если он исправен и кварцевая пластина в нем колеблется. В противном случае, а также в случае отсутствия в схеме кварцевого резонатора автоколебания невозможны. Во-вторых, в этом случае обеспечивается более высокая стабильность частоты автогенератора.

Из осцилляторных схем, в свою очередь, наибольшее распространение имеют автогенераторы, построенные по схеме емкостной трехточки, в которых кварцевый резонатор включен между коллектором и базой транзистора. Эта схема выделяется из осцилляторных схем следующими тремя преимуществами:

1) схема имеет меньшую склонность к паразитной генерации на частотах выше рабочей;

2) схема может быть построена без катушек индуктивности, что особенно важно при микросхемном исполнении;

3) частоту автогенератора можно менять в достаточно широком диапазоне путем смены только кварцевого резонатора.

Выбор транзистора автогенератора. Так как мощность автогенератора не превышает нескольких десятков милливатт, то транзистор может быть выбран из широкого класса маломощных германиевых и кремниевых транзисторов; определяющими факторами при выборе выступают рабочая частота автогенератора и диапазон рабочих температур.

В автогенераторе следует применять транзистор с граничной частотой много большей рабочей частоты, т.е. . В этом случае можно не учитывать инерционные свойства транзистора, благодаря чему упрощается расчет автогенератора, но, главное - уменьшается нестабильность частоты, связанная с нестабильностью фазового угла крутизны.

При выборе режима работы транзистора следует исходить из основного требования к автогенератору - обеспечение стабильности частоты. Рабочий ток транзистора должен быть достаточно большим, так как в этом случае будет меньше сказываться неуправляемый ток коллектора. Кроме того, при увеличении тока коллектора несколько увеличивается крутизна транзистора, что облегчает условия самовозбуждения. Но с другой стороны, увеличение тока приводит к разогреву транзистора, что приводит к увеличению нестабильности частоты.

Аналогично, с возрастанием напряжения на коллекторе уменьшается барьерная емкость коллектора и ее влияние на стабильность частоты, но увеличивается нагрев транзистора.

Как показывает практика, оптимальными являются значения

, .

Уточнить эти величины можно будет только экспериментально.

Выбор кварцевого резонатора. Основными факторами при выборе кварцевого резонатора являются рабочая часть и требуемая стабильность частоты. Кварц можно изготовить на частоты до сотен мегагерц. Однако с ростом частоты уменьшается толщина кварцевой пластины резонатора и уже на частоте 25 мГц она составляет порядка 0,1 мм, что приводит к уменьшению механической прочности резонатора и его удорожанию. Поэтому предпочтительнее использовать в автогенераторах кварцы с частотами до 10 МГц; если же нужно получить более высокую частоту, то следует применять последующее умножение частоты или строить автогенератор, в котором кварц возбуждается на нечетной механической гармонике.

При оптимально выбранных элементах схемы автогенератора, его стабильность в основном определяется температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) кварца. Поэтому следует выбирать такой кварц, который в заданном температурном интервале обладает минимальным ТКЧ. Если при этом заданная стабильность частоты не обеспечивается, то необходимо термостатировать кварц. При этом нужно выбрать кварц, у которого температура нулевого ТКЧ выше верхней рабочей температуры автогенератора, так как при этом облегчается поддержание необходимой температуры в термостате. Иногда в термостат помещается весь автогенератор.

Методика расчета автогенератора изложена в [15]. Будем рассматривать автогенератор, построенный по схеме, изображенной на рисунке 6.12.

Автогенератор представляет емкостную трехточку, которая образована транзистором VT_l, кварцевым резонатором ZQ_l, выполняющем роль индуктивности, и конденсаторами С₂ и С₃. Резисторы R₁, R₂, R₃ обеспечивают внешнее и автоматическое смещение для транзистора. Конденсатор C_l служит для блокировки резистора R₃ на рабочей частоте, что исключает отрицательную обратную связь. Дроссель L_к включен для того, чтобы не зашунтировать трехточку через источник питания Е_к. Необходимость в дросселе L₆ возникает тогда, когда эквивалентное сопротивление делителя мало и может зашунтировать конденсатор С₂.

Эквивалентные схемы автогенератора для постоянного тока и тока рабочей частоты приведены на рисунке 6.12, рисунке 6.13а. и рисунке 6.13б.

Рисунок 6.12

а) б)

Рисунок 6.13

Расчет по постоянному току:

1) выбираем транзистор с ;

2) задаем мА, В, В,

откуда , ;

3) определяем ток базы ;

4) задаем ток делителя ;

откуда определяем ;

5) определяем для германиевого и кремниевого транзисторов соответственно, откуда находим

, .

Расчет по переменному току:

1) определяем крутизну транзистора

,

где ‑высокочастотное сопротивление базы, - сопротивление эмиттерного перехода. Ом;

2) задаем коэффициент регенерации и определяем

;

3) задаем отношение и вычисляем,

,

откуда , ;

4) емкость блокировочного конденсатора определим из условия

;

5) дроссель рассчитаем по формуле

,

его можно заменить резистором , но при этом необходимо увеличить напряжение питания на и произвести перерасчет делителя R_l; R₂;

6) дроссель L₆ необходим, если не выполняется условие

.

Его индуктивность определяется из условия

.

Энергетический расчет автогенератора:

1) определяем коэффициент и через него коэффициенты α_l, α₀ для стационарного режима [5];

2) вычисляем амплитуду импульса коллекторного тока

;

3) определяем амплитуду первой гармоники коллекторного тока

;

4) рассчитываем амплитуду напряжения на базе

;

5) вычисляем модуль коэффициента обратной связи

;

6) находим амплитуду напряжения на коллекторе

(условие недонапряженного режима);

7) определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью

;

8) мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором

;

9) мощность, рассеиваемая транзистором

;

10) оцениваем величину допустимого сопротивления нагрузки

,

из условия, что будет потреблять мощность Р_н=0,1Р_кв.