rkvgener3 (Курсовой проект по РПрдУ)

3. СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРОВ С КВАРЦЕВЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ

3.1. Классификация схем

Широкий диапазон частот, в котором используются автогенераторы с кварцевыми резонаторами (КР), разнообразие условий эксплуатации и требований, предъявляемых к ним, привели к появлению множества различных схем и разных их конструктивных решений. При проектировании автогенераторов (АГ) следует выбирать такую схему, которая наиболее удовлетворяет заданным требованиям к АГ, служащим критериями при выборе. Общие требования к кварцевым автогенераторам даны в гл. 1.

Схемы АГ с КР классифицируются по трем группам, которые различаются функцией КР в схеме и характером его полного сопротивления на частоте генерируемых колебаний: осцилляторные, с затягиванием и фильтровые [12].

Осцилляторные схемы относятся к трехточечным. В них КР с подстроечным элементом, если он подключен,: имеет реактивное сопротивление индуктивного характера ( Х_кв > 0 ). Короткое замыкание КР, выключение его из схемы или замена емкостью приводят к срыву колебаний, поскольку при этом не выполняется условие баланса фаз. Если подстроечным элементом служит емкость, частота генерации / расположена внутри интервала частот f_кв ... f₀ (см. рис. 2.11). При подключении индуктивности к КР генерируемая частота может выходить за пределы этого интервала (f<f_кв ). КР включается вместо индуктивного плеча контура АГ. Чаще всего используют схему АГ с включением КР между коллектором и базой транзистора. Она проста по устройству и имеет высокую стабильность частоты.

В схеме с затягиванием КР входит в колебательную систему АГ как вторичный контур, связанный с основным первичным контуром АГ, обеспечивающим выполнение условий самовозбуждения. Здесь генерация существует независимо от того, включен КР в схему или нет, так как условия самовозбуждения выполняются помимо него. Схемы с затягиванием применяются редко из-за противоречия между условиями наибольшей стабильности генерируемой частоты и условиями максимальной устойчивости генерации.

В фильтровых схемах КР подобен узкополосному фильтру, обычно включенному в цепь, соединяющую один из электродов транзистора с колебательным контуром, настроенным в резонанс на частоту, как правило, близкую к частоте последовательного резонанса КР f_кв , где КР имеет минимальное полное сопротивление (Z_кв » r_кв ). Известны схемы, в которых колебания возникают вблизи частоты максимального полного сопротивления КР f₀. Фильтровые схемы АГ с КР в цепи обратной связи могут быть одно-, двух- и трехтранзисторными.

При работе АГ на основной частоте КР генерируемая частота ограничена частотой примерно 20...30 МГц (иногда 50 МГц) ввиду уменьшения размеров кварцевых пьезоэлементов с ростом частоты (см. разд. 2.1). Применение умножения частоты усложняет устройства и ухудшает спектральную чистоту выходных колебаний, увеличивает габаритные размеры и энергопотребление. Получение частот выше 30 МГц без умножения частоты возможно в АГ с возбуждением КР на механических гармониках.

В осцилляторных схемах возбуждения на высоких механических гармониках (выше пятой, п > 5) ограничена вредным влиянием статической емкости КР С₀ и паразитных емкостей (междуэлектродных и монтажных), шунтирующих КР.

В фильтровых схемах можно получить колебания на высоких механических гармониках КР (п > 5), если уменьшить шунтирующее влияние емкости КР С₀.

Шунтирующее влияние статической емкости КР C₀ можно устранить двумя путями:

- нейтрализацией емкости C₀ при помощи сбалансированного моста, когда КР и нейтродинную емкость С_н включают в плечи моста так, что равные по величине и противофазные емкостные токи уравновешивают друг друга в нагрузке, С_н=С₀ ;

- компенсацией емкости cq подключением параллельно КР индуктивности L, образующей с С₀ параллельный контур, настроенный на выбранную механическую гармонику КР, при этом w_квL=1/w_квС_0.

В осцилляторных схемах применение этих способов проблематично. .

В фильтровых схемах более целесообразным является путь компенсация емкости cq, так как схема с нейтрализацией емкости С₀ весьма критична к режиму работы и сложна в регулировке. Фильтровую схему АГ с компенсацией влияния емкости С₀ можно применять вплоть до частот 300...400 .МГц [10].

Схемы автогенераторов с КР бывают однокаскадные и многокаскадные. В диапазоне частот 1...100 МГц наибольшее применение получили однокаскадные АГ, которые чаще всего строят по схемам, эквивалентным емкостной трехточке как более надежной и стабильной, чем индуктивная [8]. Многокаскадные АГ содержат два и более транзистора, а КР включают в цепь обратной связи. На рис. 3.1 приведены эквивалентные схемы однокаскадных АГ с КР, которые являются характерными для применения в АГ, построенных по схеме емкостной трехточки. В схемах (а), (б) и (в) КР соединен последовательно с элементами контура, а в схемах (г) и (д) он включен в цепь обратной связи. Схемы (а) и (б) - осцилляторные, в них КР является эталонным контуром, имеющим сопротивление индуктивного характера, поэтому самовозбуждение за счет емкости КР С₀ паразитных колебаний принципиально невозможно.

Рис. 3.1

Схемы (в), (г), (д) — фильтровые трехточечные. Частота колебаний в них близка или равна частоте последовательного резонанса f_кв и КР может иметь как небольшое активное, так и индуктивное, и емкостное сопротивления. В этих схемах принципиально могут возбудиться паразитные колебания на частотах f_пк за счет емкости С₀, а также на частотах f_нг механических гармоник более низких, чем выбранная, если КР работает на механических гармониках.

Для их подавления в схеме (в) КР шунтируют сопротивлением R, а в схемах (г) и (д) компенсируют индуктивностью или соответствующим образом выбирают параметры колебательного контура.

Мощность в нагрузке АГ Р_н , которую можно получить в каждой из схем, оценивается как [15]:

Р_н = (0,1 ...0,3) Р_кв для схем (а), (б), (в);

Р_н = (1...10)Р_кв для схем (г); (3.1)

Р_н = (1... 5) Р_кв для схем (д).

Здесь Р_кв - мощность, рассеиваемая на КР.

В автогенераторе по схеме (а) возможна генерация на основной частоте (n = 1) КР, а в схемах (б)-(д) как на основной частоте, так и на механических гармониках КР (n > 1).

Наименьшая нестабильность частоты получается, если КР работает на частоте последовательного резонанса КР f_кв .

Температурная нестабильность частоты в основном определяется КР и во всех схемах примерно одинакова.

Нестабильность частоты за счет изменения питающих напряжений, параметров элементов контура и параметров транзистора наименьшая в АГ по схеме (а), несколько выше по схеме (в) и в несколько раз больше в схемах (г) и (д).

На рис. 3.2...3.4 и рис. 3.6, 3.9 приведены примеры схем транзисторных автогенераторов с КР, наиболее часто встречающихся в практике проектирования различного вида радиоустройств. Заметим, что целесообразность заземления по высокой частоте того или иного электрода транзистора определяется конструкцией транзистора или другими причинами сугубо практического характера.

3.2. Осциляяторные схемы

Автогенератор с КР между коллектором и базой по схеме рис. 3.2 самый простой, надежный и стабильный. Однако в нем возможна генерация только на основной частоте КР (n = 1) и f_кв £ 30МГц,

а мощность в нагрузке Р_н невелика (3.1). Эквивалентная схема АГ дана на рис. 3.1,а.

В схеме по высокой частоте заземлен эмиттер транзистора. Колебательная система состоит из КР и емкостей С₁ и С₂. Генерирование возможно, если КР имеет сопротивление индуктивного харак тера (X >0), поэтому частота колебаний АГ f выше частоты последовательного резонанса КР f_кв (f > f_кв).

Условие Х_кв >0 исключает возможность возбуждения паразитных колебаний за счет статической емкости КР С₀. Схема не содержит катушек индуктивности, что удобно для гибридного варианта конструкции. Из-за слабого влияния емкостей С₁ и С₂ на частоту колебаний не удается ее корректировка, особенно на низких частотах, когда емкости имеют большие номиналы и выполнить их переменными затруднительно.

Нагрузка R_н связана с колебательной системой емкостью С_св. Схема АГ имеет источник питания U_к , напряжение от которого подается в цепь коллектора через блокировочное сопротивление R. Начальное отпирающее напряжение смещения U_нач подается с помощью резистора R₂ делителя R₁, R₂, подключенного к источнику U_к. Для создания автосмещения, обеспечивающего запирающее напряжение смещения, включены сопротивления в цепи базы R_б и эмиттера R_э. Блокировочные емкости: C_бл1 шунтирует по переменному току R_э, а емкость C_бл2 - источник U_к . Цепь автосмещения R_э, С_бл1 улучшает термостабильность режима транзистора.

Схема АГ с КР между коллектором и базой на рис. 3.3 отличается от схемы на рис. 3.2 наличием колебательного контура L₁,C₁ (см. рис. 3.1, а, б). АГ работает надежно на частотах, для которых нормированная статическая емкость КР t₀ = w_квС₀r_кв £ 0,25 (w_кв = 2pf_кв), его сопротивление в последовательной схеме замещения носит индуктивный характер. АГ возбуждается на механических гармониках КР и работает до f_кв == 100 МГц. Схема на рис. 3.3 обеспечивает возбуждение КР на его механических гармониках, если параметры контура L₁, С₁ выполнить так, чтобы на частотах более низких гармоник, чем выбранная, его сопротивление было индуктивным и условия самовозбуждения для них не выполнялись.

В схеме на рис. 3.3 по высокой частоте заземлен эмиттер транзистора. Напряжение от источника питания в цепь коллектора подается через индуктивность L₁. Назначение остальных элементов такое же, что и в схеме на рис. 3.2.

Отметим, что в рассмотренных схемах АГ на его работу и стабильность большое влияние оказывает соотношением емкостей С₁ и С₂. При слишком малых и при чрезмерно больших значениях емкостей

С₁, С₂ нестабильность частоты возрастает. Рекомендуется, чтобы частота генерации отстояла от/ не более чем на четверть резонансного промежутка f_кв ... f₀ [10].

3.3. Фильтровые схемы

На рис. 3.4 приведена схема АГ с КР в контуре. Возбуждение колебаний АГ может быть как на основной частоте КР, так и на его механических гармониках. Лучшая стабильность частоты АГ будет при работе на частоте последовательного резонанса КР на выбранной механической гармонике. Колебательная система АГ состоит из КР, емкостей С₁, С₂, индуктивности L₃ и подстроечного конденсатора С₃ включение которого облегчает настройку контура, а также способствует подавлению нежелательных колебаний (см. рис. 3.1, в). В АГ возможно возбуждение паразитных колебаний за счет статической емкости КР С₀. Частота паразитных колебаний близка к собственной частоте коллекторного контура из L₃, С₃, С₁, С₂, С₀ (рис. 3.5). С повышением частоты паразитных колебаний усугубляются инерционные свойства транзистора, что облегчает их подавление. Нарушить условия самовозбуждения паразитных колебаний можно включением резистора R параллельно емкости С₀ (рис. 3.5, пунктир).

За счет R увеличиваются потери в контуре. С помощью R удается также подавить колебания на частотах более низких гармоник, чем выбранная. Выбор сопротивления ведется по соотношению . В схеме АГ по высокой частоте заземлен коллектор

транзистора. Источник питания U_к обеспечивает подачу напряжения в коллекторную цепь и питает делитель R₁, R₂. Начальное отпирающее напряжение смещения U_нач снимается с R₂, а запирающее обеспечивается автосмещением в цепи базы и эмиттера с помощью резисторов R_б и R_э. Элементы С_бл1, С_бл2, L_бл - блокировочные элементы. L_бл предотвращает заземление эмиттера по высокой частоте.

Связь с нагрузкой R_н - емкостная (С_св).

Схема АГ с КР в цепи положительной обратной связи показана на рис. 3.6. АГ построен по принципу емкостной трехточки, а в цепь обратной связи включен делитель напряжения, состоящий из КР и резистора r (см. рис. 3.1, г). Нередко в схемах в качестве r_д используется входное сопротивление транзистора. АГ применяют как при возбуждении КР на основной частоте, так и на его механических гармониках. Частота колебаний АГ f равна (или близка) к частоте последовательного резонанса выбранной гармоники КР f_кв.

Основным достоинством АГ является возможность получения мощности в нагрузке Р_н значительно больше (3.1), чем в других схемах (см. рис. 3.1, а, б, в, д). Это объясняется тем, что КР включен в цепь базы, т.е. вне контура, где ток существенно больше, чем в базовой цепи. Однако нестабильность частоты АГ тоже больше, чем в схемах на рис. 3.1, а, б, в [9].

В схеме на рис. 3.6 по высокой частоте заземлен эмиттер. Коллекторный контур составлен из емкостей С₁,С₂, С₃ и индуктивности L₃. Включение емкости С₃ последовательно с L₃ облегчает конструктивную реализацию элементов контура и его настройку, а также подавление низших гармоник. Контур настроен на частоту выбранной механической гармоники КР. Для частот низших гармоник он сильно расстроен и условия самовозбуждения для них не выполняются. Базовый контур составлен из емкости С₁ полного сопротивления КР при последовательном резонансе Z_кв и резистора r_д . Частоту колебаний определяет базовый контур, имеющий большую добротность благодаря КР.

В АГ возможно генерирование паразитных колебаний за счет емкости КР С₀. На рис. 3.7 видно, что АГ при этих колебаниях является также двухконтурным с частотой, близкой к собственной частоте коллекторного контура f₀ как более высокодобротного, чем базовый, где включен резистор r_д. Возбуждение паразитных колебаний тем легче, чем больше С₀, поэтому желательно, чтобы КР имел небольшую емкость или малое значение t₀=w_квС₀ r_кв. Для подавления паразитных колебаний за счет cq можно использовать схему ее нейтрализации (рис. 3.8) или компенсации С₀ индуктивностью, параллельно включенной КР.