rkvgener4 (558018), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

(4.25)

Здесь U' — напряжение приведения по базе.

Мощности:

потребляемая от источника питания и колебательная (выделяемая в коллекторной цепи)

(4.26)

рассеиваемая на коллекторе транзистора

(4.27)

Так как транзисторы АГ с КР работают с малым электронным КПД h_э = Р₁ /Р₀, можно считать Р_рас » Р₀, при этом должно вы­полняться условие (4.5).

Мощность в нагрузке АГ

где h_к - КПД контура.

Мощность Р₁ расходуется в однокаскадных АГ с КР:

(4.29)

т.е. передается в нагрузку — Р_н, рассеивается на КР — Р_кв, рас­ходуется в элементах контура — Р_к и на активном сопротивлении колебательной системы (см. рис. 3.4, 3.6) — Р_r.

Связь колебательного контура АГ с КР с нагрузкой выбирается слабой, что способствует уменьшению его нестабильности частоты, и КПД h_к = Р_н /Р₁ принимают равным менее 0,5, т.е. h_к < 0,5.

В тех случаях, когда КР в схеме АГ включен последовательно с элементами контура (см. рис. 3.2—3.4), мощность потерь на КР Р_кв будет гораздо больше, чем Р_к д и Р₁ » Р_н+Р_кв+Р_r. Расчеты таких схем упрощаются, если ввести коэффициент а = Р_н / (Р_кв + Р_r), свя­занный с h_к соотношением а =h_к /(1 - h_к). При повышенных тре­бованиях к стабильности частоты рекомендуется а £ 0,25, при этом h_к £ 0,2.

Напряжение смещения в одноконтурных АГ с КР обычно выпол­няется комбинированным (см. рис. 3.2—3.4): отпирающее напряжение U_нач, создаваемое на сопротивлении R₂ делителя R₁ , R₂, подклю­ченного к источнику коллекторного питания U_к и запирающих на­пряжений, создаваемых на сопротивлениях R_б за счет постоянной со­ставляющей базового тока I_б0 ⁼ I_к0 / h_21э и R_э — за счет постоянной составляющей эмиттерного тока I_э0 = I_к0 + I_б0. При расчете зна­чения сопротивления R_б ориентируются на соотношение, обеспечива­ющее уменьшение шунтирования этим сопротивлением ветви колеба­тельного контура между базой и эмиттером Х₂ (см. рис. 3.1, е):

(4.30)

При выборе сопротивления R_э следует помнить, что с ростом значения R_э увеличивается его стабилизирующее действие при из­менении режима транзистора АГ, но и возрастают потери на нем и напряжение смещения, что требует увеличения напряжения источ­ника коллекторного питания U_к. В качестве компромиссного реше­ния рекомендуют [9]

R_э =100 ...500 Ом. (4.31)

Обратим внимание на выбор емкости С_бл, включенной парал­лельно сопротивлению R_э Блокировочные функции этой емкостью осуществляются при условии wС_бл > 10 / R_э . Не следует задавать слишком большое превышение во избежание опасности возникнове­ния прерывистой автогенерации. Условием ее отсутствия будет wС_бл < Q / R , где Q — добротность колебательной системы АГ. Баланс напряжений во входной цепи транзистора запишем как

Отсюда начальное напряжение смещения

(4.32)

Здесь U_б0 — напряжение смещения, определенное при расчете ре­жима транзистора (4.24) или (4.25).

Зная U_нач и задавая ток через делитель I_д ³ 5 I_б0, находим

(4.33)

Заметим, что при I_д >>I_б0 уменьшается влияние базового тока на U_нач, однако брать 1_д большим невыгодно из-за увеличения расхода мощности источника питания на R₁ и R₂.

Напряжение источника питания

(4.34)

Задача расчета АГ с КР состоит в определении параметров ре­жима работы и схемы АГ, при которых одновременно удовлетворя­ются уравнения стационарного режима на выбранной механической гармонике КР (4.16), (4.17), требования отсутствия колебаний на низшей гармонике и паразитных колебаний (4.8), а также условие (4.1). Обычно число элементов схемы АГ, параметры которых необ­ходимо определить, превышает число уравнений, связывающих их. Поэтому некоторые параметры элементов колебательной системы АГ приходится выбирать, пользуясь соображениями, известными из общей теории АГ, конструктивных требований и прочее. Так, реко­мендуемыми значениями характеристического сопротивления контуpa r, ненагруженной добротности Q_нен (т.е. без подключения на­грузки R_н) будут:

(4.35)

Приведем методики расчета схем АГ с КР, работающих на ос­новной частоте КР или на его механических гармониках вплоть до частот 100 МГц. На этих частотах допустимыми являются расчет­ные соотношения, изложенные выше. Рассмотрим порядок расчета однокаскадных схем АГ с КР, построенных на принципе емкостной трехточки, показанных на рис. 3.2 - 3.4 и рис. 3.6, 3.9.

Исходные требования к АГ содержат частоту колебаний f и мощность в нагрузке Р_н. По этим требованиям выбирают схему АГ, затем типы КР и транзистора.

В основе расчета лежат методики, приведенные в [9, 14]. Систе­ма единиц, используемая при расчетах практическая (СИ). При расчетах можно пользоваться табл. 2.3, 4.1, 4.2.

4.2. Автогенератор с КР между коллектором и базой

Этот автогенератор (см. схемы на рис. 3.2 и 3.3) целесообразно применять в случаях, когда требуется обеспечить минимальную не­стабильность частоты от изменения параметров транзистора и КР. Ожидаемая мощность в нагрузке Р_н = (0,1... 0,3)Р_кв. Колебания возбуждаются на частоте f > f_кв, схема проста и отсутствуют коле­бания, обусловленные емкостью КР С₀. АГ можно использовать при возбуждении на основной частоте (n = 1) КР до f £ 30 МГц и на высших механических гармониках КР при f > 30 МГц. При возбуждении на f ³ 30 МГц нетрудно най­ти транзистор с частотой f_гр > 10 f и обеспечить его работу с малой инерционностью (W_в < 0,5) и слабым влиянием проводимостей транзистора (4.12), шунтирующих колебательную систему. Схема такого АГ приведена на рис. 3.2. При возбуждении АГ на частотах f >30 МГц в его схему добавляется катушка индуктивности, по­зволяющая обеспечить подавление колебаний на частоте f_нг, более низкой, чем рабочая (см. рис. 3.3).

Рассмотрим порядок расчета АГ, работающих на основной часто­те и на высших механических гармониках КР.

А. Автогенератор, работающий на основной частоте КР на без-ынерционном транзисторе (см. рис. 3.2).

Исходные данные: рабочая частота f, мощность в нагрузке Р_н может быть задана или определена дополнительно.

Согласно рекомендации (4.2) выбираем транзистор и выписываем его справочные параметры: тип транзистора (например, ГТ313А), f_гр, r_б, h_21э, U', U_кн (или U_кэдоп), U_эбдоп, P_расдоп. Далее приняв частоту КР f_кв = f, выбираем КР желательно с меньшим значением r_квС₀ и выписываем его справочные параметры: f_кв, r_вх, C₀, Q_кв, P_{к доп}. Вычисляем t₀ = 2pf_кв r_кв С₀.

Дополнительно задаем в соответствии с рекомендациями (4.1), (4.4), (4.7) мощность рассеяния на КР Р_кв, ток 1_км и напряжение U_к0, угол отсечки q и находим по табл. 4.2 значения коэффициен­тов a₀ (q), a₁ (q), g₁ (q).

Определяем значение коэффициента а=Р_н/Р_кв и проверяем выполнение условия: а < 0,25 (при этом h_к < 0,2). Невыполнение этого условия увеличит нестабильность частоты АГ. Для выполне­ния условия можно либо уменьшить Р_н, либо выбрать КР с другой Р_{к доп}.

Если мощность Рд не задана, то следует взять а < 0,25 и найти

возможное значение Р_н == а Р_кв . Если оно устраивает, то далее счи­тать Р_н заданной.

Расчет ведем в следующем порядке.

Аппроксимированные параметры транзистора (4.9):

Если W_s > 0,5, то следует увеличить f_s, уменьшив ток I_км, или выбрать транзистор с большей f_гр. Так как для безынерционного транзистора W_s < 0,5, то крутизна S — действительная величина и j_s = 0. Баланс фаз (4.17) при этом запишется как j_н + j_к = 0.

Параметры колебательной системы АГ.

Соотношение емкостей С₁ /С₂ = к

Значение к должно лежать в интервале 0,5...2. При выходе к из этого интервала следует задать другие значения 1_км, Р_кв, q. Сопротивление ветвей контура Х₁ и Х₂ (см. рис. 3.1, е}

Емкости контура

Частота колебаний.

Обобщенная расстройка частоты колебаний f относительно часто­ты последовательного резонанса КР f_кв (2.9):

Относительная разница между f и f_кв при условии, что f_кв и f близки, приближенно будет

При требовании высокой точности настройки на заданную частоту (например, 10 ^-6 ) надо выбрать КР, у которого частота f_кв =f - Df. Для точной настройки требуется хотя бы одну из емко­стей выполнить переменной, чтобы обеспечить ее вариации пример­но на ± 30% от выбранного значения.

Параметры режима транзистора.

Постоянная составляющая и первая гармоника'коллекторного тока:

Амплитуда напряжения возбуждения (4.23)

Коэффициент обратной связи:

модуль

фаза j_к = - arctg ( S₁ Х₂)² .

Амплитуда коллекторного напряжения

U_к1 =U_в1/К

Мощности:

колебательная Р₁ = 0,5 I_к1 U_к1 cos j_н

где ;

подводимая от источника питания P_к0 ⁼ I _к0 U _кО

рассеиваемая на транзисторе Р_рас = Р₀ - Р₁

(проверка условия Р_рас < Р _{рас доп}),

в нагрузке Р_н=Р₁ - Р_кз, должна быть равна заданной.

Постоянная составляющая тока базы и напряжение смещения на базе (4.24):

Параметры элементов цепи питания и смещения.

Выбираем значения сопротивлений R_,б R. и R_э из соотноше­ний (4.30), (4.31):

Напряжение источника коллекторного питания

.

Начальное напряжение смещения

Сопротивление делителя в цепи питания базы (4.33)

I_д ³ (3...5)I_б0

Мощность источника питания, КПД цепи коллектора и АГ:

Б. Автогенератор, работающий на механических гармониках КР, на инерционном транзисторе (см. рис. 3.3).

Исходные данные: мощность в нагрузке Р_н, рабочая частота f.

Выбираем транзистор, желательно ближе к условию (4.2) и вы­писываем его справочные параметры: тип транзистора (например, ГТ311А)f_гр., r_б, h_21э, U’, U_кн (или U_{ке доп}), U_{эб доп} , Р_{рас доп},.

Далее, приняв частоту КР f_кв = f, выбираем КР, желательно с мень­шим значением r_кв C₀ и выписываем его справочные данные:f_кв, r_кв, С₀, Q_кв , P_{к доп}. Вычисляем нормированную статическую ем­кость КР t₀= 2 pf_кв r_кв C₀ , которую целесообразно иметь менее 0,25.

Задаем в соответствии с рекомендациями (4.1), (4.4), (4.7) мощ­ность рассеяния на КР Р_кв, значения тока I_км, напряжения U_к0, угла отсечки q. Выписываем из табл. 4.2 коэффициенты a₀ (q),

a₁(q), g₁(q), g₁(p-q).

Определяем коэффициент a = Р _н /Р_кв и проверяем выполнение условия а < 0,25 (при этом h_к< 0,2 (см. п.А)).

Расчет ведем в следующем порядке:

Аппроксимированные параметры транзистора (4.9):

Параметры колебательной системы. Соотношение емкостей С_1э /С₂ = к :

С_1э — эквивалентная емкость контура L₁, С₁ на частоте f_кв:

Значение к должно лежать в интервале 0,5 < к < 2. При невы­полнении следует задать другие значения 1_км, Р_кв или q.

Емкости С_1э и С₀:

Сопротивление ветвей контура (см. рис. 3.1, е)

Индуктивность L₁ и емкость С₁ выбираются из условия отсут­ствия возбуждения на низших гармониках КР, т.е. чтобы на этих гармониках контур L₁, С₁ имел бы индуктивное сопротивление.

Этим условием будет:

,

где п, (п - 2) — номера рабочей гармоники и ближайшей низшей.

Для удобства обозначим w²_квL₁ C₁ = m.

Выбирая значение т и используя выражение для С_1э , находим

и

Если полученные значения С₁ и L₁ конструктивно реализовать затруднительно, то следует задать другое значение т. Частота колебаний. Обобщенная расстройка частоты колебаний f относительно f_кв (2.9):

Если частоты f и f_кв близки, то

где Df = f - f_кв.

Относительная расстройка

Если предъявляются жесткие требования к точности настройки на заданную частоту (например, 10^-6) надо выбрать КР, для ко­торого f_кв = f - Df. Для точной настройки требуется одну из емко­стей выполнить переменной, чтобы обеспечить ее изменения на ± 30% от начального значения.

Параметры режима работы транзистора.

Постоянная составляющая и первая гармоника коллекторного тока:

Амплитуда напряжения возбуждения (4.23)

Колебательная мощность

Амплитуда коллекторного напряжения

где .

Мощности, подведенная от источника питания и рассеиваемая:

Провести проверку: Pрас < P_{рас доп}

Постоянная составляющая тока базы и напряжение смещения (4.25):

Параметры элементов цепи питания и смещения.

Выбираем значения сопротивлений R_б и R_э из соотношений (4.30), (4.31):

R_б ³ (10... 20) Х₂ и R_э = 100...500 Ом.

Напряжение источника коллекторного питания

Начальное напряжение смещения

Сопротивление делителя в цепи питания базы (4.33)

где I_д ³ (3...5) I_б0.

Мощность источника питания, КПД цепи коллектора и АГ:

4.3. Автогенератор с КР в контуре

Этот АГ — наиболее стабильный из работающих на механиче­ских гармониках КР, но его мощность в нагрузке невелика: P_н » (0,1...0,3)Р_кв.

Схема АГ с КР в контуре приведена на рис. 3.4. АГ может воз­буждаться на основной частоте и на частотах механических гармо­ник КР. Подавление паразитных колебаний за счет емкости КР С₀ и колебаний низших гармоник КР обеспечивается выбором со­противления R шунтирующего КР. Лучшая стабильность частоты реализуется, если частота колебаний АГ f равна частоте последова­тельного резонанса КР на выбранной частоте механической гармо­ники f_кв, т.е. f = f_кв и расстройка n=0 (см. (2.9)).

При работе на механических гармониках КР в транзисторе АГ проявятся инерционрые явления и фаза крутизны j_s будет отлич­на от нуля, j_s¹0. В этом случае рекомендуется реализовать такой режим полного фазирования в АГ [9], когда фаза j_s и фаза j_к (см. (4.17)) компенсируют друг друга и фаза нагрузки j_н = 0:

j_к = -j_s и j_н = -(j_s+j_к) = 0

т.е. колебательный контур АГ будет настроен на частоту f _кв. Как показали исследования [15], в АГ на высокочастотных транзисто­рах удовлетворить условию полного самовозбуждения АГ не уда­ется, что следует иметь в виду при пользовании методикой расчета. При расчете режима транзистора, исходя из полного самофазирования, значение тока I_км следует найти из условия обеспечения определенной фазы j_s, которая зависит от тока I_км, и далее ис­пользовать его значение в расчетах. Значение тока I_км ограничива­ется допустимыми значениями Р_квдоп, Р_кмдоп, Р_расдоп. Если же самофазирования не удается достигнуть, то следует величину I_км задать согласно (4.4).

Расчет ведется в предположении, что проводимости транзистора не оказывают заметного влияния на колебательный контур (4.12) и все ветви контура будут реактивными (см. рис. 3.1, е):

Х₁ » -1/w_кв С₁; Х₂ » -1/w_квС₂; Х₃ » w_кв L₃ - 1|w_кв C₃. Кроме того, в АГ достигается полное самофазирование, f = f_кв . АГ ра­ботает на механических гармониках КР.

Исходные данные: мощность в нагрузке Р_н, рабочая частота f.

Выбираем транзистор, желательно удовлетворяющий условию (4.2), и выписываем его справочные параметры: f_гр, r_б, h_21э,U', U_кн (или U_кэдоп), 1 _{км доп}, P_расдоп, U_эбдоп.

Выбираем КР на частоту f_кв =f_с меньшим значением r_квС₀. Выписываем параметры КР:f_кв, r_кв, С₀, Q_кв, U_{кв доп}, t₀ = 2pf_кв С₀ r_кв. Дополнительно задаем в соответствии с (4.1), (4.4), (4.7) мощность Р_кв ' напряжение U_к0 , угол отсечки q. Нахо­дим из табл. 4.2 коэффициенты a₀(q), a₁(q), g₁(q), g₀(p-q).

Расчет ведем в следующем порядке.

Сопротивление резистора R. и коэффициент т

Мощность, рассеиваемая резистором:

Параметр а=Р_н/(Р_кв+Р_r).

Рекомендуется а £ 0,25 (при этом h_к £ 0,2). Если условие не вы­полняется, то надо уменьшить Р_н, иначе ухудшается стабильность частоты.

Максимальное значение импульса коллекторного тока

Здесь m = f_кв / f_гр, B=15r_б, D=2P_кв (1+m)²/r_кв a²₁(q).

Проверить: I_км £ I_кмдоп.

Аппроксимированные параметры транзистора:

Параметры колебательной системы (при условии самофазирования).

Сопротивление ветвей контура (см. рис. 3.1, е):

Емкости контура С₁ и C_2ф :

Сопротивление плеча контура между коллектором и базой Х₃. Предварительно рассчитываем эквивалентное реактивное сопро­тивление КР с учетом резистора R:

затем находим

Индуктивность L₃ и емкость С₃ выбираются из условия

Х₃ можно реализовать по-разному в зависимости от индуктивно­сти L₃. Чем больше L₃, тем меньше будет емкость С₃. Для оценки L₃ можно использовать характеристическое сопротивление r при­няв его значение 50...500 Ом. Тогда

Параметры режима работы транзистора.

Постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники кол­лекторного тока, постоянная составляющая тока базы:

Амплитуда напряжения возбуждения (4.23), модуль коэффици­ента обратной связи (при самофазировании):

Амплитуда коллекторного напряжения

Напряжение смещения на базе (4.25)

Мощности: потребляемая в цепи коллектора, колебательная и рассеиваемая транзистором

Проверка условия P _рас £ P _{рас доп}.

Параметры элементов цепи питания и смещения — см. разд. 4.2.Б.

4.4. Автогенератор с КР в цепи положительной обратной связи

Схема АГ показана на рис. 3.6. АГ построен по принципу емко­стной трехточки, а в цепь обратной связи включен делитель напря­жения из КР и резистора r_д . АГ работает при возбуждении КР как на основной частоте, так и на механических гармониках КР. Основное достоинство схемы АГ перед другими — возможность получения при фиксированном значении мощности Р_кв большей мощности в нагрузке Р_н » (1 ... 10) Р_кв . Это позволяет использовать транзистор с малой инерционностью, т.е. при W_s < 0,5 или f < 10f_гр (4.1). С учетом значений f_гр современных маломощных транзисторов АГ, в котором желательно получить большую мощ­ность Р_н целесообразно строить с возбуждением КР на основной частоте. При этом обычно частота колебаний АГ f и собственная частота коллекторного контура АГ f₀ равны или близки к частоте последовательного резонанса КР f_кв, т.е. f » f₀ » f_кв с воз-буждением КР на механических гармониках частота колебаний f равна или близка к частоте последовательного резонанса выбран ной гармоники f_кв (f = f_кв). Контур АГ настраивают на частоту, близкую к f_кв. Для частот более низких гармоник контур сильно расстроен и условия самовозбуждения для них не выполняются. Однако за счет статической емкости КР С₀ возможно возникнове­ние паразитных колебаний. Паразитные колебания тем легче воз­буждаются, чем больше С₀, поэтому желательно выбирать КР с ма­лым значением t₀=2pf_квC₀r_кв. На частоте последовательного резонанса КР f_кв полное сопротивление КР в последовательной схеме замещения Z_кв (см. рис. 2.8) имеет две составляющие:

и

Для уменьшения нестабильности частоты, вызываемой изменени­ем реактивных параметров контура, ненагруженная добротность коллекторного контура должна быть невысокой и сопротивление r_д небольшим, т.к. оно уменьшает добротность контура в цепи воз­буждения (r_д, Z_кв,С₂). Добротность Q_нен рекомендуется [9] Q_нен = 50... 100.

Для уменьшения нестабильности частоты желательно выбрать транзистор с малой инерционностью с f_гр > 10 f.

Рассмотрим порядок расчета АГ при работе на основной частоте и на механических гармониках КР при условиях работы транзисто­ра с малой инерционностью в недонапряженном режиме и при ма­лом влиянии проводимостей транзистора на колебательную систему АГ, расстройка которой n=0 (f = f _кв).

А. Автогенератор, работающий на основной частоте КР на безынерционном транзисторе.

Исходные данные: мощность в нагрузке Р_н частота колебания f.

С учетом условия f_гр > 10 f выбираем транзистор и выписываем его справочные параметры: f _гр, r_б, h_21э, U', S_гр, U_кн (или U_кэдоп), I_{км доп}, P_{рас доп}, U_{эб доп}.

Выбираем КР на частоту f_кв = f и выписываем его справочные па­раметры: f_кв, r_кв, С₀, Q_кв, P_квдоп. Определяем t₀ = 2p f_кв С₀ r_кв. Рекомендуется выбрать кварц с меньшим значе­нием т о. Дополнительно задаем в соответствии с рекомендациями (4.1), (4.4), (4.7) мощность рассеяния на КР Р _кв < Р_{к доп} , ток I_км, напряжение U_к0, угол отсечки q, ненагруженную добротность и КПД коллекторного контура Q_нен, h_к. Находим из табл. 4.2 значения коэффициентов a₀(q), a₁(q), g₁(q).

Расчеты ведем в следующем порядке.

Аппроксимированные параметры транзистора (4.9):

Если W_s >0,5, то следует увеличить f_s, уменьшив ток I_км, или выбрать транзистор с большей f_гр .

Так как для безынерционного транзистора W_s < 0,5, то крутизна S — действительная величина и j_s » 0.

Параметры режима работы транзистора.

Постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники кол­лекторного тока, постоянная составляющая тока базы:

Амплитуда напряжения возбуждения (4.23) и напряжение сме­щения на базе (4.24):

Сопротивление делителя

Мощности: рассеиваемые на сопротивлении делителя, в элемен­тах контура и колебательная

Мощности: подведенная к транзистору от источника питания и рассеиваемая на транзисторе

Проверка условия P _рас £ P _{рас доп}.

Амплитуда коллекторного напряжения

Амплитуда U_r1 в граничном режиме

Проверяем условие обеспечения недонапряженного режима:

Если это не выполняется, то надо внести коррективы в расчет — например, уменьшить I_км.

Резонансное сопротивление коллекторного контура

Параметры элементов колебательного контура.

Коэффициент к = С₁ /С₂.

Значение к должно быть в интервале 0,2...1. Задаем характеристическое сопротивление контура r в пределах 50...500 Ом и рассчитываем индуктивность L₃ и полную емкость контура С (1/C=1/C₁+1/C₂+1/C₃):

Сопротивление емкости С₁

где Q = Q_нен(1-h_к).

Емкости контура:

Сопротивление емкости С₂

Проверка выполнения условия отсутствия паразитных колебании:

Параметры элементов цепей питания и смещения (см. разд. 4.2.А). .

Б. Автогенератор, работающий на механических гармониках КР на инерционном транзисторе.

Исходные данные: мощность в нагрузке Р д, частота колебаний /.

Выбираем транзистор ближе к условию (4.2) и выписываем его справочные параметры: f _гр, r_б, h_21э, U', S_гр, U_кн (или U_кэдоп), I_{км доп}, P_{рас доп}, U_{эб доп}.

Характеристики

Список файлов курсовой работы