Лекция 19 (лекции по УГФС), страница 2

Очевидно, если в (19.4) вместо K мы подставим K₀, удовлетворяющее (19.6), то вместо равенства получим неравенство

K₀β > 1, (19.7)

которое можно также записать в виде

β > 1/K₀ = β_КРИТ, (19.8)

где β_КРИТ – критическое (минимально допустимое) значение коэффициента передачи пассивного четырёхполюсника.

Соотношение (19.7) является условием самовозбуждения АГ. Соотношение (19.8) является другой формой записи условия самовозбуждения АГ.

Величина G = K₀β в теории АГ называется фактором генерации и в схемах ламповых и транзисторных АГ обычно принимается

G = 2…3. (19.9)

Такая величина фактора генерации создаёт необходимый запас в условии самовозбуждения АГ при изменении питающих напряжений и параметров генераторного прибора.

Так как фазы коэффициентов передачи φ_K и φ_β связаны с частотой сигнала АГ, то условие баланса фаз (19.5) может использоваться для определения частоты автоколебаний в схеме АГ.

А мплитуда колебаний АГ в установившемся режиме может быть найдена из условия баланса амплитуд. Для этого необходимо построить зависимость величины коэффициента передачи по напряжению генераторного прибора от величины входного напряжения, то есть зависимость K(U₁) (рис.19.3). В установившемся режиме должно выполняться соотношение
K(U₁) = 1/β, вытекающее из баланса амплитуд (19.4). Поэтому в установившемся режиме амплитуда U_{1 УСТ} определяется как точка пересечения кривой K(U₁) и горизонтальной прямой 1/β (рис.19.3). Амплитуда выходного напряжения АГ в установившемся режиме

U_{2 УСТ} = U_{1 УСТ} /β.

Одноконтурные АГ

Электрическая цепь, присоединяемая к АЭ АГ: лампе или транзистору, носит название колебательной системы АГ. Колебательная система одноконтурного АГ представляет одиночный параллельный колебательный контур, составленный из элементов с сосредоточенными параметрами. Характерной особенностью одноконтурных АГ является то, что при заданных параметрах элементов схемы они имеют одну частоту генерации, практически совпадающую с резонансной частотой контура.

Рассматриваемые ниже схемы одноконтурных АГ отличаются друг от друга построением цепи обратной связи, по которой колебания из выходной цепи АЭ подаются в его входную цепь.

Одноконтурные ламповые АГ

Д ля облегчения самовозбуждения лампового АГ, как правило, используется сеточное автосмещение, так что в начальный момент возникновения колебаний рабочая точка лампы находится на участке статических характеристик анодного тока с практически максимальной крутизной. Иногда применяется комбинированное автосмещение: часть напряжения смещения создаётся за счёт сопротивления в цепи катода (катодное автосмещение), а часть – за счёт сопротивления в цепи сетки (сеточное автосмещение). Применение комбинированного автосмещения позволяет облегчить режим работы лампы по анодной цепи, что особенно важно в мощных АГ, так как за счёт анодного тока всегда имеется отрицательное смещение, уменьшающее мощность, рассеиваемую на аноде в начальный период, когда потребляемая от источника анодного питания мощность велика, а создаваемая колебательная мощность мала, так как процесс нарастания и установления амплитуды колебаний не завершился. На рис.19.4 показано перемещение рабочей точки лампы АГ с момента включения (t₀) при сеточном и катодном автосмещении. Применение сеточного автосмещения способствует стабилизации режима работы лампы по напряжённости, как в ГВВ: увеличение напряжённости режима работы увеличивает сеточный ток, что, в свою очередь, увеличивает отрицательное напряжение смещения, а это приводит к уменьшению напряжённости режима.

Рассмотрим основное уравнение АГ, баланс амплитуд, баланс фаз и условие самовозбуждения применительно к ламповому АГ.

Очевидно, оптимальным по напряжённости режимом работы лампы в АГ, как и в ГВВ, можно считать критический режим, так как напряжённость режима лампы зависит от напряжений на её электродах и неважно, подаются эти напряжения извне или создаются в схеме самого генератора. Полагая в общем случае амплитуды гармонических напряжений, действующих на электродах лампы в АГ, комплексными, статическую крутизну анодного тока и сопротивление нагрузки лампы также комплексными, при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ анодного тока для недонапряжённого вплоть до критического режима лампы можно записать аналогичное ГВВ выражение:

(19.10)

из которого, учитывая, что в обозначениях схемы (рис.19.2) , находим:

(19.11)

где - средняя крутизна (по первой гармонике) анодного тока; – сопротивление колебательной системы (контура) АГ относительно электродов (точек) анод – катод лампы.

Выражение (19.11) определяет комплексный коэффициент усиления по напряжению лампового генератора.

Отношение комплексных амплитуд напряжений в ламповом АГ носит название коэффициента обратной связи, который обозначим . Учитывая соответствие гармонических напряжений на электродах лампы АГ и плечах единой эквивалентной схемы АГ (рис.19.2), заключаем, что , то есть коэффициент обратной связи лампового АГ равен коэффициенту передачи по напряжению пассивного четырёхполюсника в схеме (рис.19.2). Соответственно основное уравнение АГ (19.3) применительно к ламповому АГ можно записать в виде:

или

(19.12)

Обратим внимание, что последнее выражение (19.12) можно сразу написать на основании (19.10), поделив левую и правую части (19.10) на и учтя, что . Мы это не сделали сразу специально, чтобы показать единство получаемых результатов при несколько разных подходах к вопросу. Попутно мы получили выражение для коэффициента усиления по напряжению лампового генератора в общем случае комплексной нагрузки и комплексной крутизны анодного тока, которое несомненно полезно для внимательного и вдумчивого читателя.⁶

Выражение (19.12) является основным уравнением лампового АГ.

Учитывая, что

,

,

а

,

уравнение лампового АГ можно записать в виде

,

из которого вытекает условие баланса амплитуд

S_CPZ_oe (k – D) =1 (19.13)

и условие баланса фаз

(19.14)

Так как S_CP = Sγ₁(θ) < S, а Z_oe ≤ R_oe, то подставляя в (19.13) S вместо S_CP и R_oe вместо Z_oe, получаем неравенство

SR_oe(k – D) > 1, (19.15)

которое является условием самовозбуждения лампового АГ.

Так как частота автоколебаний практически будет совпадать с резонансной частотой контура, то, принимая в условии баланса амплитуд (19.13) Z_oe = R_oe, можно записать его в виде

Sγ₁(θ)R_oe(k – D) =1. (19.16)

Учитывая, что в данном случае фактор генерации (19.9)

G = SR_oe(k – D) = 2…3,

из выражения (19.16) следует, что в установившемся режиме АГ имеет место

γ₁(θ) = 1/G = 0,33…0,5,

что соответствует значениям нижнего угла отсечки анодного тока в установившемся режиме 60° ≤ θ ≤ 90°.

Таким образом, в практических схемах ламповых АГ при выборе фактора генерации в пределах (19.9), в установившемся режиме нижний угол отсечки анодного тока обычно не превышает 90°, как и в ГВВ. Поэтому при расчёте режима АГ нижний угол отсечки анодного тока обычно и выбирается в указанных пределах.

Рассмотрим классические схемы ламповых АГ, наиболее часто применяемые в радиотехнических устройствах.

а) Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Принципиальная схема такого АГ приведена на рис.19.5. Колебательная система АГ представляет одиночный параллельный колебательный контур, включенный по высокочастотному сигналу между анодом и катодом лампы, катушка индуктивности которого L_К индуктивно связана с катушкой L_C в сеточной цепи лампы, образуя с последней высокочастотный трансформатор. Данная схема родственна схеме ГВВ с общим катодом с трансформаторной связью с источником возбуждения (с последовательным питанием сетки) и является практической реализацией схемы рис.19.1,б.

Коэффициент обратной связи в схеме (рис.19.5), если не учитывать сеточный ток, равен

(19.17)

где - сопротивление активных потерь катушки контура L_K (на схеме не показано и обычно << ωL_K); - ток через катушку контура, практически равный контурному току при совпадении частоты автоколебаний с резонансной частотой контура.

Для плавного изменения коэффициента обратной связи катушка L_C (катушка обратной связи) обычно выполняется в виде подвижной катушки вариометра. Такая схема отличается наибольшей гибкостью в отношении подбора коэффициента обратной связи. Частота автоколебаний изменяется с помощью ёмкости конденсатора C_K.

Часто применяют схему АГ с трансформаторной обратной связью, в которой величина обратной связи регулируется изменением коэффициента включения контура (рис.19.6). Коэффициент обратной связи в такой схеме при пренебрежении сеточным током и потерями в катушке контура

(19.18)