Лекция 20

Необходимость компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока в транзисторных АГ. Транзисторные АГ с компенсацией фазы средней крутизны коллекторного тока. Транзисторный АГ с параллельным колебательным контуром между коллектором и базой.

В транзисторных АГ, как отмечалось в предыдущей лекции, на высоких частотах нельзя не считаться с фазой средней крутизны коллекторного тока. Причины этому следующие.

В установившемся режиме любого АГ выполняется условие баланса фаз, которое в общем имеет одинаковый вид для лампового и транзисторного АГ (19.14) и которое, если пренебречь проницаемостью в транзисторе (параметр D = 0), применительно к транзисторному АГ можно записать в виде:

(20.1)

где – фаза средней крутизны коллекторного тока; – фаза нагрузки в коллекторной цепи транзистора (фаза эквивалентного сопротивления электрической цепи, подключаемой между коллектором и эмиттером транзистора); – фаза коэффициента обратной связи АГ.

При реализации транзисторного АГ по любой из рассмотренных схем коэффициент обратной связи АГ оказывается практически вещественной величиной. Следовательно фаза его = 0. Условие баланса фаз (20.1) в этом случае принимает вид:

(20.2)

Так как на частоте, даже значительно ниже предельной рабочей частоты транзистора,¹ фаза средней крутизны коллекторного тока становится уже заметной, то, согласно условию (20.2), на частоте автоколебаний будет иметь место

,

то есть контур оказывается расстроенным относительно частоты автоколебаний.

Работать на расстроенный контур энергетически невыгодно.² Колебательная мощность, отдаваемая транзистором, резко уменьшается:

.

Так как приближается с повышением частоты до –90° и может даже превысить эту величину, то по мере приближения к +90° колебательная мощность падает до нуля, а если превысит –90°, то баланс фаз (20.2) в принципе не может быть выполнен, так как предельное значение для одиночного параллельного колебательного контура равно +90°. Очевидно, амплитуда автоколебаний при больших значениях не может быть стабильной. Кроме резкого ухудшения энергетических показателей АГ с возрастанием сильно ухудшается стабильность частоты автоколебаний, так как она становится существенно зависящей и от контура, и от крутизны коллекторного тока, которая не является стабильным параметром и существенно зависит от режима. Всё это резко снижает диапазон рабочих частот транзистора в схемах АГ.

Чтобы избавиться от указанного недостатка, в транзисторных АГ применяют компенсацию фазы средней крутизны коллекторного тока фазой коэффициента обратной связи, то есть добиваются, чтобы выполнялось условие

(20.3)

Тогда для выполнения условия баланса фаз (20.1) потребуется = 0.

Компенсацию фазы средней крутизны коллекторного тока можно осуществить в АГ на основе ёмкостной или индуктивной трёхточки. Ёмкостная трёхточка для такой цели представляется более удобной.

Чтобы выполнить условие (20.3), в трёхточечной схеме АГ базу транзистора присоединяют к контуру через фазокомпенсирующую реактивность х_Ф. Пока < –π/2, то есть
< –90°, в качестве такой реактивности должна быть ёмкость.

Обобщённая схема транзисторного АГ с фазокомпенсирующей реактивностью показана на рис.20.1.

Для анализа схемы АГ (рис.20.1) воспользуемся электрической цепью рис.20.2, состоящей из линейных элементов х₁, х₂, х₃, х_Ф и входного сопротивления транзистора . Если обозначить для первой гармоники коллекторного тока I_К1 сопротивление всей цепи (рис.20.2) как , то комплексная амплитуда выходного напряжения

.

Для входного напряжения получаем

Соответственно коэффициент обратной связи

(20.4)

Если принять х_Ф = 0, а = ∞ , то (20.4) переходит в известное нам из предыдущей лекции выражение (19.24)

(20.5)

Представляя входное сопротивление транзистора как параллельное соединение активного сопротивления R_ВХ и ёмкостного сопротивления входной ёмкости С_ВХ, получаем, соответственно:

(20.6)

(20.7)

Если принять то

(20.8)

Очевидно, чем больше сопротивление фазокомпенсирующей реактивности, тем меньше величина коэффициента обратной связи и тем сильнее влияние этой реактивности на фазу коэффициента обратной связи. Для обеспечения необходимого уровня сигнала на входе транзистора потребуется увеличивать коэффициент включения контура из сопротивлений х₁, х₂, х₃ со стороны базы.

Зная параметры трёхточечной схемы АГ, используя приведенные выше соотношения можно определить требуемую величину фазокомпенсирующей реактивности х_Ф.

Для большей наглядности идею компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока в транзисторном АГ далее мы рассмотрим с помощью векторных диаграмм.

Н
а рис.20.3 представлены соответственно схема транзисторного АГ на основе ёмкостной трёхточки с добавлением фазокомпенсирующей ёмкости С_Ф и векторная диаграмма для неё, поясняющая идею компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока в рассматриваемой схеме.

При построении векторной диаграммы за опорный принят вектор выходного напряжения . Через ёмкость С₂, полагая её без потерь, протекает ток I_C2, опережающий по фазе напряжение на 90°. Левая ветвь цепи носит индуктивный характер, соответственно ток через неё I_L отстаёт по фазе от напряжения . Ток индуктивной ветви I_L создаёт падение напряжения на цепи, образованной соединением С₁, С_Ф, С_ВХ, R_ВХ, которое обозначено U_C1. Это напряжение в силу ёмкостного характера сопротивления цепи отстаёт по фазе от тока I_L. Ток I_СФ через фазокомпенсирующую ёмкость С_Ф, соответственно и через входное сопротивление, опережает по фазе напряжение U_C1. Создаваемое этим током напряжение U_{М ВХ} на входном сопротивлении отстаёт по фазе от тока и, очевидно, находится в противофазе с обозначенным на схеме напряжением . Последнее напряжение обусловливает коллекторный ток, амплитуда первой гармоники которого

.

Согласно последнему выражению вектор первой гармоники коллекторного тока пропорционален вектору напряжения и повёрнут относительно его на угол – . В итоге, ток первой гармоники коллекторного тока оказывается в фазе с выходным напряжением , а это означает, что эквивалентная нагрузка, подключенная между коллектором и эмиттером транзистора, имеет чисто активный характер.

Из векторной диаграммы наглядно видна связь положения вектора U_{М ВХ}, соответственно и вектора = – U_{М ВХ}, относительно векторов I_L, U_C1, I_СФ. Если векторы I_L, U_C1, I_СФ повернуть в сторону вектора , то фазовый угол возрастёт, что позволит компенсировать большее значение – . Очевидно, значения – , компенсация которых возможна в схеме, будут находиться в пределах – = 0…– 90°, не достигая крайнего значения – 90°. К такому же выводу можно прийти, рассматривая выражение (20.8) применительно к ёмкостной трёхточке. В схеме ёмкостной трёхточки x₁ < 0; x₃ > 0 и | x₃ | > | x₁ |, поэтому числитель в (20.8) всегда будет иметь положительное значение. Знаменатель (20.8) также имеет положительное значение, что особенно очевидно, если можно принять С_ВХ = 0. Следовательно, фазовый угол коэффициента обратной связи в рассматриваемой схеме транзисторного АГ на основе ёмкостной трёхточки с применением фазокомпенсирующей ёмкости не может выйти за пределы положительных углов от 0 до +90°, не достигая крайнего значения +90°.

Если фаза средней крутизны коллекторного тока выходит за пределы – 90°, то в ёмкостной трёхточечной схеме приходится делать отрицательный коэффициент обратной связи (сопротивления х₁ и х₃ берутся индуктивного характера) и между базой и контуром включать фазокомпенсирующую индуктивность L_Ф. АГ с отрицательным коэффициентом обратной связи носит название обращённого АГ.

Н
а рис.20.4 представлены схема обращённого АГ на основе ёмкостной трёхточки с включением фазокомпенсирующей индуктивности L_Ф и векторная диаграмма, поясняющая компенсацию фазы средней крутизны коллекторного тока в рассматриваемой схеме.

При построении векторной диаграммы за опорный принят вектор выходного напряжения . Через ёмкостную ветвь контура протекает ёмкостный ток I_С, который опережает по фазе напряжение на 90° при пренебрежении потерями в ёмкости. Ток через левую ветвь контура носит индуктивный характер и отстаёт по фазе от напряжения . Обозначен этот ток I_L2. Так как в индуктивной ветви имеются потери (собственные потери в катушках и во входной цепи R_ВХ), то ток I_L2 отстаёт от напряжения на угол меньше 90°. На сопротивлении соединения L₁, L_Ф, С_ВХ, R_ВХ ток I_L2 создаёт падение напряжения U_L1, которому соответствует ток I_LФ через фазокомпенсирующую индуктивность L_Ф. Ток I_LФ отстаёт по фазе от напряжения U_L1. На входном сопротивлении транзистора, образованном параллельным соединением R_ВХ, С_ВХ, ток I_LФ создаёт напряжение U_{М ВХ}, которое отстаёт по фазе от этого тока. Очевидно, обозначенное на схеме напряжение равно по величине U_{М ВХ}, но находится в противофазе по отношению к последнему, что и отражено на векторной диаграмме. Как видно из векторной диаграммы, напряжение опережает напряжение более, чем на 90°, что позволяет компенсировать фазу средней крутизны коллекторного тока, превышающую – 90°. Так как

,

то вектор первой гармоники коллекторного тока пропорционален по величине вектору напряжения , но повёрнут относительно последнего в сторону вектора выходного напряжения . Очевидно, при соответствующем подборе параметров элементов контура трёхточки и фазокомпенсирующей индуктивности можно обеспечить совпадение по фазе тока первой гармоники коллекторного тока и выходного напряжения на транзисторе, что соответствует нагрузке последнего на чисто активное сопротивление.

Если принять х_Ф = ωL_Ф, то согласно (20.7)