Лекция 20 (лекции по УГФС), страница 2

.

Из последнего выражения для обращённого АГ по схеме (рис.20.4) следует, что

,

так как числитель и знаменатель выражения всегда положительны, соответственно . Сказанное соответствует векторной диаграмме рис.20.4.

На рис.20.5 представлены соответственно схема транзисторного АГ на основе индуктивной трёхточки с добавлением фазокомпенсирующей ёмкости С_Ф и векторная диаграмма для неё, поясняющая идею компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока в схеме.

П
ри построении векторной диаграммы за опорный принят вектор выходного напряжения . Через индуктивность L₂ протекает ток I_L2, который отстаёт по фазе от выходного напряжения . Из-за наличия потерь в ветви по причине неидеальности индуктивности, а также возможной связи её с полезной нагрузкой АГ, отставание по фазе тока через индуктивность от напряжения на ней менее 90°. Ток через левую ветвь I_C , носящую ёмкостный характер сопротивления, опережает по фазе напряжение . Из-за потерь в ветви, обусловленных собственными потерями в индуктивности L₁ и потерями во входной цепи транзистора R_ВХ, ток I_C опережает по фазе напряжение на угол менее 90°. Этот ток обусловливает напряжение на ветви, образованной соединением L₁, С_Ф, С_ВХ, R_ВХ, которое обозначено U_L1. При индуктивном характере результирующего сопротивления указанного соединения элементов L₁, С_Ф, С_ВХ, R_ВХ напряжение U_L1 опережает по фазе ток I_C. Ток I_СФ через фазокомпенсирующую ёмкость С_Ф опережает по фазе напряжение U_L1. Этот ток протекает через входное сопротивление и, соответственно, обусловливает на входе транзистора напряжение U_{М ВХ}, которое отстаёт по фазе относительно тока. Входному напряжению U_{М ВХ} равно по величине напряжение , находящееся с ним в противофазе. Соответственно, комплексная амплитуда первой гармоники коллекторного тока

и отображается на диаграмме вектором I_К1, повёрнутым в сторону вектора выходного напряжения на угол средней крутизны – . При полной компенсации фазы средней крутизны первая гармоника коллекторного тока оказывается в фазе с выходным напряжением. Соответственно, между коллектором и эмиттером ощущается чисто активное сопротивление.

Из векторной диаграммы (рис.20.5) наглядно видна связь положения вектора U_{М ВХ}, соответственно и вектора напряжения , относительно векторов I_C, U_L1, I_СФ. Из диаграммы просматривается, что в АГ на основе индуктивной трёхточки возможна компенсация фазы средней крутизны коллекторного тока в меньших пределах, чем при использовании ёмкостной трёхточки (сравните векторные диаграммы рис.20.3 и рис.20.5).

На рис.20.6 представлена схема обращённого АГ на основе индуктивной трёхточки с включением фазокомпенсирующей индуктивности L_Ф и векторная диаграмма, поясняющая компенсацию фазы средней крутизны коллекторного тока в схеме.

П
ри построении векторной диаграммы за опорный принят вектор выходного напряжения . Через индуктивную ветвь контура протекает ток I_L, отстающий по фазе от выходного напряжения. Через ёмкостную ветвь протекает ток I_С, опережающий по фазе выходное напряжение. Из-за потерь в каждой ветви сдвиг по фазе между выходным напряжением и током по величине меньше 90°. Ток в ёмкостной ветви I_С обусловливает напряжение на соединении элементов С₁, L_Ф, С_ВХ, R_ВХ, которое при ёмкостном характере результирующего сопротивления соединения указанных элементов отстаёт по фазе относительно тока I_C. Обозначено это напряжение U_C1. Этому напряжению соответствует ток I_LФ через фазокомпенсирующую индуктивность, который отстаёт по фазе от напряжения. Ток I_LФ создаёт падение напряжения на входном сопротивлении U_{М ВХ}, которое отстаёт по фазе от тока. Напряжение равно по величине U_{М ВХ}, но находится в противофазе к последнему. Как видно из векторной диаграммы, напряжение опережает по фазе выходное напряжение более, чем на 90°, что позволяет компенсировать фазу средней крутизны коллекторного тока, превышающую – 90°.

Применение фазокомпенсирующих элементов в АГ затрудняет конструктивную реализацию схем, поэтому подобные схемы редко применяют на частотах выше
(100…150) МГЦ. Чтобы облегчить конструктивную реализацию индуктивных элементов с повышением частоты, индуктивный элемент цепи, в том числе и фазокомпенсирующую индуктивность в обращённых схемах, выполняют в виде последовательного соединения индуктивного и ёмкостного элементов, что повышает требуемое значение индуктивности и этим делает возможной её реализацию. Таким путём удаётся построить АГ до 300 МГц. Настройка такого АГ, естественно, усложняется.

На высоких частотах, пока фаза средней крутизны коллекторного тока < –90°, как отмечалось в предыдущей лекции, широкое распространение получила схема транзисторного АГ с контуром между коллектором и базой (рис.19.19), эквивалентная ёмкостной трёхточке. На рис.20.7,а эта схема повторена. Соответственно на рис.20.7,б приведены эквивалентное представление по высокой частоте указанной схемы и векторная диаграмма для неё.

За опорный на векторной диаграмме (рис.20.7,б) принят вектор выходного напряжения . Ток через ёмкость С_КЭ, полагая её без потерь, опережает по фазе выходное напряжение на 90°. Ток I через правую ветвь цепи, образованную входным сопротивлением R_ВХ, ёмкостью С_БЭ, в состав которой входит ёмкость транзистора С_ВХ, параллельным колебательным контуром из элементов С, L, эквивалентным колебательному контуру из С₁, С₂, L_K на схеме (рис.20.7,а), отстаёт по фазе от выходного напряжения . Из-за потерь в ветви это отставание по фазе меньше 90°. Ток I обусловливает на входе транзистора напряжение U_ВХ, которое по величине равно , но находится в противофазе к последнему. Соответственно, комплексная амплитуда первой гармоники коллекторного тока, определяемая соотношением

,

отображается вектором, повёрнутым относительно вектора в сторону вектора выходного напряжения . Регулируя связь с полезной нагрузкой, подключаемой к контуру между коллектором и базой транзистора, изменяют потери в правой ветви цепи и таким образом влияют на величину фазы коэффициента обратной связи . Очевидно, регулировкой связи контура с полезной нагрузкой можно добиться полной компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока. В итоге выходной ток (первая гармоника коллекторного тока) и выходное колебательное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора оказываются в фазе и транзистор работает на чисто активное сопротивление.

Исходя из эквивалентной схемы рассматриваемого АГ, можно получить выражение для его коэффициента обратной связи. Примерное выражение, не учитывающее потери в контуре, включенном между коллектором и базой, можно получить на основании (20.4), приняв х_Ф = 0:

где следует считать х₁ = – 1/ωС_БЭ, .

После подстановки последних соотношений получаем

.

Обратим внимание, что в приведенных соотношениях х₃ соответствует эквивалентному сопротивлению параллельного колебательного контура между коллектором и базой и должно иметь индуктивный характер на частоте автоколебаний.

Чем больше ёмкость С_БЭ, тем легче обеспечивается положительная фаза коэффициента обратной связи и, соответственно, компенсация фазы средней крутизны коллекторного тока. Поэтому в рассматриваемой схеме АГ для лучшей компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока часто параллельно входу транзистора, то есть параллельно входной ёмкости транзистора С_ВХ, подключается дополнительная ёмкость С_БЭ, что отмечалось в предыдущей лекции.

Таковы основные положения осуществления компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока в транзисторных АГ на высоких частотах. Очевидно, при большой величине коэффициента обратной связи возможно возбуждение автоколебаний в любой из рассмотренных схем АГ и при неполной компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока. Следует также обратить внимание, что значение фазы средней крутизны коллекторного тока принципиально не может быть точно равно –90°. Оно может приближаться к этой величине с любой стороны, но никогда не будет равно этому значению. АГ легче реализовать, когда значение φ_S заметно отличается от –90° в любую сторону, чем в случае ≈ –90°.

Как уже отмечалось, из-за сложностей реализации АГ с использованием фазокомпенсирующего элемента такие АГ редко применяют на частотах выше (100…150) МГц. Применяя реализацию индуктивных элементов (одного или нескольких) в виде последовательного соединения катушки индуктивности и конденсатора, достижимы частоты до 300 МГц. Чем выше частота, тем труднее реализовать индуктивность с использованием сосредоточенных элементов.

В АГ с контуром между коллектором и базой индуктивность контура может быть реализована из отрезка микрополосковой линии. При этом достижимы частоты до
1…2 ГГц. Для удобства регулировки ёмкости С_КЭ и С_БЭ реализуются с применением подстроечных конденсаторов.³

Вопросы для самоконтроля знаний по теме лекции 20:

1. Представьте график зависимости фазового угла эквивалентного сопротивления параллельного колеба-
тельного контура от частоты. Поясните его. Как он связан с добротностью контура?

2. Чем обусловливается необходимость компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока?
Поясните. В чём заключается идея компенсации фазы средней крутизны коллекторного тока и какие
способы её реализации вам известны?