Лекция 21

Многоконтурные автогенераторы (АГ). Схемы, классификация и основные параметры двухконтурных АГ. Регулировка частоты и амплитуды колебаний в двухконтурных АГ.

Двухконтурные АГ. Классификация двухконтурных АГ

В общем случае сопротивления х₁, х₂, х₃ обобщённой трёхточечной схемы АГ (рис.19.23) могут быть образованы параллельными колебательными контурами, как это показано на рис.21.1, где ω₁, ω₂, ω₃ – круговые резонансные частоты соответствующих контуров. Такая схема представляет трёхконтурный АГ.¹

Очевидно, в представленной схеме трёхконтурного АГ частота автоколебаний не будет совпадать ни с одной из резонансных частот контуров, так как только на частотах, существенно отличающихся от резонансной частоты, колебательный контур имеет реактивную составляющую его сопротивления заметно превышающую активную составляющую.

В озможны схемы АГ с числом контуров больше трёх. На рис.21.2 представлена схема четырёхконтурного АГ, у которого четвёртым контуром является контур внешней нагрузки (например, антенно-фидерной системы в случае мощного АГ СВЧ) с собственной частотой настройки ω_Н. Контур внешней нагрузки связан с контуром, включенным между анодом и сеткой лампы. Эта схема также может быть приведена к обобщённой трёхточечной схеме (рис.19.23), но при этом следует иметь в виду, что сопротивление между анодом и сеткой лампы представляет эквивалентное сопротивление двух связанных контуров с собственными частотами ω₃ и ω_Н. Связь между контурами может быть любая (на схеме показана магнитная связь). Аналогично можно поступить, если внешняя нагрузка связана не с анодно-сеточным, а с другим контуром, например, анодно-катодным. В общем случае при определении сопротивления сеточно-катодного контура, имеющего собственную частоту ω₁, следует учитывать потери в цепи сетки из-за наличия сеточного тока.

Очевидно, чем больше контуров в АГ, тем сложнее и труднее его настраивать. Поэтому на практике находят применение трёхконтурные и двухконтурные схемы АГ, причём наиболее широко применяются двухконтурные АГ, особенно в диапазоне СВЧ и в схемах с кварцевой стабилизацией частоты.

Если в схеме трёхконтурного АГ (рис.21.1) вместо одного из контуров будет включена ёмкость, то мы получаем три разновидности схем двухконтурных АГ, соответственно на лампе и транзисторе. Эти схемы показаны на рис.21.3.

В зависимости от того, какой электрод является общим для обоих контуров, принята следующая классификация схем двухконтурных АГ: схемы (рис.21.3,а) называются схемами двухконтурного АГ соответственно с общим катодом и с общим эмиттером; схемы (рис.21.3,б) – соответственно схемы двухконтурных АГ с общей сеткой и с общей базой; схемы (рис.21.3,в) – схемы двухконтурных АГ с общим анодом и с общим коллектором, соответственно. Одиночные ёмкости С₃, С₂, С₁ в соответствующих схемах двухконтурных АГ (рис.21.3,а, б, в) называются ёмкостями связи. Часто общий для контуров электрод АЭ (лампы или транзистора) заземляется. Однако последнее необязательно.

Как видим, колебательная система любого двухконтурного АГ по схеме рис.21.3 представляет систему двух параллельных колебательных контуров с внешней ёмкостной связью. В таких системах, как известно, при превышении связи между контурами некоторого уровня существуют две частоты собственных колебаний, в окрестности которых система проявляет свойства, характерные для параллельного колебательного контура.² Эти частоты носят название частот связи, из которых большая называется верхней, а меньшая – нижней. Как ниже увидим, в представленных на рис.21.3 схемах двухконтурных АГ автоколебания возможны только на одной частоте связи, на которой коэффициент обратной связи оказывается положительным. Для второй частоты связи коэффициент обратной связи получается отрицательным и устойчивые автоколебания на ней невозможны.

С уществует ещё одна разновидность двухконтурного АГ, получаемого из одноконтурного, у которого полезная нагрузка формирует второй контур, связанный с контуром АГ. В итоге колебательная система АГ представляет два связанных контура и при превышении определённого уровня связи у такой системы, как уже отмечалось, существуют две резонансные частоты – верхняя и нижняя частоты связи, на которых двухконтурная система проявляет свойства параллельного колебательного контура. У такого двухконтурного АГ коэффициент обратной связи оказывается положительным на обеих частотах связи и в зависимости от величины обратной связи и других параметров схемы автоколебания могут установиться на любой частоте связи. Может быть и так, что при одних и тех же параметрах схемы в зависимости от начальных условий (в теории таких АГ говорят: в зависимости от «истории системы») образуются автоколебания то с одной, то с другой частотой. Это явление называется затягиванием частоты. На рис.21.4 представлена схема рассматриваемого двухконтурного АГ на основе одноконтурного АГ с трансформаторной обратной связью. Принципиально может быть одноконтурный АГ с автотрансформаторной или с ёмкостной обратной связью. АГ может быть выполнен как на лампе, так и на транзисторе.

Коэффициент обратной связи двухконтурного АГ

В двухконтурном АГ на основе одноконтурного, когда второй контур образован внешней нагрузкой (пример схемы на рис.21.4), коэффициент обратной связи определяется как в соответствующем одноконтурном АГ (см. лекцию 19).

Ниже мы рассмотрим определение коэффициента обратной связи в двухконтурных АГ по схемам рис.21.3.

Считая, что на частоте автоколебаний эквивалентные сопротивления контуров в схемах рис.21.3 имеют выраженный реактивный характер, для определения коэффициента обратной связи в таких АГ можно воспользоваться общим выражением, полученным при рассмотрении обобщённой трёхточечной схемы АГ

Эквивалентные сопротивления контуров колебательных систем рассматриваемых двухконтурных АГ с тем большим основанием можно считать имеющими выраженный реактивный характер, чем сильнее частота автоколебаний отличается от резонансной частоты контура и чем выше добротность контура с учётом реакции внешней нагрузки и входного сопротивления АЭ.

Реактивные сопротивления х₁, х₂, х₃ в общем случае представляют эквивалентные сопротивления параллельного соединения соответствующих ёмкостей и индуктивностей, то есть

В этом случае

или

Так как Х_С1 = –1/ωС₁; Х_С2 = –1/ωС₂; Х_L1 = ωL₁; Х_L2 = ωL₂, то

Если контуры образованы элементами с сосредоточенными параметрами, то

при этом

(21.1)

Выражение (21.1) позволяет установить связь между частотой автоколебаний ω и собственными частотами контуров ω₁ и ω₂. Например, для схемы двухконтурного АГ с общей сеткой (ОС) или с общей базой (ОБ) (рис.21.3,б) L₂ = ∞; ω₂ = 0, при этом коэффициент обратной связи будет положительным при условии ω₁ < ω. Для схемы двухконтурного АГ с общим анодом (ОА) или с общим коллектором (ОК) (рис.21.3,в) L₁ = ∞; ω₁ = 0 и коэффициент обратной связи будет положительным при ω₂ < ω. Для схемы двухконтурного АГ с общим катодом (ОК) или с общим эмиттером (ОЭ) (рис.21.3,а) выражение (21.1) не даёт однозначного ответа при каком соотношении между ω, ω₁ и ω₂ коэффициент обратной связи будет положительным:

или при или при

Однако ответить на этот вопрос можно, используя условия для индуктивной и ёмкостной трёхточек (19.26), (19.27).

Так как в схеме двухконтурного АГ с ОК (или с ОЭ) реактивное сопротивление между анодом-сеткой (коллектором-базой) х₃ < 0, то, очевидно, в схеме должно выполняться условие индуктивной трёхточки (19.26), то есть должно быть х₁ > 0; x₂ > 0, а это возможно для рассматриваемой схемы, если частота автоколебаний удовлетворяет условию

так как только на частоте ниже собственной частоты параллельный колебательный контур обладает индуктивным сопротивлением.

К полученному выводу можно прийти также, если определить коэффициент обратной связи в схеме двухконтурного АГ с ОК (или ОЭ) на основании выражения

Так как

то

Из последнего выражения следует, что коэффициент обратной связи в рассматриваемом АГ будет положительным, если

то есть если

После чего следует, что также должно выполняться ω < ω₂.

Таким образом, в двухконтурном АГ с ОК (или с ОЭ) частота автоколебаний меньше собственных (резонансных) частот обоих контуров колебательной системы АГ.

Частота автоколебаний в двухконтурном АГ

В любом двухконтурном АГ колебательная система представляет два связанных контура. На частоте автоколебаний система двух связанных контуров должна проявлять относительно выходных электродов АЭ-генераторного прибора: лампы или транзистора свойства параллельного колебательного контура, то есть между анодом-катодом лампы, коллектором-эмиттером транзистора должно быть отличное от нулевого сопротивление, являющееся нагрузкой АЭ. Если система проявляет свойства последовательного колебательного контура, то эквивалентное сопротивление нагрузки АЭ близко к нулевому, что неприемлемо для лампы или транзистора, требующих вполне определённого сопротивления нагрузки, например, для обеспечения критического режима работы АЭ, считаемого как оптимальный режим.

В двухконтурных АГ (рис.21.3) связь между контурами внешнеёмкостная. В схеме двухконтурного АГ (рис.21.4) связь между контурами трансформаторная (магнитная). Принципиально в подобном АГ, отвлекаясь от удобства её реализации, связь между контурами может быть любая: автотрансформаторная (внутри- и внешнеиндуктивная), ёмкостная (внутри- и внешнеёмкостная). Следует отметить, что, несмотря на некоторые общие черты, обусловленные наличием связи между контурами независимо от способа её осуществления, есть и некоторые отличия, обусловливаемые именно типом и видом связи, которые имеют принципиальное значение для правильного понимания работы двухконтурных АГ.

Отметим общие свойства системы двух связанных контуров. Связь между контурами характеризуется коэффициентом связи контуров k_СВ, который определяется соответствующим выражением в зависимости от вида и типа связи. Напомним соотношения для определения коэффициента связи контуров для интересующих нас случаев двухконтурных АГ.

Пусть имеются два параллельных колебательных контура, составленных соответственно из элементов L₁, C₁ и L₂, C₂. При трансформаторной связи между катушками контуров обеспечивается магнитная индукция связи М_СВ. Соответственно коэффициент связи контуров