Павлов Б.А., Вилесов Л.Д., Филатов В.Н. Генераторы с внешним возбуждением (2003)

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈÑàíêò-Ïåòåðáóðãñêèéãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿБ. А. Павлов, Л. Д. Вилесов, В. Н. ФилатовГЕНЕРАТОРЫС ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМУчебное пособиеÑàíêò-Ïåòåðáóðã2003УДК 621.313.13(075)ББК 31.261П12Павлов Б. А., Вилесов Л. Д., Филатов В. Н.П12 Генераторы с внешним возбуждением: Учеб. пособие / СПбГУАП.СПб., 2003. 28 с.: ил.Учебное пособие содержит один из разделов курса «Устройстваформирования и передачи сигналов».

Изложены принципы построениятранзисторных генераторов с внешним возбуждением, проанализированы режимы их работы, приведены основные параметры и соотношения.Рассмотрены вопросы оптимизации электрического режима генераторов, особенности работы на расстроенную нагрузку. Кроме того, приведены и описаны принципиальные схемы генераторов разной выходноймощности, реализующие функции усиления и умножения частоты.Пособие предназначено для студентов заочной формы обучения поспециальности «Радиотехника» и может быть полезно студентам другихспециальностей и форм обучения.Рецензенты:кафедра радиотехнических систем Санкт-Петербургскогогосударственного университета аэрокосмического приборостроения;кандидат технических наук, доцент А.

Ю. ГулевитскийУтвержденоредакционно-издательским советом университетав качестве учебного пособия© СПбГУАП, 2003© Б. А. Павлов, Л. Д. Вилесов,В. Н. Филатов, 20032Общие сведенияо генераторах с внешним возбуждением ииспользуемых активных элементахСамым распространенным каскадом современных радиопередатчиковявляется генератор с внешним возбуждением (ГВВ). В его состав входятактивный элемент (АЭ), нагрузка, цепи питания и смещения АЭ и цепьвозбуждения, по которой на вход АЭ подается радиочастотный сигнал отвозбудителя. В качестве возбудителя выступает предшествующий каскадпередатчика. Цепи возбуждения и смещения образуют входную цепь АЭ,которая должна решать также задачи входной цепи согласования.

В своюочередь цепи питания и нагрузки образуют выходную цепь АЭ, выполняющую функции выходной согласующей цепи. Напомним, что цепи согласования служат, во-первых, для трансформации (согласования) сопротивлений; во-вторых, для формирования совместно с цепями питания и смещения необходимой формы токов и напряжений, обеспечивающих требуемыйрежим работы ГВВ, и, в третьих, для фильтрации высших гармоник. Обобщенная структурная схема ГВВ изображена на рис. 1.IбBВходнаяцепьIкUбUвАЭUкUнВыходнаяцепьRпЕкЕсмРис. 1Входная цепь согласования трансформирует входное сопротивлениеАЭ в сопротивление, равное внутреннему сопротивлению Ri возбудителя (В), а выходная цепь согласования – сопротивление потребителяRп (входное сопротивление следующего каскада, фидера, антенны) воптимальное сопротивление нагрузки АЭ.В передатчиках ГВВ могут выполнять три разные функции: усиливать радиочастотные колебания (усилители), повышать частоту этихколебаний в целое число раз (умножители частоты) и изменять ампли3туду колебаний радиочастоты по закону НЧ-сигнала сообщения (амплитудные модуляторы).В качестве АЭ в ГВВ используются электровакуумные лампы, биполярные и полевые транзисторы.

В этом пособии рассматриваются принципы работы и построения ГВВ на биполярных транзисторах, хотя некоторые выводы могут быть распространены и на другие электронныеприборы.Простейшая схема ГВВ на транзисторе приведена на рис. 2.Cр2Ср1LблВRпRбСблEкРис. 2Входная цепь содержит разделительный конденсатор Ср1 и резистор Rб,служащий для замыкания постоянной составляющей тока базы. Коллекторная цепь транзистора питается от источника с напряжением Ек. Выходная цепь содержит разделительный конденсатор Ср2 и цепь питания, состоящую из блокировочных элементов Lбл, Сбл, препятствующих замыканиюпеременной составляющей коллекторного тока через источник.ГВВ в передатчиках используют схемы включения транзисторов либос общим эмиттером (ОЭ), либо с общей базой (ОБ). И та и другая схемавключения имеет свои преимущества, целесообразность же применения их в конкретном каскаде будет рассмотрена ниже.Режимы работы АЭ в ГВВВсе режимы работы АЭ подразделяются на два крупных класса: режим колебаний первого рода и режим колебаний второго рода.

Для реализации первого режима положение рабочей точки в исходном состоянии на проходной характеристике транзистора выбирают на серединелинейного участка (рис. 3). На рисунке обозначено: Iк0 – постоянная4составляющая коллекторного тока; Iк1 – амплитуда первой гармоникитока коллектора; iк – мгновенное значение коллекторного тока.iкiкIк1Iк0tUбtРис. 3Коэффициент полезного действия (КПД) η выходной цепи ГВВη=P1.P0Полезная мощность P1 = 1 I к1U к , где Uк – напряжение на коллекто2ре, а мощность потребления от источника коллекторного питанияP0 = Eк I к0 . Тогдаη=0,5 I к1U к,Eк I к0т. е. КПД во многом зависит от уровня постоянной составляющей Iк0.Определим максимально возможный КПД для режима колебанийпервого рода:ηmax =P1max 0,5I к1maxU к.max=.P0Eк I к0Так как Iк1max = Iк0 и Uк.max = Eк, то ηmax = 0,5.5rВ реальных же каскадах, работающих в этом режиме, ηmax не можетпревысить величины 0,4.

Поэтому режим колебаний первого рода практически не используется в радиопередатчиках из-за низкой энергетической эффективности.Режимы работы АЭ, при которых ток в выходной цепи протекает толькочасть периода входного колебания, объединяются в режим колебаний второго рода. Для реализации этого режима рабочую точку устанавливают внижней части проходной характеристики транзистора (рис. 4).iкiкIк.maxE'EсмuбΘωttРис. 4Таким образом, при колебаниях второго рода выходной ток транзистора имеет форму периодической последовательности импульсов, длительность и амплитуда которых зависит от значения напряжения смещения Есм по отношению к напряжению отсечки Е/ коллекторного тока.Эти импульсы называются косинусоидальными, и они характеризуютсядвумя основными параметрами: амплитудой импульса Iк.max и углом отсечки Θ. При достижении входным сигналом верхнего изгиба проходной характеристики АЭ переходит в состояние насыщения, и вершинакосинусоидального импульса как бы срезается.

Режим работы АЭ в этомслучае называется ключевым.Углом отсечки Θ называется половина длительности импульса токаразмерности ωt (в градусах или радианах). В зависимости от значенияΘ иногда режимы работы АЭ подразделяют, используя следующие обозначения: А, АВ, В, С и D. А – режим колебаний первого рода или безотсечки. Режимы АВ, В и С относятся к режиму колебаний второгорода, с отсечкой и обозначают импульсные режимы работы. D – ключевой режим. Связь этих режимов с величиной Θ показана на рис. 5.6iкAθ = 180°BAB90°< θ < 180°Cθ = 90°θ < 90°ωtРис.

5По сравнению с режимом А импульсные режимы, как обладающиегораздо меньшими значениями постоянной составляющей выходноготока, являются энергетически более эффективными. Высокий КПД врежиме с отсечкой делает ГВВ основным усилительным каскадом в радиопередающих устройствах.Энергетические показатели выходной цепи ГВВРассмотрим импульсные режимы работы.Основные токи и напряжения, участвующие в работе ГВВ, в котором АЭ включен по схеме с ОЭ, показаны на рис. 1.Ек = uк(t) + uн(t),где uн(t) – напряжение на нагрузке; uк(t) – напряжение на коллекторе.Соответственно мощность потребленияP0 = Pк.рас +∑ Pi ,iгде Pк.рас – мощность рассеяния на коллекторе, ∑ Pi – сумма мощносiтей гармоник коллекторного тока, выделяемых на нагрузке.7Для ГВВ, работающего в качестве усилителя (нагрузка настраивается на частоту первой гармоники):P1 >> ∑ Pi при i ≠ 1 иiP0 ≈ Pк.рас + Р1,где Р1 – мощность первой гармоники коллекторного тока в нагрузке.Это выражение является записью энергетического баланса выходнойцепи усилителя мощности.Для умножителя частоты, нагрузка которого настраивается на частоту n-й гармоники:Pn >>∑ Piпри i ≠ niи в этом случаеP0 ≈ Pк.рас + Рn,где Рn – мощность n-й гармоники в нагрузке.Последнее выражение является соотношением энергетического баланса выходной цепи умножителя частоты.КПД выходной цепи ГВВη=P~,P0где P~ – колебательная мощность, выделяемая в нагрузке.

При настроенной нагрузке P~ = Р1 (для усилителя) и P~ = Рn (для умножителя частоты).Для усилителяη=P1 0,5I к1U н,=P0Eк I к0где Uн – амплитуда переменного напряжения на нагрузке.Отношение амплитуды первой гармоники Iк1 к значению постоянной составляющей Iк0 тока коллектора называется коэффициентом формы выходного тока g, т .е.g=8I к1.I к0Отношение амплитуды переменного напряжения на нагрузке к напряжению источника коллекторного питания называется коэффициентом использования транзистора по коллекторному напряжениюξ=Uн.EкТаким образом,η = 0,5gξ ,и, следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать долюпеременных составляющих выходного тока и напряжения на нагрузкепо отношению к постоянным составляющим выходной цепи АЭ.Энергетические показатели входной цепи ГВВВходная цепь содержит цепи возбуждения и смещения (см.

рис. 1).Входное напряжение АЭ uб(t) представляет сумму напряжений смещения Eсм и возбуждения uв(t):uб (t ) = Eсм + uв (t ).Если каскад возбуждается гармоническим напряжением, тоuв (t ) = U в cos ωt ,где Uв – амплитуда напряжения возбуждения, иuб (t ) = Eсм + U в cos ωt.Если умножить обе части равенства на входной ток (ток базы) ипроинтегрировать полученные произведения на периоде колебания высокой частоты, то получимPб = Pсм + Pв ,(1)где Рб – мощность, рассеиваемая на входном электроде (на базе); Рсм –мощность, выделяемая в источнике смещения; Рв – мощность возбуждения.Pсм = Eсм I вх0 , Pв = 0,5U в I в ,где Iвх0 – постоянная составляющая входного тока; Uв и Iв – амплитудыпеременных составляющих напряжения и тока возбуждения, т. е.

первой гармоники. Выражение (1) является соотношением энергетическо9го баланса входной цепи ГВВ, которое можно переписать в следующемвиде при Есм< 0:Pв = Pб + Pсм ,где Рв – мощность сигнала первой гармоники на входе ГВВ.Для более полной оценки эффективности работы ГВВ следует учитывать все затраты, связанные с получением полезного сигнала, и использовать формулу для полного КПДη=P~.P0 + Pсм + PвКак правило, КПД транзисторных ГВВ принимает значения от 70 до90%.Напряженность режима АЭПонятие электрического режима АЭ вводится для изучения и анализа работы ГВВ, классификации рабочих состояний АЭ. В электрический режим АЭ входят его параметры в их взаимосвязи.

Одной из характеристик электрического режима является напряженность режима, оцениваемая степенью искажения импульiвых = iкса выходного тока. Численной меройнапряженности режима служит коэффициент использования коллекторноiвх = iбго напряжения ξ. Искажение импульсов выходного (коллекторного) токаобусловлено перераспределением суммарного тока АЭ между токами электiэ = iк + iбродов. Так для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, эмиттерный токбудет перераспределяться между коллекторным и базовым токами (рис. 6).Рис.