Генерация высокочастотных сигналов

Ц е л ь п р о е к т а: ознакомиться с назначением и типами обратной связи, изучить принцип работы и условия самовозбуждения генератора, смонтировать и исследовать автогенератор высокочастотных колебаний ( гетеродин).

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Обратная связь в усилителях

 
  Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru

В различных радиоэлектронных устройствах (РЭУ) широко используется обратная связь. Обратной связью (ОС)называется воздействие части выходного напряжения на входное напряжение. По способу этого воздействия существуют два вида ОС: естественная и искусственная. Естественная обратная связь осуществляется из-за наличия межэлектродных ёмкостей (ламп, транзисторов и др.), из-за общих источников питания, паразитных ёмкостей и других причин. Искусственная обратная связьвводится специально в РЭУ для получения нужных характеристик (например, АЧХ). По знаку различаются два типа ОС: положительная и отрицательная обратная связь (соответственно ПОС и ООС). Структурная схема усилителя с ОС имеет вид (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема усилителя с ОС

В этой схеме входные напряжения связаны соотношением
Uвх = U’вх + Uсв, а коэффициент передачи усилителя с обратной связью определяется выражением:

Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru . (1)

Величина n = 1 – Кос× K0 в (1) характеризует глубину обратной связи, а отношение Кос = U св / U вх определяет коэффициент передачи цепи обратной связи (0 < Кос < 1). В случае ООС значение n > 1 и
Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru < K0; случайПОС соответствует n < 1, когда Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru > K0. Приведем наиболее характерные примеры использования в усилителях положительной и отрицательной обратной связи. Рассмотрим схему с общим эмиттером, в которой сопротивление Rб подключается не к источнику питания Е, как обычно, а к коллектору транзистора (рис. 2). В статическом режиме (Uвх = 0) значение Rб задаёт его рабочую точку (I б р ). В динамическом режиме изменение входного напряжения DUвх =DUбэ приводит к изменению тока базы DI б, а значит, тока коллектора DIк и выходного напряжения DUвых = DUкэ = Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru .

Это изменение вызывает дополнительный ток базы Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru , который создает соответствующее напряжение на входе каскада Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru = Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru ·DUкэ = Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru .

Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Коэффициент обратной связи для данной схемы можно определить как Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru = Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru . При значениях b = 40, Rб = 400 кW,
Rå » Rк = 2 кΩ величина Кос »0,2 (т.е. 0,2 Uвых снова попадает на вход). Увеличение входного напряжения Uвх приводит к росту тока базы Iб и тока коллектора Iк , а значит, к уменьшению напряжения Uкэ , дополнительного тока Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru и входного напряжения Uвх. Таким образом, в этой схеме отрицательная обратная связь хотя и приводит к уменьшению усиления каскада, но вместе с тем она стабилизирует поло-жение рабочей точки, что поз-воляет, например, уменьшить нелинейные искажения вход-ного сигнала, возникающие при его усилении. Поэтому данный каскад получил назва-ние схемы коллекторной ста-билизации рабочей точки.

Использование цепи ООС позволяет получить более равномерную АЧХ усилителя (рис. 3), т.е. уменьшить и линейные искажения.

Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Таким образом, вве-дение ООС предотвра-щает или уменьшает ве-роятность возникнове-ния генерации в усили-телях, в то время как положительная обрат-ная связь, наоборот, приводит к увеличению усиления вплоть до самовозбуждения уси-лителя, т.е до превра- щения его в генератор.

Принцип работы генератора. Автогенератор

как усилитель с ПОложительной обратной Связью

В технике физического эксперимента и во многих областях радиотехники важное место занимают генераторы – устройства, предназначенные для получения (генерирования) электромагнитных колебаний, т.е. для преобразования энергии источника постоянного тока в электрическую энергию колебаний. В любой автоколебательной системе имеются два процесса – поступления и потерь энергии в ней. Незатухающие колебания могут возникать и в системе, где происходит компенсация потерь энергии, например, тепловых и на излучение. Поток энергии, поступающий в колебательную систему от источника постоянного тока, обязательно будет пульсирующим за счёт работы управляемого элемента - клапана (например, транзистора). Сам клапан автоматически управляется колебательной системой через цепь обратной связи, работающей в соответствующем режиме (рис. 4).

Колебательная система
Управляемый элемент (лампа, транзистор)
Источник энергии постоянного тока
Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru

               
  Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru   Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru
 
    Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru
      Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru
 




Рис. 4. Блок - схема автогенератора

Когерентные электромагнитные колебания, например, радиоволны, как правило, возникают в цепях, содержащих активные нелинейные элементы - электронные лампы или транзисторы. Если бы схема автогенератора содержала только линейные элементы, для которых выполняется закон Ома (I ~U), то мощность, поступающая в систему Р+ = I×U, была бы прямо пропорциональна квадрату напряжения U 2, как и мощность тепловых потерь P- в законе Джоуля-Ленца. Поэтому для линейной системы могут быть две возможности (рис. 5), каждая из которых не приводит к установлению определённой величины амплитуды автоколебаний.

 
  Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru

P P

P- P+

P+ P-

а) б)

U 2 U 2

Рис. 5. Энергетические превращения

в линейной колебательной системе: а) P- > Р+ , б) P- < P+

Первая возможность (рис. 5а) соответствует случаю, когда мощность потерь P- при всех напряжениях U превышает величину Р+, что приводит к затуханию колебаний. Во втором случае (рис. 5б) мощность Р+, поступающая в систему, при всех значениях U больше, чем величина P- . Поэтому амплитуда колебаний должна бы неограниченно возрастать, что энергетически является невозможным. Наконец, если бы оказалось, что Р+ = Р- , т.е. обе прямые совпали бы во всех точках, то состояние системы было бы неустойчивым, т. к. при случайном изменении её режима она не вернулась бы в исходное состояние. Например, случайное увеличение P+ привело бы к дальнейшему нарастанию амплитуды колебаний, что, конечно, опять энергетически невозможно,

т. к. мощность всякого реального источника ограничена. Таким образом, автоколебания со стационарной амплитудой возможны только в нелинейной системе, в которой мощность источника P+ нелинейно зависит от квадрата амплитуды колебаний напряжения (рис. 6).

Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Р Р Р-

А Р- С Р+

PA Р+

Р+

Р-

В

а) U 2 б) U 2

Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru

Рис. 6. Энергетические превращения в нелинейной колебательной системе в:

а) мягком и б) жёстком режимах работы генератора

Если источник поступающей в систему мощности (например, транзистор) имеет характеристику Р+ , изображённую на рис. 6а, то при его включении система сразу же самовозбуждается, т. е. колебания нарастают почти от нулевого уровня за счёт внутренних флуктуаций (тепловых, дробовых и фликкер-шумов), т.к. на начальном участке (при
малых U 2) P+ > P- . В этом случае возрастание амплитуды колебаний происходит до установившегося значения UA (рис. 6а), которую графически можно определить единственным образом по точке пересечения А кривой Р+ и прямой Р- . В этой точке P- ( Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru ) = P+ ( Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru ), т.е. потери компенсируются поступающей от источника энергией.

Если реализуется зависимость Р+ (U 2), изображённая на рис. 6б, то колебания в системе не могут появиться при малых значениях U2, т. к. Р- > Р+. Для возбуждения колебаний системе требуется начальный толчок (по напряжению) для превышения пороговой амплитуды UB, соответствующей абсциссе точки перегиба кривой Р+ – точки В на рис. 6б. Этот толчок переведет систему в состояние с U 2 > Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru , когда
Р+ > Р- . Первый режим работы генератора носит название мягкого режима возбуждения(рис. 6а), второй - жёсткого (рис. 6б).

Генератор можно построить из резонансного усилителя, вводя в его схему цепь ПОС. Полный коэффициент передачи усилителя с глубиной обратной связи n = 1 – Кос×K0 определяется формулой (1), из которой видно, что на некоторой частоте величина Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru может оказаться близкой к нулю, и общий коэффициент усилителя Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru стремится к бесконечности. Это значит, что при конечной амплитуде сигнала на входе усилителя должна наблюдаться бесконечно большая амплитуда колебаний на выходе. В действительности этого не произойдёт, т.к. сам коэффициент усиления зависит от амплитуды входного сигнала (см. лаб. работы
№ 2, 3). Однако сама возможность возникновения бесконечной амплитуды уже свидетельствует о том, что если возникают колебания с конечной амплитудой на выходе, то для их поддержания не нужно никакого входного сигнала. Иначе говоря, система самовозбуждается, т.е. в ней появляются колебания, параметры которых (амплитуда, частота и др.) не зависят от внешнего воздействия, а определяются только собственными характеристиками системы.

Таким образом, для превращения усилителя в генератор, т.е. для самопроизвольного возбуждения колебательной системы должны выполняться следующие два условия:

1. Баланс амплитуд –выполнение соотношения Кос = 1 / К0.

2. Баланс фаз, т.е. подача энергии в усилитель в определённой фазе с выходным сигналом. Очевидно, что для генерации колебаний обратная связь должна быть положительной. Поэтому в принципиальной схеме любого генератора обязательно должны присутствовать: а) нелинейный элемент (лампа, транзистор, туннельный диод), б) источник питания - для поддержания колебаний (для создания Р+, рис. 4), в) цепь положительной обратной связи (для незатухающих колебаний). Примеры принципиальных схем высокочастотных генераторов (LC - генераторов), в которых кроме того еще необходим колебательный контур, при Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru ведены на рис. 7, 8.

 
  Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru

Рис. 7 Рис. 8

Схемы LC-генераторов на биполярных транзисторах.

Колебательный контур включен в цепь база-эмиттер (рис. 7)

или в коллекторную цепь транзистора (рис. 8)

В обеих схемах транзистор Т предназначен для усиления колебаний в LC контуре, в случае его отсутствия колебания, как правило, являются затухающими. Обратная связь (на рис. 7, 8 она обозначена стрелкой) возникает за счет общего магнитного потока катушек L и L1 (на практике они намотаны на одном сердечнике). Знак связи можно регулировать за счет полярности включения катушек. Поскольку в схеме ОЭ Rвх = Rбэ невелико, то транзистор будет шунтировать своим входным сопротивлением колебательный контур, значительно уменьшая его добротность. Поэтому вторая схема (рис. 8) предпочтительнее, т.к. транзистор Т в ней включен по схеме ОБ, в которой его выходное сопротивление достаточно велико.

2. Расчётная Часть

1. Рассчитайте число витков N = Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru катушки LГ контура гетеродина (рис. 9) для заданной резонансной частоты Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru 0 = 10 MГц и выданной ёмкости СГ = 30 Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru 60 пФ (d и D - соответственно диаметры провода катушки; Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru = 4p×10 Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Гн /м). Намотайте катушку LГ, сделав при этом отвод от 1/15 части витков; для катушки L1 оставьте всего один виток.

2. Возьмите транзистор Т9 (серии ГТ308) и снимите на ЭВМ его параметры.

3. Возьмите сопротивления Rэ9 Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Ω, Rб9 Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru кΩ и рассчитайте второе сопротивление Rб9 входного делителя (в цепи базы) транзистора Т9 по формулам

R б9 = Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru , Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Uбэ р9 + Iкр 9×Rэ9 ,

где U0 рассчитайте по формуле U0 = E - I Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru .

4. По формуле Ср > 1/2 Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru Генерация высокочастотных сигналов - student2.ru оцените значение С р. Значение граничной частоты fн возьмите fн = 1 МГц.

3. экспериментальная Часть

Лабораторная работа № 5

Наши рекомендации