Транзисторный генератор гармонических колебаний

Электрическая схема автогенератора на транзисторе приведена на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Электрическая схема автогенератора на транзисторе

Транзистор VT включен по схеме с общим эмиттером. В его коллекторную цепь включена катушка индуктивности L1, име­ющая трансформаторную связь с катушкой L, которая подсоединена к базе и через конденса­тор С1 — к эмиттеру. Резонансный колебательный контур состо­ит из катушки индуктивности L и конденсатора С. На схеме внутреннее сопротивление контура обозначено эквивалентным резистором r. Резисторы R1 и R2 служат для развязки генератора и балансировки выходного сигнала Vвых2.

Колебания напряжения в резонансном LC-контуре приводят к колебаниям тока базы IБи изменению тока коллектора в катушке L1, которые наводят индукционные токи в катушке L резонансного контура. Таким образом, обратная связь резонансного контура с регулятором осуществляется с помощью трансформаторной связи. Если колебания в резонансном контуре и катушке связи L1 совпадают по фазе, то возникает положительная ОС регулятора (транзистора) и резонансного колебательного контура, а следова­тельно, и резонансная генерация синусоидального напряжения.

Изменения тока базы, связанные с колебаниями контура, приводят к изменениям коллекторного тока, которые, в свою очередь, наводят ЭДС индукции в первичной цепи трансформатора. Если колебания в резонансном контуре и катушке связи L1 происходят в соответствующей фазе, то в автогенераторе поддерживаются периодические колебания.

Колебания в резонансном LC-контуре можно описать дифференциальным уравнением второго порядка, решение которого имеет следующий вид:

U (t)= U₀e-dtsinw₀t; d = (2a ± w₀2MS₀/2),

где U₀— напряжение питания; w₀— резонансная частота; d — декремент автоколебаний; a = r/(2L) — коэффициент диссипации (рассеяния энергии); M — коэффициент трансформаторной связи; S₀— крутизна характеристики транзистора.

Величины a, w, M, S₀определяют три вида возможных колебаний:

1) при d > 0 колебания автогенератора быстро затухают;

2) при d = 0 колебания в автогенераторе незатухающие;

3) при d < 0 колебания в автогенераторе нарастают.

Условие самовозбуждения генератора следующее:

MS₀/r < C или MS₀/r - C = r + r-< 0,

где r-= -MS₀/C — условно введенное отрицательное сопротив­ление.

Отрицательное сопротивление появляется благодаря положительной ОС в колебательном LС-контуре. При этом если результирующее сопротивление в колебательном контуре отрицательное, то оно не поглощает, а выделяет энергию, т.е. при этом возникают колебания.

Стационарный режим работы автогенератора.В режиме самовозбуждения амплитуда колебаний напряжения на выходе генера­тора должна неограниченно возрастать, однако в реальных схемах она достигает некоторого уровня и в дальнейшем не меняется. Это объясняется тем, что усредненная крутизна характеристики транзи­стора уменьшается с ростом амплитуды напряжения базы.

Режим самовозбуждения автогенератора.Для изучения режима самовозбуждения автогенератора рассмотрим две характеристики: зависимость выходного тока (тока колебательного контура) от входного напряжения транзистора и зависимость входного напряжения транзистора от тока колебательного контура, т.е. глубину обратной связи. При использовании лишь 1-й гармоники тока в колебательном контуре зависимость амплитуды выходного тока от напряжения на входе транзистора называют колебательной характеристикой.

На рис. 2.18 показаны три схемы автогенераторов синусоидальных колебаний: на биполярном транзисторе, полевом транзисторе и электронной лампе.

Амплитуда входного напряжения транзистора пропорциональна току в колебательном контуре или амплитуде 1-й гармоники, т.е. зависимость напряжения от тока линейная: Uвх= wMImax1.

Рис. 2.18. Схемы автогенераторов на биполярном (а), полевом (б) транзисторах и электронной лампе (в)

Отсюда можно найти и обратную зависимость: Imax1= Uвх/(wM).

Эта зависимость, изображенная графически, называется линией обратной связи.

Таким образом, имеем две зависимости амплитуды 1-й гармоники тока в колебательном контуре от входного напряжения транзистора, одна из которых определяется без учета ОС, а другая — определяется ОС. На практике встречаются два режима возбуждения автогенератора.

1. Амплитуда 1-й гармоники тока в колебательном контуре больше значения, определяемого положительной ОС при одном и том же значении входного напряжения, следовательно, напряжение на входе транзи­стора будет возрастать и соответственно будет возрастать ток коллек­тора. Если входное напряжение транзистора станет больше предельного, то крутизна его характеристики уменьшится, и амплитуда колебаний генератора окажется меньше значения, необходимого для поддержания напряжения Uвхна базе транзистора с помощью ОС, и оно начнет падать. В некоторый момент времени опять начнется рост напряжения, и генератор автоматически найдет точку устойчивого равновесия. Этот режим возбуждения автогенератора называют мягким. Подбором коэффициента трансформаторной связи М можно регулировать амплитуду генерируемых колебаний без внешнего воздействия на автогенератор.

2. При напряжениях Uвх меньше порогового значения U1колебания могут затухать. Однако при Uвх>U1колебания нарастают и достигают максимальной амплитуды при Umax. В этом режиме, назы­ваемом жестким, необходимо наличие начального внешнего возбуж­дения автогенератора — толчка. Можно также изменять условия возбуждения генератора с помощью коэффициента транс­фор­маторной связи М. Генерация колебаний в этом случае возникает при критическом значении Мкр1, когда связь достаточно сильна.

Если коэффициент связи уменьшится (М<Мкр1), автогенератор будет работать устойчиво до значения Мкр2, при котором проис­ходит снижение амплитуды колебаний генератора и срыв процесса генерации. Для обеспечения мягкого режима возникновения генерации колебаний используется цепь СБR2в схеме на биполярном транзисторе и цепочка C3, R3 в схеме на полевом транзисторе (см. рис. 2.18, б).

Конкретные схемы автогенераторов (в том числе мощных) приведены в специальной литературе по радиоэлектронике.