На полевом транзисторе
Задание на моделирование при исследовании автогенератора представлено на рис. 3.56. Колебательный контур, который включён в цепь стока транзистора J1, образован индуктивностью Lk и конденсатором Ck. На частоте генерации он эквивалентен индуктивности. Обратная связь осуществлена с помощью конденсаторов С1 и С2. Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки задаётся резисторами R2 и R3.
Рис. 3.56. Схема LC-автогенератора с ёмкостной обратной связью на полевом транзисторе
Конденсатор С3 обеспечивает подведение без потерь к затвору транзистора напряжения обратной связи. Элементы R1, C2 образуют цепь истоковой стабилизации рабочей точки транзистора. Резистор R4 и конденсатор С4 образуют развязывающий фильтр. При вводе задания на моделирование использовать компоненты следующих библиотек:
- analog.slb – пассивные компоненты (R, C, I,);
- jfet.slb – полевой транзистор (J1);
- port.slb – узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
- source.slb – источник постоянного напряжения (VDC).
Для устойчивого запуска автогенератора атрибутам конденсатора Ck и индуктивности Lk «.IC» (initial conditions – начальные условия) присвоены значения «0.1 V» и «10 uA» соответственно. При расчёте переходного процесса использование этих атрибутов обеспечивает установку на конденсаторе напряжения 0,1 В и тока через индуктивность 10 мкА в начальный момент времени.
Для анализа формы генерируемых колебаний производится вывод значения напряжения на стоке транзистора J1. Установка маркера напряжений ускоряет эту процедуру. В ре-
Рис. 3.57. Временная диаграмма напряжения
на стоке транзистора J1
зультате расчёта получается временная диаграмма (рис. 3.57). Из диаграммы видно, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной а разница между их амплитудами незначительна.
Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса.
Рис. 3.58. Спектральная диаграмма генерируемых
колебаний
Спектральный состав генерируемых колебаний рассчитывается с использованием быстрого преобразования Фурье (рис. 3.58). На пектральной диаграмме отмечены первая и вторая гармоники генерируемого колебания.
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний
| Температура | Частота первой гармоники, МГц | Амплитуда первой гармоники, В |
| 5,950 | 1,6044 | |
| 5,900 | 1,5317 |
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания V1 «DC». На рис. 3.59 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 9В.
Рис. 3.59. Влияние изменения напряжения источника питания на частоту генерируемых колебаний
В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а также изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз это ведёт к изменению частоты генерации.
Для исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний необходимо изменить её положение. Это произойдёт, например, при уменьшении сопротивления резистора R3. На рис. 3.60 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления R3 100 Ом.
Рис. 3.60. Временная диаграмма затухающего колебания при неправильном выборе рабочей точки
При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.
Для исследования влияния напряжения обратной связи на генерацию
Рис. 3.61. Временная диаграмма затухающего
колебания при уровне напряжения положительной обратной связи меньше критического
колебаний при проведении эксперимента потребуется, например, увеличить значение ёмкости С2 до 5 мкФ и уменьшить значение ёмкости С1 до 10 пФ. Это приводит к уменьшению коэффициента передачи цепи обратной связи и затуханию колебаний (рис. 3.61).
3.4. Контрольные вопросы и задания
1. Нарисовать структурную схему автогенератора. Объяснить назначение цепей обратной связи в автогенераторах.
2. Привести примеры электрических схем автогенераторов с использованием различных типов усилительных элементов. При этом колебательная система автогенератора не должна содержать кварцевый резонатор.
3. Какова физическая сущность процесса самовозбуждения автогенератора?
4. Записать выражения баланса амплитуд и баланса фаз. Объяснить их физический смысл.
5. Объяснить «мягкий» режим самовозбуждения автогенераторов.
6. Дать понятие трёхточечных схем автогенераторов. Нарисовать обобщённую схему трёхточечного автогенератора. Какие элементы, образующие колебательную систему автогенератора, должны иметь одинаковый характер реактивности, а какие - противоположный? Приведите доказательства.
7. Каково влияние добротности колебательной системы автогенератора на стабильность его частоты?
8. Какие конструктивные меры необходимо принять для создания высокостабильных автогенераторов?
9. Какова физическая сущность прямого и обратного пьезоэффектов?
10. Нарисовать эквивалентную схему кварцевого резонатора.
11.Привести примеры кварцевых автогенераторов с использованием различных типов усилительных элементов.
12. Почему в спектре генерируемых колебаний кроме первой гармоники содержатся высшие гармонические составляющие?
13. Почему частота колебаний автогенератора изменяется при колебаниях температуры окружающей среды?
14. Поясните влияние величины напряжения питания на значение частоты генерации автогенератора.
15. Почему изменение положения рабочей точки транзистора может привести к срыву колебаний в автогенераторе?
16. Каков механизм влияния величины напряжения обратной связи на генерацию колебаний в автогенераторе?