Влияние потерь в контуре и инерционности активного элемента АГ на частоту генерации и энергетические соотношения автогенератора

При доказательстве правила составления трехточечных схем АГ мы пренебрегали влиянием потерь в контуре АГ, а также не идеальностью активного элемента. Указанные допущения позволили нам считать частоту генерации равной частоте параллельного резонанса контура (“нулевое” приближение). Однако эти пренебрежения являются грубыми и не позволяют раскрыть механизм воздействия различных дестабилизирующих факторов на частоту генерации. На практике такие активные элементы как транзисторы имеют достаточно ярко выраженную зависимость коэффициента усиления от частоты, а также значительные величины входной , обратной проходной и выходной проводимостей. Все это вызывает отклонение частоты генерации от ее “нулевого” приближения и ухудшает энергетические показатели АГ. Рассмотрим причины указанного влияния на примере трехточечного АГ.

На рисунке представлена схема трехточечного АГ, в которой активный элемент представлен в виде идеального транзистора с подключенным к нему комплексными сопротивлениями, обусловленными соответствующими проводимостями транзистора

; ; .

Рис.6.Эквивалентная схема транзисторного АГ с конечными значениями проводимостей транзистора

Эти сопротивления, так же, как цепи согласования и ПОС, создают обратную связь с выхода на вход, которая должна быть учтена при анализе. Из рисунка видно, что иммитансы , , включены параллельно элементам контура , , соответственно. Результирующие сопротивления, создающие обратную связь в АГ и определяющие резонансную частоту контура, будут выражаться соотношениями

; ; ,

каждое из которых можно представить в виде суммы активной и реактивной составляющих

, i =1, 2, 3.

Если вес достаточно велик, то коэффициент обратной связи становится величиной комплексной. Его модуль и фазу следует рассчитывать по формулам

В фазовом сдвиге по цепи обратной связи появляется ошибка т.е. фазовый сдвиг по цепи ОС можно записать в виде

.

Как будет показано ниже, появление приведет к отклонению частоты генерации АГ от своего “нулевого” приближения.

Существенное влияние на частоту генерации АГ оказывает также комплексность коэффициента усиления активного элемента.

Для идеального транзистора коэффициент усиления является величиной действительной и при отсчете напряжений от эмиттера транзистора может быть представлен в виде

.

Для реальных транзисторов это выражение справедливо только для очень низких частот в сравнении с предельной частотой транзистора по крутизне . На частотах, сравнимых с , соотношение (14) необходимо записать следующим образом

где - комплексный коэффициент усиления транзистора,

- средняя крутизна транзистора,

- входное сопротивление контура АГ между точками подключения коллектора и эмиттера.

Известно [4, 5], что комплексный характер средней крутизны транзистора обусловлен в основном инерционностью носителей заряда, наличием распределенного сопротивления базы и емкостью базо-эмиттерного перехода. Для частот, не превышающих , расчетное соотношение для записывается в виде

, (16)

где S – крутизна проходной статической характеристики транзистора;

- коэффициент разложения импульса тока косинусоидальной формы с углом отсечки ;

- соотношение рабочей частоты и предельной частоты транзистора по крутизне;

- модуль средней крутизны;

- фаза средней крутизны.

Комплексный характер коллекторной нагрузки обусловлен тем, что он путем расстройки компенсирует фазовые сдвиги и путем отклонением частоты автоколебаний от резонансной частоты контура . При относительно малых отклонениях расчетное соотношение для имеет вид

,

где -сопротивление контура при резонансе

- обобщенная расстройка контура;

- фазовый сдвиг коллекторного контура.

Приведенные соотношения позволяют записать уравнения баланса амплитуд и фаз АГ в следующей форме:

;

.

Для определения частоты генерации АГ необходимо решить трансцендентное уравнение баланса фаз. Поскольку решение этого уравнения затруднительно, воспользуемся графическим методом решения. Графики зависимостей от частоты можно построить, используя выше приведенные соотношения. Поскольку искомое решение всегда располагается вблизи частоты параллельного резонанса коллекторного контура, то поведение фазовых сдвигов целесообразно рассмотреть только в полосе пропускания контура. Для высокодобротных контуров, характерных для АГ, изменения и в полосе пропускания контура незначительны в сравнении с , а поэтому график изменения величины - от частоты можно представить в виде прямой, почти параллельной оси абсцисс. Решению уравнения соответствует абсцисса точки пересечения графиков и .

Рис.7.Графическое решение уравнения баланса фаз АГ

Из рисунка видно, что чем меньше будут фазовые сдвиги и и чем больше добротность контура АГ, тем меньше абсолютное отклонение частоты генерации от резонансной частоты контура. Следует также заметить, что при увеличении частоты генерации фазовые сдвиги средней крутизны и коэффициента обратной связи начинают заметно увеличиваться. Это снижает стабильность частоты генерации, уменьшает уровень отдаваемой транзистором АГ мощности в коллекторную нагрузку и электронный КПД по коллекторной цепи . Величины и АГ можно рассчитать по формулам

,

.

Причины уменьшения и связаны с наличием множителя , который тем меньше, чем выше частота АГ. По этой причине при одинаковом использовании транзистора по току и напряжению мощность и КПД АГ всегда меньше, чем у генератора с внешним возбуждением (ГВВ). С ростом частоты это различие увеличивается. Качественную картину указанного явления можно иллюстрировать графиком, приведенным на рисунке.

Рис.8.

Как видно из рисунка, максимальную рабочую частоту АГ не целесообразно иметь больше из-за значительного ухудшения основных энергетических показателей АГ.

При рассмотрении энергетических показателей АГ необходимо помнить также о том, что КПД контура АГ всегда меньше КПД контура ГВВ, так как часть отдаваемой транзистором АГ мощности отбирается через цепь ПОС и тратится во входной цепи на самовозбуждение. С ростом частоты вес этой части растет, поэтому суммарный КПД АГ уменьшается быстрее, чем это показано на рисунке. Под здесь понимается отношение полезной мощности полученной на внешней нагрузке, к мощности .

Дата добавления: 2015-07-24