Проектирование высокочастотного генератора синусоидальных сигналов

Электронный генератор представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, частоты  и мощности.

По принципу работы и схемному построению различают генераторы с самовозбуждение (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением ,которые по существу являются усилителями мощности генерируемых колебаний заданной частоты .

Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и автогенераторы колебаний несинусоидальной формы, которые принято называть релаксационными (импульсными) автогенераторами.

Являясь первоисточником электрических колебаний, генераторы с самовозбуждением широко используются в радиопередающих и радиоприемных (супергетеродинных) устройствах, в измерительной аппаратуре, в ЭВМ, в устройствах телеметрии и т. д.

По диапазону генерируемых частот генераторы делятся на низкочастотные (от 0,01 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц ) и сверхвысокочастотные (от 100 МГц и выше ).

Широкое внедрение сложных радиоэлектронных устройств в различные отрасли народного хозяйства ставит перед разработчиками радиоаппаратуры две важнейшие задачи: повышение ее надежности и уменьшение массы и габаритов. Надежность аппаратуры в настоящее время повышается за счет применения соответствующей элементной базы и специальных методов построения систем, а основным направлением миниатюризации избирательных и автоколебательных низкочастотных систем, ввиду отсутствия реальных путей миниатюризации катушек индуктивности, является внедрение активных избирательных RC-цепей (активных RC-фильтров и RC-генераторов).

Широкому распространению транзисторных RC-генераторов синусоидальных колебаний способствует простота изготовления, существующие высокостабильные конденсаторы и сопротивления, стабильные операционные и интегральные усилители, а также технологическая перспективность, если учесть прогресс технологии микромодулей и цепей на основе твердого тела.

Целью данной курсовой работы является проектирование низкочастотного генератора синусоидальных колебаний. Параметры генератора представлены в задании на курсовую работу.

В данной курсовой работе необходимо разработать генератор гармонических колебаний, который имел бы такие параметры:

-выходная мощность P_вых= 0,2 Вт;

-сопротивление нагрузки R_н= 2 кОм;

-частота генерируемых колебаний f_н = 5 МГц;

-стабильность частоты .

В результате анализа ТЗ можно сделать вывод, что разрабатываемый генератор относится к высокочастотным генераторам средней мощности. А поскольку применение генераторов с колебательными контурами (типа RC) для генерирования колебаний высокой частоты затруднено, то для проектируемого генератора целесообразно использовать схему типа LC.

Синтез схемы и расчет ее элементов будут произведены в следующих пунктах расчетно-пояснительной записки.

Известно много разновидностей схем транзисторных генераторов типа LC, но любая из них должна содержать: колебательную систему (обычно колебательный контур), в которой возбуждаются требуемые незатухающие колебания; источник электрической энергии, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания; транзистор, с помощью которого регулируется подача энергии от источника в контур; элемент обратной связи, посредством которого осуществляется подача необходимого возбуждающего переменного напряжения из выходной цепи во входную.

Простейшая схема транзисторного генератора типа LC приведена на рисунке 1.1. Такая схема называется генератором в трансформаторной связью и используется обычно в диапазоне высоких частот.

Элементы R1, R2, R3 и С2 предназначены для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. С помощью конденсатора С1 емкостное сопротивление, которого  на высокой частоте незначительно, заземляется один конец базовой обмотки. В момент включения источника питания в коллекторной цепи транзистора появляется ток I_K, заряжающий конденсатор С3 колебательного контура. Так как к конденсатору подключена катушка L1, то после заряда он начинает разряжаться на катушку. В результате обмена энергией между конденсатором и катушкой в контуре возникают свободные затухающие колебания, частота которых определяется параметрами контура

                                        (1.1)

Рисунок 1.1-Транзисторный автогенератор

Переменный ток контура, проходя через катушку L1, создаёт вокруг нее переменное магнитное поле. Вследствие этого в катушке обратной связи L2, включенной в цепь базы транзистора, наводится переменное напряжение той же частоты, с которой происходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока коллектора, в котором появляется переменная составляющая.

Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное транзистором переменное напряжение. Это приводит к новому нарастанию напряжения на катушке связи L2, которое влечет за собой новое нарастание амплитуды тока коллектора и т.д.

Нарастание коллекторного тока наблюдается лишь в пределах активного участка выходной характеристики транзистора. Что же касается амплитуды колебаний в контуре, то ее рост ограничивается сопротивлением потерь контура, а также затуханием, вносимым в контур за счет протекания тока в базовой обмотке.

Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выполнении двух основных условий, которые получили название условий самовозбуждения.

Первое из этих условий называют условием баланса фаз. Сущность его сводится к тому, что в схеме должна быть установлена именно положительная обратная связь между выходной и входной цепями транзистора. Только в этом случае создаются необходимые предпосылки для восполнения потерь энергии в контуре.

Поскольку резонансное сопротивление параллельного контура носит чисто активный характер, то при воздействии на базу сигнала с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекторе будет сдвинуто по фазе на 180^о. Напряжение, наводимое на базовой катушке за счет тока I_K, протекающего через контурную катушку L1, равно

                         (1.2)

где - коэффициент взаимоиндукции между катушками.

Очевидно, необходимо так выбрать направление намотки базовой катушки, чтобы . Только в этом случае общий фазовый сдвиг в цепи усилитель - обратная связь будет равен нулю, т.е. в схеме будет установлена положительная обратная связь. Если же , то обратная связь окажется отрицательной и колебания в контуре прекратятся.

На практике выполнение условия баланса фаз достигается соответствующим включением концов катушек L1 и L2. При отсутствии самовозбуждения необходимо поменять местами концы катушки связи L2. При этом автогенератор должен самовозбудиться, если в схеме нет других неисправностей. Выполнение условия баланса фаз является необходимым, но недостаточным для самовозбуждения схемы. Второе условие самовозбуждения состоит в том, что для существования автоколебательного режима ослабление сигнала, вносимое цепью ОС, должно компенсироваться. Иными словами, глубина положительной ОС должна быть такой, чтобы потери энергии в контуре восполнялись полностью.

При наличии ОС коэффициент усиления равен

                                    (1.3)

где - коэффициент усиления усилителя без обратной связи; - коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для рассматриваемой схемы коэффициент , показывающий, какая часть переменного напряжения контура подается на базу транзистора в установившемся режиме работы, равен

                 (1.4)

где - амплитуда тока в контуре автогенератора.

Учитывая, что усилитель с положительной обратной связью переходит в режим генерации при условии , получаем значение коэффициента передачи цепи обратной связи, необходимое для самовозбуждения,

.                                          (1.5)

Условие самовозбуждения, выраженное формулой (1.5), называют условием баланса амплитуд.

Выбор энергетического режима генератора. Транзисторный автогенератор типа LC может работать в разных режимах. Для установки соответствующего режима выбирается коэффициент использования коллекторного напряжения . Этот коэффициент равен отношению амплитуды переменного напряжения на контуре  к постоянному напряжению на коллекторе Е_К

.                                               (1.6)

Рисунок 1.2 – Графики зависимости коэффициен-тов разложения импульсов тока

При  устанавливается недонапряженный режим работы автогенератора. При  режим работы называют перенапряженным. Обычно используется критический режим работы автогенератора. В этом случае автогенератор отдает требуемую полезную мощность при достаточно высоком КПД. Форма тока в коллекторной цепи автогенератора зависит от режима работы. Если ток проходит на протяжении всего периода напряжение на входе, то колебания его имеют синусоидальную форму и их называют колебаниями первого рода. Этот режим характеризуется малым КПД и поэтому в автогенераторах используется редко. Более выгодным является режим колебаний второго рода с отсечкой коллекторного тока. Угол отсечки коллекторного тока транзистора в критическом режиме составляет .

Известно, что ток, имеющий форму импульсов, можно разложить в ряд Фурье и представить в виде суммы постоянного тока, переменного тока той же частоты, что и частота повторения импульсов, переменного тока удвоенной частоты, а так же переменных токов более высоких частот. Важно отметить, что именно первая гармоника тока  создает на контуре генератора переменное напряжение требуемой частоты, амплитуда которого определяется по формуле

,                                            (1.7)