/
Автор: Грановская Р.А. Постников И.И. Добычина Е.М. Ельцов А.К.
Теги: электроника радиотехника транзисторы электромагнетизм учебное пособие
ISBN: 5-7035-2275-7
Год: 1999
Текст
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(технический университет)
РАСЧЕТ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Учебное пособие
(для дневной и вечерней форм обучения)
Под редакцией проф. Р.А. Грановской
Утверждено
на заседании редсовета
16 октября 1999 г.
Москва
Издательство МАИ
1999
Авторы:
Р.А. Грановская, И.И. Постников,
Б.М. Добычина, А.К. Ельцов
Расчет кварцевых генераторов: Учебное пособие/Р.А. Гранов-
ская, И.И. Постников, Е.М. Добычина, А.К. Ельцов; Под ред. Р.А.
Грановской. — М.: Изд-во МАИ, 1999. — 88 с.: ил.
Рассматриваются схемы и методики расчета транзисторных
кварцевых автогенераторов. Приводятся основные сведения о квар-
цевых резонаторах. Даются краткие описания программ расчета че-
тырех схем автогенераторов.
Пособие предназначено для студентов радиотехнических спе-
циальностей, выполняющих курсовое и дипломное проектирова-
ние.
Рецензенты: О.Н. Ефремов, В.А. Романюк
Тем. план 1999, поз. 14
ГРАНОВСКАЯ Роза Алексеевна
ПОСТНИКОВ Иван Иванович
ДОБЫЧИНА Елена Михайловна
ЕЛЬЦОВ Александр Константинович
РАСЧЕТ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Редактор А.Д. Маркова
Техн, редактор В.Н. Горячева
Сдано в набор 30.09.96. Подписано в печать 15.11.99.
Бум. газетная. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 5,11. Уч.-изд. л. 5,00. Тираж 300.
Зак. 2243/1177. С.54.
Типография Издательства МАИ
125871, Москва, Волоколамское шоссе, 4
ISBN 5—7035—2275—7
© Московский авиационный институт, 1999
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящем пособии даются общие сведения о требованиях,
предъявляемых к стабильности частоты автогенераторов, применяе-
мых в радиотехнических устройствах. Приводится описание кварце-
вых резонаторов (КР), которое затрагивает их электрофизические
свойства: характеристики срезов кварца, виды колебаний, возбужда-
емые в пьезеэлементе, эквивалентная электрическая схема КР. Ана-
лизируются температурно-частотные характеристики КР и зависи-
мость параметров КР от уровня возбуждения. Приводимые таблицы
и рисунки позволяют ознакомиться с классификацией и типовыми
конструкциями КР. Рассмотрены ряд схем построения транзистор-
ных автогенераторов с КР, нашедших широкое применение на
практике. Даваемая оценка их технических характеристик позволя-
ет ориентироваться при выборе схемы автогенератора. Приводимые
методики расчета для четырех основных схем автогенератора с КР
позволяют рассчитать параметры режима работы транзистора, коле-
бательной системы и цепей питания и смещения. Предусмотрены
методики расчета как для автогенераторов, работающих на основ-
ной частоте КР, так и на его механических гармониках. Для удоб-
ства расчета в пособии имеются справочные таблицы. Приводимые
методики расчета легли в основу разработанных программ для пер-
сональных компьютеров и ЭВМ. Для каждой программы дается
краткое описание, позволяющее подготовиться для расчета на ЭВМ.
Полные описания имеются в кабинете курсового проектирования
кафедры.
Пособие написали: А.К. Ельцов — гл. 1, И.И. Постников — гл.
2, Р.А. Грановская — гл* 3, 4, Е.М. Добычина — гл. 5. Общее ре-
дактирование пособия выполнила Р.А. Грановская.
3
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О
СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРОВ
В современной радиоаппаратуре широкое применение нашли ав-
тогенераторы, которые используют в возбудителях радиопередаю-
щих устройств (РПУ) и гетеродинах радиоприемных устройств.
Одним из основных требований, предъявляемых к автогенерато-
рам, обычно является требование стабильности частоты колебаний.
Высокая стабильность частоты возбудителей РПУ и гетеродинов ра-
диоприемных устройств позволяет уменьшить их полосу пропуска-
ния и улучшить помехоустойчивость.
При повышении стабильности частоты радиоаппаратуры можно
увеличить число радиоканалов в заданном диапазоне частот. Ряд
систем связи принципиально требуют высокой стабильности часто-
ты колебаний на выходе РПУ. К таким системам можно отнести,
например, службу единого времени и эталонных частот, синхрон-
ные системы вещания, системы связи с однополосной модуляцией,
системы радиолокации и т.д. Требования к стабильности частоты
некоторых радиосистем приведены в табл. 1.1.
Автогенераторы с объемными кварцевыми резонаторами реализу-
ются на частотах 30...50 МГц на основной частоте и до 150...400
МГц при использовании механических гармоник кварцевых резона-
торов [1]. Кварцевая стабилизация позволяет обеспечить долговре-
менную нестабильность частоты от 10 ~5 до 3 10"11 (суточная).
Кратковременная нестабильность кварцевых автогенераторов при вре-
менах измерения от 10 3 до 10 с лежит в пределах 10 ~9 + 10“7 до
10"10 4-ю-11 [13].
4
Таблица 1.1
Нестабильность частоты радиосистем
Тип радиосистемы Диапазон частот, ГГц Допустимые отклоне- ния частоты
Радиорелейная связь 0,1...0,47 0,47...2,45 2 10"5 10~2 * 4
2,45... 10,5 2 10~4
10,5...40 ЗЮ"4
I Спутниковые системы связи 6,5 4 10“®...3 10"8
| Доплеровские РЛС 10 1О"8...1О"10
Телевизионные станции 0,3...0,1 не более 1 кГц 1
Радиовещательные станции 0,3...0,1 2 10“5
Подвижные станции радиосвя- зи при выходной мощности более 5 Вт менее 5 Вт 0,3...0,1 2 10"6 5 10"®
Радионавигационные системы — 10"‘°..,2 10 ~12
0 Помехоустойчивые системы И радиосвязи — 10 "и... 10 "lz
2. КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
Пьезоэффект известен с конца прошлого столетия, когда фран-
цузские ученые братья Пьер и Жак Кюри открыли новое физиче-
ское явление — пьезоэлектричество. В 1880 г. они опубликовали
статью, в которой описывалось обнаруженное явление — поляриза-
ция некоторых диэлектрических кристаллов в результате воздейст-
вия на них механического давления. Это явление получило назва-
ние прямого пьезоэлектрического эффекта.
Французский физик Липман в 1881 г. после ознакомления с ра-
ботами Кюри, предположил существование обратного пьезоэффекта.
В том же году братья Кюри подтвердили экспериментально, что
под действием приложенного электрического поля в кварцевом кри-
5
сталле возникают механические деформации. Это явление стало на-
зываться обратным пьезоэффектом.
Начало практического использования пьезоэлектричества совпа-
дает по времени с развитием ламповой радиоэлектроники и связан-
ной с ней электроакустики. В это время французский математик и
физик Поль Ланжевен (ученик П.Кюри) предложил использовать в
качестве излучателя и приемника ультразвука кварцевые пластины,
возбуждаемые ламповым генератором. П. Ланжевеном впервые бы-
ло осуществлено возбуждение пьезоэлектрика переменным электри-
ческим полем и, что особенно важно, в режиме резонансных меха-
нических колебаний. Им была оценена эффективность резонансного
возбуждения, установлена высокая добротность колебаний кварце-
вых пластин. Результаты работы П. Ланжевена послужили основой
для дальнейших, более подробных исследований в разных странах.
В 1920 г. профессор Вейслейского университета (США) У. Кэди
изобрел кварцевый резонатор [1], показав возможности использова-
ния его как стабилизатора частоты ламповых генераторов. У.Кэди
использовал кварцевую пластину Х-среза, помещенную между дву-
мя металлическими пластинами. В ней возбуждались механические
колебания в направлении длины, что определяло относительно низ-
кую частоту колебаний резонатора. При включении такого резонатр-
ра между выходом и входом лампового усилителя возникала цепь по-
ложительной обратной связи и в результате возбуждение на частоте
собственных колебаний резонатора. У.Кэди были предложены четы-
рехполюсный резонатор и схема генератора с таким резонатором.
В 1923 г. Г.Пирс (США) предложил новую схему кварцевого ге-
нератора, в которой возбуждались продольные колебания кварце-
вых пластин по толщине, что повысило частоты кварцевых генера-
торов. В конце 20-х годов начали использовать резонаторы У-среза,
в которых возбуждались колебания сдвига по толщине, работавшие
более устойчиво, чем резонаторы с пластинами Х-среза. В 20-х го-
дах учеными разных стран была предложена эквивалентная элект-
рическая схема резонатора, что позволило разработать основы тео-
рии кварцевого генератора.
В нашей стране в 1927 г. в Ленинграде состоялась первая Все-
союзная конференция по пьезоэлектрическим колебаниячм и ис-
пользованию их для стабилизации частоты [2].
2.1. Срезы кварца и их основные характеристики
Кристаллический кварц SiO2 (кремнезем) — безводная двуокись
кремния —* самое распространенное на земле соед*. эние. В нем со-
6
четаются высокая механическая прочно-
сть, химическая стойкость и ярко выра-
женные пьезоэлектрические свойства.
Форма кристалла кварца образована
гранями пяти видов (рис. 2.1). Этих
граней в кристалле кварца шесть: т —
грани, или призматические (грани гек-
сагональной призмы); R — грани, или
грани большого ромбоэдра; г — грани,
или грани малого ромбоэдра. Три треу-
гольные грани R и три грани г на кон-
цах кристалла образуют шестигранный
конус. Кроме того, имеются еще грани
тригональной бипирамиды s и триго-
нального трапецоэдра х.
При рассмотрении пьезоэлектриче-
ских явлений в кварце пользуются пря-
моугольной системой координат с обоз-
начениями осей X, Y, Z. Хотя эти оси
сдвинуты на определенные углы к ис-
тинным кристаллографическим осям
кварца, их обычно называют кристалло-
графическими осями. Ось Z («оптиче-
ская» ось) совпадает с осью симметрии
высшего порядка кварца (третьего) и с
продольной осью кристалла. В этом на-
правлении пьезоэффект не проявляется,
электропроводимость выше, чем в пер-
пендикулярном направлении, отсутствует двойное преломление све-
тового луча. Ось Y (механическая ось) проходит в направлении,
перпендикулярном любой грани призмы. Осей Y в кристалле квар-
ца три (см. рис. 2.1). Ось X (электрическая ось) направлена пер-
пендикулярно оси Y и, следовательно, проходит параллельно какой-
либо из граней призмы. Три электрические оси X расположены в
плоскости, перпендикулярной оптической оси, под углом 120* друг
к другу. Каждая из механических осей Y перпендикулярна оптиче-
ской оси и одной из электрических осей (см. рис. 2.1). По оси X
механические силы вызывают наиболее интенсивное появление
электрических зарядов на ребрах призмы, т.е. в направлении этой
оси кристалл кварца обладает наибольшими пьезоэлектрическими
7
свойствами. Электрическое напряжение, приложенное вдоль оси X,
вызывает механическое напряжение вдоль оси Y.
Для изготовления кварцевых резонаторов (КР) кристаллические
элементы (пластины, бруски и т.п.) вырезаются из кристалла кварца
под различными углами относительно кристаллографических осей. Та-
кая ориентация кристаллографического элемента называется срезом.
Существует понятие первоначальной ориентации, когда все грани пье-
зоэлемента параллельны кристаллографическим осям. Условное обоз-
начение первоначальной ориентации пьезоэлемента (ПЭ) состоит из
двух букв: первая (х, у или z) указывает, какой из осей параллельна
толщина пьезоэлемента, вторая — какой из осей параллельна его дли-
на. За толщину принимается наименьший размер, а за длину — на-
ибольший. На рис. 2.2 приведены все шесть возможных первоначаль-
ных ориентаций кристаллических элементов, имеющих форму прямо-
угольных пластин, где I —• наибольшее (длина), b — среднее (шири-
на) и s — наименьшее (толщина) ребро кристаллического элемента.
Упомянутые ранее X и Y срезы на рис. 2.2 имеют соответственно
обозначения ху и ух.
$№3 TZ
Рис. 2.2
8
Последовательно поворачивая вокруг ребер ПЭ на различные уг-
лы, можно получить различные ориентации или так называемые
«косые» срезы. Условное обозначение кристаллического элемента
любого среза, грани которого образуют углы с кристаллографиче-
скими осями, составляется из обозначения первоначальной ориента-
ции, к которому добавляется одна, две или три буквы Пер-
вая буква указывает, какое направление вдоль длины, ширины или
толщины имеет то ребро кристаллического элемента, которое слу-
жит осью первого его поворота из положения первоначальной ори-
ентации. Последующие буквы, если они имеются, показывают, вок-
руг каких ребер кристаллического элемента производятся остальные
повороты. Углы первого, второго и третьего поворотов пьезоэлемен-
та вокруг этих осей обозначаются соответственно буквами
а, р и у, проставляемыми через косые линии. Числа, проставляе-
мые вместо этих букв, показывают величину углов поворота. Угол
поворота считают положительным, если он будет происходить про-
тив часовой стрелки. На рис. 2.3, в качестве примера, показаны
ориентации ПЭ одноповоротного (а) среза ух//р* (ВТ, ДТ) и двух-
поворотного (б) среза ухЫ/-у /+р* (ИТ). Срез ВТ получен путем
поворота ПЭ вокруг оси X по часовой стрелке на угол Р = 47*...5О*
а срез ИТ при фиксированных значениях угла у=19*06', 13*54',
23*25' имеет переменные значения угла р = 33...35* [3].
Рис. 2.3
9
Каждый срез кварца характеризуется частотным коэффициентом
, связывающим резонансную частоту пьезоэлемента /кв с его час-
тотно-определяющим размером а соотношением ^-fKna. Величина
этого коэффициента зависит от физических свойств (плотности, уп-
ругости) и ориентации ПЭ и его формы. По значению частотного
коэффициента можно приблизительно оценить диапазон частот, пе-
рекрываемых ПЭ тех или иных срезов, или, наоборот, по заданной
частоте /кв резонатора можно определить частотно-задающий размер
пьезоэлемента а. Например, при продольных колебаниях частотно-
определяющим размером является длина пьезоэлемента I, при ко-
лебаниях сдвига по толщине — толщина t. Так, при колебаниях
сдвига по толщине приближенное значение для плоских пластин
будет: АТ-срез — Ау= 1670 кГц • мм; БТ-срез — Zy= 2550 кГц • мм.
Для ПЭ переменной толщины (например, двояковыпуклая или пло-
сковыпуклая линза) величина частотного коэффициента — перемен-
ная и для линз АТ-среза лежит в пределах 1680...2060 кГц мм
[4].
Частоту колебаний таких пластин можно приближенно найти из
формулы
/Кв = Л//<« (2-1)
а для АТ-среза
/кв[ МГц ]6= 1,67 /t [мм]. (2.2)
Из (2.2) следует, что для получения резонатора с частотой
/ = 1 МГц на первой гармонике необходимо иметь пластину АТ-
среза толщиной £=1,67 мм, /КВ = Ю МГц — £ = 0,167 мм, /кв = 100
МГц — £=16,7 мкм.
Для изготовления резонаторов на очень высокие частоты приме-
няются ПЭ, выполненные в виде мембран. С этой целью у ПЭ, об-
работанных механическими способами до толщины 50...60 мкм, ма-
скируется периферийная часть, а открытая центральная травится во
фторосодержащих реактивах или методами плазмохимического трав-
ления до заданной толщины вплоть до нескольких микрометров
[5]. Мембранные ПЭ изготавливают на частоты 50..ЛОО МГц на ос-
новной моде колебаний (рис. 2.4). Они обладают достаточной меха-
нической прочностью благодаря наличию относительно толстого
обода.
10
Рис. 2.4
Нижняя граница частотного диапазона каждого среза ограничива-
ется возможностью применения резонаторов больших размеров и не-
достаточной их механической прочностью; верхняя граница диапазона
среза определяется уровнем технологии производства, обеспечиваю-
щим возможность выполнения пьезоэлементов с малыми частотно-оп-
ределяющими размерами. Обычно диапазон частот до 30...50 МГц пе-
рекрывается резонаторами с ПЭ АТ-среза, совершающими колебания
сдвига по толщине первого порядка (см. рис. 2.4). На более высоких
частотах используются нечетные колебания высших порядков (оберто-
нов): третьего — до 100 МГц, пятого — 100...150 МГц, седьмого — до
250 МГц, девятого — до 300 МГц. Применение мембранных ПЭ по-
зволяет исполнять резонаторы АТ на частоты 80...100 МГц, используя
колебания первого порядка, а на частоты до 500 МГц и выше — не-
четные колебания обертонов [1].
2.2. Виды колебаний, возбуждаемые в пьезоэлементах
Для возбуждения колебаний резонатора необходимо к его элект-
родам подвести переменное напряжение. Тогда ПЭ, благодаря об-
ратному пьезоэффекту, начнет колебаться синхронно с приложен-
ным напряжением. При этом амплитуда колебаний ПЭ будет мак-
симальной на резонансной частоте, которая определяется его фор-
мой и геометрическими размерами. Во время колебаний ПЭ его
форма изменяется относительно линии, или плоскости, проходящей
11
через геометрический центр ПЭ, причем эта линия (плоскость) не
испытывает деформаций. На ней располагаются узловые точки ко-
лебательных волн. Для уменьшения потерь на трение ПЭ крепиться
в узловых точках колебаний. Различным видам колебаний соответ-
ствует свое особое расположение узловых точек.
В пьезоэлементах различных срезов могут быть возбуждены че-
тыре основные вида колебаний:
1. Продольные колебаний (сжатия-растяжения), происходящие
по длине ПЭ. Размер, определяющий частоту колебаний — длина.
2. Колебания сдвига по толщине и по контуру (по грани). В
первом случае размером, определяющим частоту колебаний, будет
толщина, а во втором случае — контурный размер ПЭ.
3. Колебания изгиба, происходящие по грани или толщине ПЭ в
различных плоскостях.
4. Колебания кручения, которые можно возбудить в ПЭ, имею-
щих форму бруска (стержня).
Использование всего разнообразия видов механических колеба-
ний, имеющих к тому же различные скорости их упругих волн
(5500 и 3500 м/с соответственно для продольных и поперечных уп-
ругих волн), а также различные частотные (волновые) размеры, в
направлении которых происходит распространение упругих волн,
позволяет без перерыва получать КР, начиная с области звуковых
частот (от нескольких сотен герц) до частот СВЧ-диапазона, кото-
рый достигает сегодня 500... 1000 МГц. Таким образом, перекрытие
диапазона частот пьезорезонаторов характеризуется числом 106, а
отношение частотных размеров, которые находятся в пределах от
50 мм до 50 мкм, достигает 103.
На рис. 2.4 приведена диаграмма, иллюстрирующая перекрытие
диапазона частот КР разных видов колебаний [1]. Границы отдель-
ных поддиапазонов несколько условны и по мере развития иссле-
дований и техники производства их положение меняется. Расшире-
ние диапазона частот в область низких частот достигается в резуль-
тате использования изгибных колебаний, скорость которых сущест-
венно ниже скорости продольных сдвиговых волн и зависит от ча-
стоты. Расширение диапазона частот в область высоких частот до-
стигается возбуждением в тонких пластинах гармонических оберто-
нов толщинных колебаний. Технологические достижения последних
лет позволяют изготовлять очень тонкие кристаллические пластины
(мембранные элементы) толщиной несколько микрометров, способ-
ные возбуждать колебания с частотой до 1000 МГц.
12
Вырезая определенным образом ориентированные относительно
кристаллографических осей пьезоэлементы, можно получить пере-
численные выше виды колебаний, при которых параметры пьезоэ-
лементов будут наилучшим образом соответствовать требованиям.
Так, для частотного диапазона от 1000 кГц до 300 МГц и выше
используются пьезоэлементы с колебаниями сдвига по толщине.
Сдвиговые колебания отличаются большой сложностью формы и
разнообразием мод, что потребовало в свое время продолжительных
и сложных теоретических и экспериментальных исследований для
получения требуемых характеристик резонаторов.
Сложность форм и разнообразие мод толщинно-сдвиговых коле-
баний определяют сложность спектра их частот и наличие значи-
тельного числа близких по частоте побочных резонансов. Побочные
резонансы по своей природе определяются гармоническими оберто-
нами основного рабочего колебания, ангармоническими обертонами;
сдвиговыми колебаниями другой основной моды и ее гармонически-
ми и ангармоническими обертонами; колебаниями других видов, ча-
сто связанных с колебаниями сдвига. Схематическое изображение
спектра частот сдвиговых колебаний с учетом только гармониче-
ских и ангармонических обертонов сдвига по толщине приведено
на рис. 2.5. Здесь цифрами 3, 5 обозначены номера гармонических
обертонов (механических гармоник), которые отличаются от основ-
ного колебания (обозначено 1) «почти» в целое число раз (КР ха-
рактеризуются некратностью частот гармонических колебаний, за-
ключающейся в том, что частота колебаний ПЭ, возбужденного на
n-й механической гармонике, несколько меньше частоты основного
колебания, умноженного на п). Следует также отметить, что интен-
сивно возбуждаются только гармонические обертоны нечетного по-
рядка, имеющие пучности смещений на поверхности ПЭ. В то же
время для обертонов четного порядка поверхность ПЭ будет являть-
ся узловой поверхностью и, следовательно, для них наведенный на
поверхности интегральный пьезоэлектрический заряд равен нулю
(Скв = 0). На рис. 2.6 показан характер распределения вдоль оси
Рис. 2.5
13
X амплитуд смещения (Unii) частиц поверхности ПЭ для основно-
го колебания п=1 (а) и третьего обертона — третей гармоники
п = 3 (б).
Ангармонические обертоны (ангармоники) представляют моды
сдвиговых колебаний ПЭ, частоты которых определяются одним и
тем же волновым размером (толщиной ПЭ), но характеризуются
более сложным движением. Частоты ангармоник близки, а их раз-
личие обусловлено различным порядком колебаний, который уста-
навливается в направлении, перпендикулярном волновому (в пло-
скости XZ). На рис. 2.7 изображено распределение смещений на
поверхности ПЭ для гармонического колебания (nil) и ангармони-
Рис. 2.6
Рис, 2.7
14
ческих колебаний разных порядков (п13, п!5). Индексы показыва-
ют число полуволн, укладывающихся вдоль осей У, X и Z соответ-
ственно. При гармоническом колебании (nil) все смещения на
поверхности пластины происходят в одной и той же фазе (см. рис.
2.7). При ангармонических колебаниях смещения в различных час-
тях поверхности ПЭ происходят в противоположной фазе (см., на-
пример, смещения частиц ПЭ относительно оси Z для ангармониче-
ских колебаний п13, п!5 на рис. 2.7). Отметим, что ангармониче-
ские колебания расположены очень близко от соответствующих гар-
монических обертонов (см. рис. 2.5).
Ввиду того, что частоты ангармоник мало отличаются от частоты
рабочего резонанса, это может, например, привести к перескоку ча-
стоты кварцевого генератора, поэтому вопросам ослабления побоч-
ных резонансов необходимо уделять постоянное внимание при раз-
работке резонаторов.
2.3. Эквивалентная электрическая схема резонатора
Для описания характеристик цепей с распределенными парамет-
рами, к которым относится КР, широко используются эквивалент-
ные схемы, составленные из элементов со сосредоточенными пара-
метрами. В области частот, близких к
резонансу, характер проводимости пьезо-
резонатора оказывается сходным с про-
водимостью электрического последова-
тельного колебательного контура, шунти-
рованного конденсатором, что дало осно-
вание Ван Дейку предложить для КР
эквивалентную электрическую схему,
приведенную на рис. 2.8, а. Рис. 2.8
Элементы эквивалентной электрической схемы называют эквива-
лентными электрическими или динамическими параметрами резона-
тора. Это динамическая (эквивалентная) индуктивность LKB, дина-
мическая (эквивалентная) емкость Скв, динамическое (эквивалент-
ное) сопротивление гкв и параллельная емкость Cq . Параллельная
емкость Cq для резонаторов из «слабых» пьезоэлектриков, к кото-
рым относится и кварц, может считаться почти постоянной и ее ча-
ще называют статической емкостью. Реактивные динамические па-
раметры LKB и Скв определяются упругими, диэлектрическими и
пьезоэлектрическими коэффициентами, а также плотностью пьезоэ-
15
лектрика. Значения этих параметров существенно зависят от среза
пьезоэлемента, вида и частоты возбуждаемых механических колеба-
ний, формы и размеров пьезоэлемента и возбуждающих электродов.
Динамическое сопротивление зависит от внутреннего трения и ис-
точников других механических потерь. Индуктивность характеризу-
ет инерционность, емкость — упругие свойства ПЭ, а сопротивле-
ние — потери энергии при колебаниячх.
Из четырех эквивалентных параметров только параллельная ем-
кость имеет конкретное физическое воплощение, ее значение опре-
деляется межэлектродной емкостью пьезоэлектрика, емкостями кор-
пуса и монтажа. Она может быть непосредственно измерена с не-
которым приближением известными методами. Динамическое сопро-
тивление также может быть измерено непосредственно, например с
помощью мостового измерителя полных сопротивлений. Динамиче-
ские индуктивность и емкость могут быть измерены только косвен-
ными методами.
Пьезорезонаторы обычно имеют несколько резонансов, обуслов-
ленных колебаниями разных видов или обертонами какого-либо ви-
да колебаний. В этом случае эквивалентная схема, отражающая на-
личие нескольких резонансов,
£>=Г
о*
Рис. 2.9
Ьгмпр
Сптр
Rnmp
выглядит в виде параллельного сое-
динения ряда динамических ветвей,
шунтированного общей параллель-
ной емкостью (рис. 2.9). Каждая
динамическая ветвь имеет значения
параметров, соответствующие каж-
дому резонансу, рассматриваемому
отдельно от остальных. Следует
иметь в виду, что эквивалентная
схема удовлетворительно описывает резонансную характеристику
только в случаях, когда вблизи нет побочных резонансов, располо-
женных настолько близко, что обнаруживается связь с основным
резонансом.
Как всякая колебательная система, КР оценивается добротно-
стью @кв, определяемой отношением реактивной мощности Рх к
мощности потерь Рг:
@кв=Лг/Рг=Р/гкв’
(2.3)
где р = (LKB /Скв)0,5 — волновое сопротивление контура.
Кварцевые резонаторы характеризуются малой величиной емкости
Скв (сотые и тысячные доли пикофарад) и большой индуктивностью
16
£кв (Д° нескольких тысяч генри), что обусловливает весьма боль-
шое волновое сопротивление р. Добротность КР QKB при сравнитель-
но больших величинах сопротивления гкв (от десятков до тысяч Ом)
также достигает больших величин (от десятков тысяч до нескольких
миллионов).
При работе КР на механических гармониках параметры резона-
тора будут отличны от параметров КР, работающего на основной
частоте или другой гармонике. В литературе приводятся следующие
выражения для определения эквивалентных параметров КР при ра-
боте на механических гармониках [3]:
L кв п = кв 9 С кьп~ С кв 9 г кв n “ 71 г кв 9 кв п “ кв (2-4)
где п — порядковый номер гармоники.
Замена КР электрическим колебательным контуром для резонан-
сного колебания, который полностью воспроизводит свойства резо-
натора, позволяет рассматривать КР как элемент электрической це-
пи и использовать известные методы расчета электрических схем с
применением резонаторов.
Учитывая высокую добротность КР, при
анализе эквивалентной схемы величиной г
можно пренебречь, т.е. эквивалентную схему
можно считать чисто реактивной. Кривые за-
висимости реактивного сопротивления такой
схемы от частоты (рис. 2.10) имеют характер-
ные точки (резонансные частоты/кв и/0):
Рис. 2.10
/кв = 1 /2я л/ьквСкв, /0 = 1 /2п ^ЬКВСКВСО/(СКВ + СО). (2.5)
Первый резонанс на более низкой частоте /кв характеризуется
низким сопротивлением, второй — на более высокой частоте /0
имеет высокое сопротивление. Резонанс эквивалентной схемы на
частоте / обусловлен последовательным резонансом ветви, состоя-
щей из последовательного соединения индуктивности LKB, емкости
Скв и сопротивления гкв. Эту ветвь называют динамической или
пьезоэлектрической. Ее элементы физически не существуют, а их
параметры могут быть определены только в условиях резонансного
возбуждения. Второй резонанс на более высокой частоте /0 — па-
17
раллельный резонанс, возникающий в параллельном контуре, одна
ветвь которого содержит емкость Со, а другая — последовательное
соединение элементов LKB, Скв и г кв. Этот резонанс характеризует-
ся высоким сопротивлением.
Интервал между частотами /0 и fKB, где сопротивление схемы
имеет индуктивный характер (Хкв>0) называется резонансным
промежутком. Сопротивление вне этой области частот отрицательно,
т.е. имеет емкостной характер.
Учитывая, что обычно Скв/С'0<<1 можно пользоваться при-
ближенным выражением
/о=/кв(1 + ^кв/2Со), (2.6)
откуда
Д/р=/0-/кв«(1/2а)/кв. (2-7)
где а = С’0/Скв — емкостной коэффициент, характеризующий ве-
личину резонансного промежутка Д/р. Относительный резонанс-
ный промежуток для КР составляет Д/р//кв«10“3... 10~4. Мак-
симальное значение резонансного промежутка для КР в относитель-
ных единицах составляет 0,004 (или 0,4%). Следует отметить, что
часто также используется обратное отношение р = 1 /а = С кв /Со ,
называемое коэффициентом включения контура.
Резонатор можно рассматривать и в виде последовательной схе-
мы замещения, состоящей из последовательного соединения актив-
ной /?кв и реактивной Хкв составляющих полного сопротивления
Zкв (см. рис. 2.8, б). Тогда полное сопротивление КР, используя
схему на рис. 2.8, а, найдем из соотношения [8]:
где v — обобщенная расстройка частоты генерации f относительно
/кв, определяемая следующим образом:
“квЧвГ f /кв"! 2(/-/ )
V - —~ — -j ~ V Кв f <
КВ КВ J j J кв
(2.9)
a QKB — добротность КР при последовательном резонансе,
Q KB = G)KBLKB/rKB»G)KB = 2n/KB, (О = 2л/
Ко Ко Ко Ко * Ко и Ко *
18
Если частота /, расположенная в интервале /кв .../0 не слишком
близка/о, то можно считать шС'о«соквС'о. Тогда формула (2.8)
упрощается:
2кв“гкв(1+>у)/(1-'Г0У + т0), (2.10)
где то = юкв^Огкв нормированная статическая емкость КР
Cq и для последовательной схемы замещения на рис. 2.8, б, ак-
тивную 7?кв и реактивную Хкв составляющие полного сопротивле-
ния Z V=R vn+j X можно найти из формул:
КВ КВ w КВ АЛ. *
Я кв = гкв/[ ( 1 - * О v ) 2 + ]. ^kb = «kb(-''0 + v-'c0v2)- (2.11)
Обычно т о « 1 поэтому для небольших расстроек v можно пре-
2
небречь в формуле (2.11) членами xov и тогда
кв г кв>
(2.12)
* кв 0 кв ~ ~ О Г кв *
Характер приближенных частот-
ных зависимостей величин Zvn,
КН
Rпоказан на рис. 2.11, где
количественные соотношения ни по
одной из осей в линейном масшта-
бе соблюсти невозможно, так как значения параметров различаются
на много порядков.
2.4. Температурно-частотные характеристики (ТЧХ)
резонаторов
Обеспечение минимально возможных изменений частоты в ши-
роком интервале температур — одно из основных требований,
предъявляемых к КР. Изменение частоты собственных колебаний
КР при воздействии температуры обусловлено температурными из-
менениями физических свойств (упругости и плотности) и размеров
ПЭ из-за линейного расширения кварца. В кристаллах кварца су-
ществуют такие срезы, которые позволяют получать кристалличе-
ский элемент с изменением собственной частоты колебаний равным
нулю в отдельных точках интервала температуры, т.е. с нулевым
19
температурным коэффициентом час-
тоты (ТКЧ), или кристаллический
элемент с небольшим изменением
частоты колебаний в широком ин-
тервале температур.
Типовые ТЧХ КР с различными
срезами ПЭ приведены на рис. 2.12.
Изменив угол среза, можно сме-
стить прямолинейный участок ТЧХ,
а также сделать ТКЧ равным нулю
в любой точке интервала рабочих температур. Практически значе-
ние угла среза ПЭ выбирается с таким расчетом, чтобы нулевые
значения ТКЧ совпадали примерно с серединой рабочего интервала
температур КР.
Небольшой ТКЧ в довольно широком интервале температур име-
ют кварцевые резонаторы АТ-среза. ТЧХ этих резонаторов имеет
форму кубической параболы (см. рис. 2.12), которая характеризует-
ся двумя экстремумами и, как правило, тремя точками перехода
через нуль, причем средней из них соответствует температура около
27°С. Увеличивая угол среза Р, можно раздвинуть точки экстрему-
ма ТЧХ и таким образом расширить оптимальные границы рабо-
чих температур. При этом экстремальные значения и угол наклона
средней части ТЧХ также увеличиваются, т.е. кривые ТЧХ как бы
разворачиваются вокруг пересечения с осью температур.
Необходимо отметить, что ТЧХ КР, работающих на основной ча-
стоте и на гармониках (а также ангармониках), различны, что не-
обходимо учитывать при применении резонаторов. Следует также
иметь в виду, что в широком диапазоне температур изменение ча-
стоты даже при выборе наиболее благоприятных срезов все-таки до-
вольно велико, в связи с чем на практике для повышения стабиль-
ности частоты применяют термостатирование резонаторов и термо-
компенсирование.
2.5. Зависимость параметров КР от уровня возбуждения
Параметры, определяющие стабилизирующие свойства КР, могут
быть резко ухудшены при неправильном выборе режимов и усло-
вий их применения в конкретных схемах аппаратуры. Уровень воз-
буждения КР является дестабилизирующим фактором, влияние ко-
торого может привести к смещению резонансных частот, изменени-
ям сопротивления и добротности, деформациям АЧХ и ТЧХ, изме-
нению спектра побочных колебаний, изменениям долговременной
20
нестабильности и др. Поэтому от выбранного уровня возбуждения
зависит стабильность частоты генератора, спектр шумов выходного
сигнала, устойчивость работы в диапазоне изменения температуры.
Мощность рассеяния на пьезоэлементе КР рассчитывается по одной
из формул [3]:
т 2 р г г 2
Ркв =-----ИЛИ Ркв=~-------------------2~, (2.13)
кв (1-VT§) + T§ кв Якв(1+У2)
где I — действующий ток, протекающий через КР, измеренный в
рабочей схеме генератора; UKS — действующее напряжение на КР.
Если мощность возбуждения превышает допустимый уровень, то
возникают необратимые изменения частоты и сопротивления. При
дальнейшем увеличении мощности происходит разрушение ПЭ или
его крепления. Повреждения возникают, как правило, в пучностях
механических напряжений, которым соответствуют узлы смещения.
Эти напряжения пропорциональны реактивной компоненте тока, те-
кущего через КР, или реактивной мощности. При резонансных ко-
лебаниях высокодобротной системы (высокодобротных ПЭ) напря-
жения достигают столь больших значений, что могут превысить
предел прочности кристалла. Элементы крепления также подверга-
ются интенсивным механическим нагрузкам. У высокочастотных
КР сдвиговых колебаний в случае превышения допустимой нагруз-
ки появляются небольшие трещины или отслоения электродных по-
крытий. Эти дефекты возникают в зонах локализации колебаний,
где к механическим нагрузкам прибавляется термическое воздейст-
вие. Значение максимальной допустимой мощности, рассеиваемой
КР с ПЭ разных видов колебаний, приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Максимальная допустимая мощность рассеяния на КР
| Вид колебаний Частотный диапазон, кГц Мощность, мВт
Изгибные 1...100 0,1
Крутильные 30...800 1,0
Продольные 5O...2OO 1,0
Сдвиговые (контурные) 200...1000 1,0
Сдвиговые (толщинные) 400...200000 2,0
В ряде случаев в качестве критерия ограничения уровня воз-
буждения принимается нестабильность частоты, которая возникает
при изменении мощности на 10% или 1 дБ. Не рекомендуется пре-
21
вышать мощность, изменения которой на 10% вызывают расстрой-
ку более 10 Эта граничная область у КР разных типов состав-
ляет десятки-сотни микроватт. В частности, при эксплуатации пре-
цизионных резонаторов на частоты 2,5 и 5 МГц рекомендуется ус-
танавливать уровень возбуждения не более 10 мкВт, технических
КР на те же частоты — не более 100...200 мкВт. Отечественным
стандартом [6] оговорен ряд значений рекомендуемой мощности
для всех типов КР (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Рекомендуемая мощность рассеяния в КР
1 Частотный | диапазон, кГц Порядок колебаний Мощность, мВт 8
Термостатируемые резонаторы Нетермостатируемые резонаторы
4...50 Первый 0,005 0,01
50...800 То же 0,200 0,50
Свыше 800 То же 0,500 1,00
| Свыше 15000 Высший 0,200 0,50
Таким образом, выходная мощность кварцевого генератора дол-
жна быть небольшой, чтобы обеспечить его работу при номиналь-
ном уровне возбуждения. Следует указать также на нежелатель-
ность большого уменьшения уровня возбуждения резонаторов отно-
сительно номинального, так как при этом могут быть не обеспече-
ны условия устойчивого самовозбуждения генератора.
2.6. Классификация, типовые конструкции резонаторов
и их обозначения
Кварцевые резонаторы классифицируются в зависимости от на-
значения, угла среза и вида колебаний используемых в них пьезо-
элементов, конструктивного исполнения, технологических и других
особенностей. Классификация кварцевых резонаторов по типам сре-
зов и видам колебаний была рассмотрена ранее.
По конструктивному исполнению (виду герметизации) кварце-
вые резонаторы делятся на две группы: вакуумные (остаточное дав-
ление <10~3 мм рт.ст.) и герметизированные (рис. 2.13), а по
функциональному назначению — на генераторные и фильтровые
(рис. 2.14).
Генераторные резонаторы, в свою очередь, подразделяются (в за-
висимости от уровня требований к точности настройки и стабильно-
22
Рис. 2.13
Рис. 2.14
сти частоты) на резонаторы общего применения и прецизионные,
термостатируемые (для использования совместно с термостатом) и
термокомпенсируемые (для схем генераторов с термокомпенсацией
частоты).
Кроме того, резонаторы различают по материалу и конструкции
(типу) корпуса, виду герметизации, конструкции выводов, габарит-
ным размерам и другим конструктивным параметрам.
Вакуумные кварцевые резонаторы выполняются в стеклянных
баллонах различных типов и размеров на диапазон частот от 4 кГц
до 300 МГц. Герметизированные кварцевые резонаторы выпускают-
ся в основном в металлических корпусах различных типов на диа-
пазон частот от 50 кГц до 100 МГц.
К прецизионным относятся резонаторы с допускаемым отклоне-
нием рабочей частоты от номинальной (точность настройки)
23
3 10 6 и менее, добротностью Q > 106 и изменением частоты во
времени (старением) не более 10 ~ 8 за неделю (или 10“9 за сутки).
Герметизированные плоские кварцевые резонаторы выпускаются
в корпусах двух типов:
М — миниатюрные, на диапазон частот от 5 до 100 МГц;
Б — малогабаритные, на диапазон частот от 500 кГц до 100
МГц.
Вакуумные кварцевые резонаторы изготовляются в стеклянных
корпусах (баллонах) следующих типов:
Э — миниатюрные, на частоты от 4 до 800 кГц и от 4,5 до 300
МГц, в баллоне с диаметром до 10,2 мм с восемью наружными вы-
водами;
С — малогабаритные, на частоты от 4 до 100 Мгц, в баллонах с
диаметром до 19 мм с семью наружными выводами;
Д — малогабаритные, на частоты от 500 до 750 кГц, в баллонах
диаметром до 22,5 мм с девятью наружными выводами;
Ц — на диапазон частот от 1 до 10 МГц, в баллонах диаметром
до 300 мм с двумя наружными выводами.
Успешно развивается также производство вакуумных резонато-
ров в плоских стеклянных баллонах типа К1. По внешнему виду,
конструкции и габаритным размерам они подобны металлическим
герметизированным резонаторам в корпусе типа М, но уровень и
стабильность их параметров значительно выше.
На рис. 2.15 представлены металлические корпуса резонаторов:
а — миниатюрный плоский с двумя выводами под панель; б —- ми-
ниатюрный цилиндрический с четырьмя выводами под пайку; в —-
малогабаритный плоский с двумя выводами под панель. На рис.
2.16 приведены примеры стеклянных баллонов: а — миниатюрный
плоский с двумя выводами под панель, а также цилиндрические
баллоны с семью выводами под панель (б) и с четырьмя выводами
под пайку (в). Более подробно о конструкциях и внешнем виде
кварцевых резонаторов см. [1].
Для резонаторов установлены стандартные условные обозначе-
ния, которые полагается использовать в технической документации
и которые по возможности маркируются на корпусе резонатора и
вписываются в их паспорта. Условные обозначения делятся на пол-
ные, содержащие наиболее существенную информацию о парамет-
рах резонатора, и сокращенные, связанные через регистрационный
номер с технической документацией, в которой содержится нужная
информация.
24
Рис. 2.15
Рис. 2.16
О)
Условное обозначение конкретного резонатора состоит из череду-
ющихся групп букв и цифр, обозначающих различные характери-
стики. Первая буква Р ставится для всех случаев, так как она яв-
ляется начальной слова «резонатор» и обозначает его. Вторая буква
обозначает вид пьезоэлектрика (для кварца — К, для танталата
литтия — Т). Следующее за ними число обозначает регистрацион-
25
ный номер резонатора, а две буквы за ними — вариант типа кор-
пуса. Далее следует число, обозначающее класс точности настройки
частоты. Следующие буквы обозначают интервал температур и ве-
личину изменения частоты в этом интервале, а стоящее за ними
число есть значение номинальной частоты в килогерцах, если за
числом стоит буква К, или в мегагерцах, если за числом стоит бук-
ва М. Пример такого обозначения:
РК483КА-15ДР-5000К.
Полное условное обозначение содержит следующую информацию:
резонатор кварцевый с регистрационным номером 483 в стеклян-
ном корпусе типа КА, с точностью настройки частоты
±20,0 -10 с изменением частоты от температуры ±25,0-10 ~ 6
в интервале температур -4О...85°С, с номинальной частотой 5000
кГц.
Пример сокращенного обозначения выглядит следующим обра-
зом: РК483-5000К. Это обозначение содержит только информацию,
свидетельствующую, что резонатор кварцевый, имеет регистрацион-
ный номер 483 и номинальную частоту 5000 кГц.
В технической документации стандартом [7] в зависимости от
назначения обязательно указываются следующие электрические па-
раметры: сопротивление гкв (или добротность), индуктивность
LKB, параллельная емкость и емкостной коэффициент
а = С 0 /С кв .
2.7. Выбор резонатора для генератора
При выборе КР для конкретной схемы применения необходимо,
в первую очередь, исходить из назначения, условий и режимов их
использования. КР способны надежно выполнять свои функции в
аппаратуре в течение всего времени ее эксплуатации и хранения
лишь при соблюдении установленных для них режимов и условий
работы, правил обращения и условий хранения. Правильный выбор
КР также определяется требованиями к надежности и стабильности
устройств, в которых он должен использоваться. В зависимости от
того, где будут использоваться КР (в схеме генератора или в схеме
фильтра), к ним предъявляются различные требования.
При использовании КР в генераторной схеме от него требуется,
прежде всего, минимальная температурная и временная нестабиль-
ность, максимальная добротность (минимальное динамическое со-
26
противление). Большую температурную нестабильность имеют квар-
цевые генераторы, работающие в широком интервале температур,
что определяется в основном температурной нестабильностью КР,
которая пока велика даже у лучших резонаторов. Повысить ста-
бильность генераторов можно применением термостатирования КР
или всего кварцевого генератора. Однако при этом увеличиваются
потребление энергии и время готовности генераторов, снижается на-
дежность и увеличиваются габаритные размеры за счет применения
термостатирующих устройств.
Повышения стабильности частоты кварцевых генераторов (КГ)
можно добиться применением термокомпенсации, заключащейся в
таком воздействии на КР, которое вызывает изменение частоты, об-
ратное изменению частоты под влиянием температуры.
При выборе КР для генераторов следует особое внимание обра-
щать на величину динамического сопротивления резонаторов, кото-
рое определяет стабильность генератора и его напряжение на выхо-
де. Для конкретных типов КР величина динамического сопротивле-
ния в нормальных условиях может изменяться в два-три раза и
еще в больших пределах при рабочих температурах. Поэтому потре*
битель должен рассчитывать схему на наибольшую величину сопро-
тивления резонатора, указываемую в ГОСТ или ТУ, чтобы обеспе-
чить нормальную работу КГ. При этом надо иметь в виду, что
уменьшение динамического сопротивления резонатора может приве-
сти к превышению рассеиваемой мощности сверх допустимой.
Долговременная стабильность КГ, в основном, определяется ста-
рением используемого в нем КР. Из современных типов КР наи-
меньшим старением обладают вакуумные резонаторы. При этом не-
обходимо учитывать, что долговременная стабильность частоты ре-
зонаторов одного и того же типа среза ухудшается с повышением
частоты. Кроме того, старение в значительной степени зависит от
температуры, при которой работает резонатор. Поэтому необходимо
выбрать КР и условия его применения такие, чтобы получить от
резонатора максимальную стабильность.
В табл. 2.3 приведены усредненные параметры кварцевых резо-
наторов, которые можно использовать для оценочных расчетов ге-
нераторов, а в табл. 2.4 — параметры отдельных типов КР, выпу-
скаемых предприятиями России.
27
Таблица 2.3
Усредненные параметры кварцевых резонаторов
Тип Частота /кв »» МГц Сопротивле- ние гквп, Ом Статическая емкость СQt пФ Добротность Допустимая мощность рассеяния, Р квдоп » мВт
РГ-01 0,05-0,22 1700 15 75 1
РГ-02 0,22-0,80 550 6 100 1
РВ-15 0,13-0,75 550 10 150 1
РГ-27 0,50-0,75 400 4 45 1
РГ-06 0,75-1,8 200 5 60 2
РВ-17 0,84-1,8 375 3 125 2
РГ-07 1,8-8,0 40 5 200 2
РГ-05 5,0-30 25 5 120 2
РВ-11 4,5-30 12 4 150 2
РВ-59 5,0-30 10 3,5 150 2
РГ-05 30-100 60 2 80 1
РВ-11 30-100 45 1,65 125 1
РВ-59 30-100 40 1,25 125 1
РВ-19 100-150 55 1,40 90 1
РВ-81 , & 2.0 , 1
Примечания: В — вакуумный, Г — герметизированный. На частотах 30 100 МГц
резонаторы возбуждают на механических гармониках с номерами п = 3,5; на частотах
100 * 150 МГц — п = 5; на частотах 150 + 300 МГц — п = 7. Допустимая мощность
рассеяния дана для нетермостатированных резонаторов, для термостатированных ее
следует уменьшить в 2 раза.
Таблица 2.4
Параметры отдельных КР
f Параметры Тип резонатора/вариант конструктивного исполнения |
РК8/МА, МВ РК62/ КА РК171/ БА РК187/ СП РК187/ I МА
Частота (диапазон час- тот), МГц 10...36 100...300 8...100 4,6...5,3 4,433
Точность настройки Д///-10 6 ±25 ±10 ±15 ±15 ±0,4 ±0,6; ±2 ±1 1
Емкостной коэффици- ент, не более 250 — — — — 1
Статическая емкость, пФ, не более 6 7 1,5...11,5 5 3
Динамическая индуктив- ность, Гн — — — 8,0±2,4 —
Динамическое сопротив- ление, Ом 20 80...150 20... 100 — —
Добротность, не менее — — — 1500000 40000
Мощность рассеяния, не более, мВт 2,0 1,0 0,2...1,0 0,25 2,0
28
3. СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРОВ
С КВАРЦЕВЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ
3.1. Классификация схем
Широкий диапазон частот, в котором используются автогенерато-
ры с кварцевыми резонаторами (КР), разнообразие условий эксплу-
атации и требований, предъявляемых к ним, привели к появлению
множества различных схем и разных их конструктивных решений.
При проектировании автогенераторов (АГ) следует выбирать такую
схему, которая наиболее удовлетворяет заданным требованиям к
АГ, служащим критериями при выборе. Общие требования к квар-
цевым автогенераторам даны в гл. 1.
Схемы АГ с КР классифицируются по трем группам, которые
различаются функцией КР в схеме и характером его полного со-
противления на частоте генерируемых колебаний: осцилляторные, с
затягиванием и фильтровые [12].
Осцилляторные схемы относятся к трехточечным. В них КР с
подстроечным элементом, если он подключен,: имеет реактивное со-
противление индуктивного характера (X кв > 0 ). Короткое замыка-
ние КР, выключение его из схемы или замена емкостью приводят
к срыву колебаний, поскольку при этом не выполняется условие
баланса фаз. Если подстроечным элементом служит емкость, часто-
та генерации / расположена внутри интервала частот/кв .../0 (см.
рис. 2.11). При подключении индуктивности к КР генерируемая ча-
стота может выходить за пределы этого интервала (/</кв). КР
включается вместо индуктивного плеча контура АГ. Чаще всего ис-
пользуют схему АГ с включением КР между коллектором и базой
транзистора. Она проста по устройству и имеет высокую стабиль-
ность частоты.
В схеме с затягиванием КР входит в колебательную систему АГ
как вторичный контур, связанный с основным первичным конту-
ром АГ, обеспечивающим выполнение условий самовозбуждения.
Здесь генерация существует независимо от того, включен КР в схе-
му или нет, так как условия самовозбуждения выполняются поми-
мо него. Схемы с затягиванием применяются редко из-за противо-
речия между условиями наибольшей стабильности генерируемой ча-
стоты и условиями максимальной устойчивости генерации.
В фильтровых схемах КР подобен узкополосному фильтру,
обычно включенному в цепь, соединяющую один из электродов
29
транзистора с колебательным контуром, настроенным в резонанс на
частоту, как правило, близкую к частоте последовательного резо-
нанса КР/кв, где КР имеет минимальное полное сопротивление
( Z ~г ). Известны схемы, в которых колебания возникают
вблизи частоты максимального полного сопротивления КР /0.
Фильтровые схемы АГ с КР в цепи обратной связи могут быть од-
но-, двух- и трехтранзисторными.
При работе АГ на основной частоте КР генерируемая частота ог-
раничена частотой примерно 20...30 МГц (иногда 50 МГц) ввиду
уменьшения размеров кварцевых пьезоэлементов с ростом частоты
(см. разд. 2.1). Применение умножения частоты усложняет устрой-
ства и ухудшает спектральную чистоту выходных колебаний, увели-
чивает габаритные размеры и энергопотребление. Получение частот
выше 30 МГц без умножения частоты возможно в АГ с возбужде-
нием КР на механических гармониках.
В осцилляторных схемах возбуждения на высоких механических
гармониках (выше пятой, п > 5) ограничена вредным влиянием ста-
тической емкости КР С 0 и паразитных емкостей (междуэлектрод-
ных и монтажных), шунтирующих КР.
В фильтровых схемах можно получить колебания на высоких
механических гармониках КР (п>5), если уменьшить шунтирую-
щее влияние емкости КР
Шунтирующее влияние статической емкости КР можно уст-
ранить двумя путями:
— нейтрализацией емкости при помощи сбалансированного
моста, когда КР и нейтродинную емкость С н включают в плечи
моста так, что равные по величине и противофазные емкостные то-
ки уравновешивают друг друга в нагрузке, С'Н = СО;
— компенсацией емкости подключением параллельно КР ин-
дуктивности L, образующей с Cq параллельный контур, настроен-
ный на выбранную механическую гармонику КР, при этом
со £ = 1/со КВСО.
Ап г\1э V
В осцилляторных схемах применение этих способов проблема-
тично.
В фильтровых схемах более целесообразным является путь ком-
пенсации емкости С 0, так как схема с нейтрализацией емкости
30
Cq весьма критична к режиму работы и сложна в регулировке.
Фильтровую схему АГ с компенсацией влияния емкости Сц можно
применять вплоть до частот 300...400 МГц [10].
Схемы автогенераторов с КР бывают однокаскадные и многока-
скадные. В диапазоне частот 1...100 МГц наибольшее применение
получили однокаскадные АГ, которые чаще всего строят по схемам,
эквивалентным емкостной трехточке как более надежной и стабиль-
ной, чем индуктивная [8]. Многокаскадные АГ содержат два и бо-
лее транзистора, а КР включают в цепь обратной связи. На рис.
3.1 приведены эквивалентные схемы однокаскадных АГ с КР, кото-
рые являются характерными для применения в АГ, построенных по
схеме емкостной трехточки. В схемах (а), (б) и (в) КР соединен
последовательно с элементами контура, а в схемах (г) и (д) он
включен в цепь обратной связи. Схемы (а) и (б) — осциллятор-
ные, в них КР является эталонным контуром, имеющим сопротив-
ление индуктивного характера, поэтому самовозбуждение за счет
емкости КР С q паразитных колебаний принципиально невозможно.
Рис. 3.1
Схемы (в), (г), (д) — фильтровые трехточечные. Частота колеба-
ний в них близка или равна частоте последовательного резонанса
/кв и КР может иметь как небольшое активное, так и индуктивное,
и емкостное сопротивления. В этих схемах принципиально могут
возбудиться паразитные колебания на частотах /пк за счет емкости
а также на частотах f нг механических гармоник более низких,
чем выбранная, если КР работает на механических гармониках.
31
Для их подавления в схеме (в) КР шунтируют сопротивлением В,
а в схемах (г) и (д) компенсируют индуктивностью или соответст-
вующим образом выбирают параметры колебательного контура.
Мощность в нагрузке АГ Р , которую можно получить в каж-
дой из схем, оценивается как [15]:
= (0,1... 0,3) Ркв для схем (а), (б), (в);
Рн = (1... 10)Ркв для схем (г); (3.1)
Рн = (1... 5)РКВ для схем (д).
Здесь Ркв — мощность, рассеиваемая на КР.
В автогенераторе по схеме (а) возможна генерация на основной
частоте (п = 1) КР, а в схемах (б)-(д) как на основной частоте, так
и на механических гармониках КР (п>1).
Наименьшая нестабильность частоты получается, если КР рабо-
тает на частоте последовательного резонанса КР /кв.
Температурная нестабильность частоты в основном определяется
КР и во всех схемах примерно одинакова.
Нестабильность частоты за счет изменения питающих напряже-
ний, параметров элементов контура и параметров транзистора наи-
меньшая в АГ по схеме (а), несколько выше по схеме (в) и в не-
сколько раз больше в схемах (г) и (д).
На рис. 3.2...3.4 и рис. 3.6, 3.9 приведены примеры схем тран-
зисторных автогенераторов с КР, наиболее часто встречающихся в
практике проектирования различного вида радиоустройств. Заме-
тим, что целесообразность заземления по высокой частоте того или
иного электрода транзистора определяется конструкцией транзисто-
ра или другими причинами сугубо практического характера.
3.2. Осцилляторные схемы
Автогенератор с КР между коллектором и базой по схеме рис.
3.2 самый простой, надежный и стабильный. Однако в нем возмож-
на генерация только на основной частоте КР (п = 1) и /кв^30Мгц,
а мощность в нагрузке Рн невелика (3.1). Эквивалентная схема АГ
дана на рис. 3.1,а.
В схеме по высокой частоте заземлен эмиттер транзистора. Коле-
бательная система состоит из КР и емкостей С । и С 2. Генериро-
вание возможно, если КР имеет сопротивление индуктивного харак-
32
тера (Хкв>0), поэтому частота коле-
баний АГ / выше частоты последова-
тельного резонанса КР /^ (/>/кв)*
Условие XRB>0 исключает возмож-
ность возбуждения паразитных колеба-
ний за счет статической емкости КР
С 0 . Схема не содержит катушек ин- Рис. 3.2
дуктивности, что удобно для гибридно-
го варианта конструкции. Из-за слабого влияния емкостей
С и С 2 на частоту колебаний не удается ее корректировка, осо-
бенно на низких частотах, когда емкости имеют большие номиналы
и выполнить их переменными затруднительно.
Нагрузка Ян связана с колебательной системой емкостью Ссв.
Схема АГ имеет источник питания U R, напряжение от которого
подается в цепь коллектора через блокировочное сопротивление R.
Начальное отпирающее напряжение смещения С7нач подается с по-
мощью резистора R 2 делителя R ।, R 2, подключенного к источни-
ку UK. Для создания автосмещения, обеспечивающего запирающее
напряжение смещения, включены сопротивления в цепи базы Яб и
эмиттера R э. Блокировочные емкости: Сбл1 шунтирует по перемен-
ному току Яэ, а емкость Сбл2 — источник t/R. Цепь автосмеще-
ния Яэ, Сбл1 улучшает термостабильность режима транзистора.
Схема АГ с КР между коллектором и базой на рис. 3.3 отлича-
ется от схемы на рис. 3.2 наличием колебательного контура
L 1, С t (см. рис. 3.1, а, б). АГ работает надежно на частотах, для
которых нормированная статическая емкость КР
^о = €0кв^тогкв~0,25 (сокв — 2 л/, а
его сопротивление в последовательной
схеме замещения носит индуктивный
характер. АГ возбуждается на механи-
ческих гармониках КР и работает до
/кв ~ Ю0 МГц. Схема на рис. 3.3 обес-
печивает возбуждение КР на его меха-
нических гармониках, если параметры
контура L j, С выполнить так, чтобы
33
на частотах более низких гармоник, чем выбранная, его сопротив-
ление было индуктивным и условия самовозбуждения для них не
выполнялись.
В схеме на рис. 3.3 по высокой частоте заземлен эмиттер тран-
зистора. Напряжение от источника питания в цепь коллектора по-
дается через индуктивность L । . Назначение остальных элементов
такое же, что и в схеме на рис. 3.2.
Отметим, что в рассмотренных схемах АГ на его работу и ста-
бильность большое влияние оказывает соотношением емкостей
и С 2- При слишком малых и при чрезмерно больших значе-
ниях емкостей С , С 2 нестабильность частоты возрастает. Рекомен-
дуется, чтобы частота генерации отстояла от f кв не более чем на
четверть резонансного промежутка/кв .../0 [10].
3.3. Фильтровые схемы
Рис. 3.4
Рис. 3.5
На рис. 3.4 приведена схема АГ с КР в
контуре. Возбуждение колебаний АГ может
быть как на основной частоте КР, так и на
его механических гармониках. Лучшая ста-
бильность частоты АГ будет при работе на
частоте последовательного резонанса КР на
выбранной механической гармонике. Коле-
бательная система АГ состоит из КР, емко-
стей С! , С 2, индуктивности L з и подстро-
ечного конденсатора С3 включение которо-
го облегчает настройку контура, а также
способствует подавлению нежелательных ко-
лебаний (см. рис. 3.1, в). В АГ возможно
возбуждение паразитных колебаний за счет стати-
ческой емкости КР Со. Частота паразитных коле-
баний близка к собственной частоте коллекторного
контура из L3, С3, Cif С2, С о (рис. 3.5). С по-
вышением частоты паразитных колебаний усугуб-
ляются инерционные свойства транзистора, что об-
легчает их подавление. Нарушить условия самовоз-
буждения паразитных колебаний можно включени-
ем резистора R параллельно емкости Со (рис. 3.5,
пунктир).
34
За счет R увеличиваются потери в контуре. С помощью R уда-
ется также подавить колебания на частотах более низких гармоник,
чем выбранная. Выбор сопротивления ведется по соотношению
R - 1 /свкв Сq . В схеме АГ по высокой частоте заземлен коллектор
транзистора. Источник питания U к обеспечивает подачу напряже-
ния в коллекторную цепь и питает делитель R ।, R 2. Начальное
отпирающее напряжение смещения снимается с Я2,а запи-
рающее обеспечивается автосмещением в цепи базы и эмиттера с
помощью резисторов и Яэ. Элементы Сбл1, Сбл2, Ьбд
блокировочные элементы. £бл предотвращает заземление эмиттера
по высокой частоте.
Связь с нагрузкой /?н — емкостная (Ссв).
Схема АГ с КР в цепи поло-
жительной обратной связи пока-
зана на рис. 3.6. АГ построен по
принципу емкостной трехточки,
а в цепь обратной связи вклю-
чен делитель напряжения, состо-
ящий из КР и резистора гд (см.
рис. 3.1, г). Нередко в схемах в
качестве гд используется входное
сопротивление транзистора. АГ
применяют как при возбуждении
КР на основной частоте, так и на
Частота колебаний АГ f равна (или близка) к частоте последова-
тельного резонанса выбранной гармоники КР /кв.
Основным достоинством АГ является возможность получения
мощности в нагрузке Рн значительно больше (3.1), чем в других
его механических гармониках.
схемах (см. рис. 3.1, а, б, в, д). Это объясняется тем, что КР вклю-
чен в цепь базы, т.е. вне контура, где ток существенно больше, чем
в базовой цепи. Однако нестабильность частоты АГ тоже больше,
чем в схемах на рис. 3.1, а, б, в [9].
В схеме на рис. 3.6 по высокой частоте заземлен эмиттер. Кол-
лекторный контур составлен из емкостей С ।, С 2, С 3 и индуктив-
ности L £. Включение емкости С 3 последовательно с L 3 облегчает
конструктивную реализацию элементов контура и его настройку, а
также подавление низших гармоник. Контур настроен на частоту
35
выбранной механической гармоники КР. Для частот низших гармо-
ник он сильно расстроен и условия самовозбуждения для них не
выполняются. Базовый контур составлен из емкости С * полного со-
противления КР при последовательном резонансе ZKB и резистора
г д . Частоту колебаний определяет базовый контур, имеющий боль-
шую добротность благодаря КР.
Рис. 3.8
В АГ возможно генерирование паразитных
колебаний за счет емкости КР Cq. На рис. 3.7
видно, что АГ при этих колебаниях является
также двухконтурным с частотой, близкой к соб-
ственной частоте коллекторного контура f 0 как
более высокодобротного, чем базовый, где вклю-
чен резистор гд. Возбуждение паразитных коле-
баний тем легче, чем больше С 0, поэтому жела-
тельно, чтобы КР имел небольшую емкость или
малое значение ^о = сокв^Огкв* Для
подавления паразитных колебаний за
счет С q можно использовать схему ее
нейтрализации (рис. 3.8) или компен-
сации Cq индуктивностью, параллель-
но включенной КР.
Стабильность частоты колебаний
АГ по схеме на рис. 3.7 связана в
большой мере с добротностью базового
контура, определяющего частоту коле-
баний. Включение гд уменьшает его
добротность и чем гд меньше, тем стабильность частоты больше.
Стабилизирующее действие КР тем выше, чем меньше добротность
коллекторного контура. Поэтому рекомендуется выбирать доброт-
ность ненагруженного контура [15]
^нен«50... 100.
Схема АГ имеет источник питания UK (см. рис. 3.6), напряже-
ние от которого подается в коллекторную цепь через блокировочное
сопротивление R (может быть заменено £^л). Начальное отпираю-
щее напряжение смещения С7нач снимается с сопротивления /?2 Де"
лителя R^, R2, подключенного к источнику Uк. Автоматическое
36
смещение создается за счет резисторов R g и R . Конденсаторы
С бл 1, ^бл2* £*блЗ блокировочные. Связь с нагрузкой Rn —
емкостная (Ссв).
На рис. 3.8 показана схема АГ с КР в цепи обратной связи, по-
строенной по мостовой схеме с нейтрализацией статической емкости
КР Со. КР помещен в одно из плеч сбалансированного моста
Со, Сн, Ci9 С2- В качестве нейтродинного обычно используют
подстроечный конденсатор С н, емкость которого может изменяться
в пределах (0,7... 1,3) С 0. Питание коллектора осуществляется через
небольшое антипаразитное сопротивление R, которое подключается
к точке контура, имеющей приблизительно нулевой высокочастот-
ный потенциал. При точном балансе моста (С 0 = С н, С, С 2) об-
ратная связь осуществляется только через пьезоэлектрическую
ветвь КР. Вблизи частоты последовательного резонанса КР мост
разбалансируется и при соответствующем выборе элементов схемы
возбуждается. Контур АГ L^CСС'2 должен быть настро-
ен приблизительно на частоту выбранной механической гармоники
КР. Выходная емкость транзистора Свых нарушает симметрию
коллекторного контура. Для симметрирования схемы к контуру
присоединяется дополнительно конденсатор Сдоп^^вых- Рекомен-
дуется выбирать С\ = С'2 в несколько раз большими Свых, а емко-
сти С! =5 С 2 = (3 ... 5) С 0 . Результирующая емкость последовательно-
го соединения С\, С t должна быть примерно равной или в 1,5...2
раза больше Свых транзистора.
Схема АГ с КР в цепи отрицатель-
ной обратной связи, приведенная на
рис. 3.9, построена по принципу емко-
стной трехточки, а КР включен в цепь
эмиттера последовательно с коллектор-
ным контуром (С , С2, £$> С3)
(см. рис. 3.1, д). КР работает на час-
тоте, близкой к частоте последователь-
ного резонанса /кв. Вблизи этой часто-
ты КР имеет минимальное полное со-
противление и обеспечивает отрица-
тельную обратную связь. При рас-
Рис. 3.9
37
стройке КР его сопротивление резко увеличивается и колебания не
возбуждаются. Такой АГ находит применение при возбуждении КР
как на основной, так и на механических гармониках. Его часто
применяют в диапазоне метровых волн. Мощность в нагрузке
= 1 ••• 5 )РКВ > т‘е* на порядок больше, чем в схемах на рис.
3.1,а,б,в. Нестабильность частоты того же порядка, что в схеме на
рис. 3.6 [15]. Частота генерируемых колебаний / близка или равна
частоте последовательного резонанса КР на выбранной механиче-
ской гармонике/кв(/«/кв).
В АГ принципиально возможно возбуждение паразитных коле-
баний за счет емкости КР и частот механических гармоник ни-
же выбранной. На частоте /кв < 100 МГц подавление этих колеба-
ний обеспечивается рациональным выбором параметров коллектор-
ного контура, а также настройкой его на частоту /кв. Для подав-
Рис. зло
ления паразитных колебаний за счет Со
иногда включают катушку индуктивности
L, которая с емкостью Со образует кон-
тур, настроенный на частоту выбранной
гармоники, coKBL= 1/<окв Со (рис. 3.10).
При этом АГ становится трехконтурным
(коллекторный контур, ZRB, С2 и кон-
тур L, Cq), сложным и критичным в на-
стройке [9].
В схеме АГ на рис. 3.9 по высокой частоте заземлен коллектор
транзистора. Конденсатор С3 включен ради удобства настройки
контура и подавления низших гармоник. КР включен в цепь эмит-
тера и по нему протекает ток эмиттера, о чем следует помнить при
выборе КР, отдавая предпочтение КР с малым сопротивлением
г кв. Связь с нагрузкой R н — емкостная с помощью С св.
Питание коллекторной цепи обеспечивается источником U, к
которому подключен делитель R , R2 • Отпирающее начальное на-
пряжение смещения UHtn снимается с сопротивления /?2. Для ав~
тосмещения включены резисторы в цепь базы и RQ — в цепь
эмиттера. Термостабилизирующая цепь в эмиттере образована
ЯЭ’ сбл2-
38
н
На рис. 3.10 приведена схема АГ, построенная также по прин-
ципу емкостной трехточки с КР в цепи отрицательной обратной
связи (см. рис. 3.1,д). По высокой частоте заземлена база. Коллек-
торный контур образован емкостями С , С 2 и индуктивностью
L 3. Параллельно КР подключена индуктивность L образующая
вместе с его емкостью Cq параллельный контур. Контуры
С|,С2,Ь3иДС0 настроены на выбранную механическую гар-
монику КР. Питание в коллекторную цепь подается через блокиро-
вочный резистор R. Отпирающее начальное напряжение подается с
сопротивления R 2 делителя R ।, R 2, подключенного к источнику
UK. Автоматическое смещение достигается включением резистора
R 3, который не блокируется конденсатором во избежание коротко-
го замыкания по высокой частоте или необходимостью включения
Ьбл между эмиттером и цепочкой Яэ, Сбл2 (см. рис. 3.9). ЕмкоЬти
С бл 1, С бл 2 ~~ блокировочные. Связь с
ная.
Кварцевые АГ с отрицательной об-
ратной связью могут быть двух и трех-
транзисторные. На рис. 3.11 приведена
фильтровая двухтранзисторная схема,
часто именуемая схемой Батлера, с КР
в цепи обратной связи между эмитте-
рами транзисторов [12]. Каскад на
VT2 с общей базой, а каскад на VT1
— эмиттерный повторитель (по высо-
кой частоте заземлен коллектор). Сле-
довательно, общий сдвиг фаз в цепи
возбуждения равен нулю.
Последовательно с КР включено входное сопротивление каскада
с общей базой и выходное сопротивление эмиттерного повторителя.
Эти сопротивления не превышают десятков — сотен Ом. Схему
Батлера можно рассматривать как модификацию схемы с общей ба-
зой, у которой в разрыв цепи обратной связи включен эмиттерный
повторитель.
Емкость КР С 0 компенсируется индуктивностью L. Колебатель-
ный контур L^t С|, С2 и компенсирующий L, Cq настраиваются
на частоту выбранной механической гармоники КР. При закорочен-
ном КР в схеме возбуждаются колебания, частота которых опреде-
ляется настройкой коллекторного контура. Контур должен быть до-
39
статочно избирательным, чтобы при работе с КР АГ устойчиво воз-
буждался на механических гармониках КР. Настройкой контура
можно компенсировать фазовый сдвиг, вносимый транзисторами, и
обеспечить баланс фаз на частоте генерируемых колебаний.
Схема Батлера характеризуется наибольшей по сравнению с осцил-
ляторными схемами АГ устойчивостью к дестабилизирующим факто-
рам до частот 70..100 МГц. Верхний предел генерируемых частот
обусловлен ухудшением свойств эмиттерного повторителя. Поэтому на
частотах выше 70...100 МГц предпочтительными будут простейшие од-
нокаскадные фильтровые схемы, например, схема на рис. 3.10. Досто-
инства схемы Батлера состоит также в простоте настройки и возмож-
ности использования КР с достаточно высоким г .
В схеме Батлера можно получить умножение частоты механиче-
ской гармоники КР. Для этого в коллекторную цепь эмиттерного
повторителя на транзисторе VT2
включают параллельный колебатель-
ный контур L 2 , С 2 , настроенный
на п-ю (2 или 3) гармонику генери-
руемых колебаний (рис. 3.12).
Транзистор VT2 должен работать с
отсечкой коллекторного тока. Влия-
ние нагрузки на работу АГ при ум-
ножении частоты уменьшается.
В заключение рассмотрим трех-
каскадный усилитель, охваченный обратной связью, в которую
включен КР, возбуждающийся на третьей механической гармонике
КР (рис. 3.13) [9]. Между выходом первого и входом второго кас-
кадов включен делитель напряжения из полного сопротивления КР
ZKB и сопротивления г ± а между выходом второго и входом треть-
его — фазирующая цепь С, г 2, которая позволяет настраивать АГ
на выбранную частоту КР. На частоте колебаний ft близкой к час-
Рис. 3.12
Рис. 3.13
40
тоте последовательного резонанса на третьей механической гармо-
нике /кв , суммарный набег фазы по кольцу обратной связи ра-
вен 2 тс. В АГ надежно возбуждаются колебания на третьей меха-
нической гармонике КР (до частот 100 МГц) и подавляются на
основной частоте КР благодаря фазовой селекции, которая возмож-
на в диапазоне метровых волн из-за инерционных свойств тран-
зистора. На основной частоте КР обеспечивается отрицательная об-
ратная связь, а на третьей гармонике — положительная. На пятой
гармонике колебания не возбуждаются, т.к. ухудшаются усилитель-
ные свойства транзистора.
4. РАСЧЕТ АВТОГЕНЕРАТОРОВ
С КВАРЦЕВЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ
4.1. Основные расчетные соотношения
В кварцевых автогенераторах нестабильность частоты колебаний
зависит от условий и режима работы КР. Большое значение имеет
мощность Ркв, рассеиваемая на КР. Для обеспечения надежной
работы и высокой стабильности частоты мощность Р кв не должна
превышать допустимого значения мощности рассеяния Рквдоп,
приводимого в справочных данных на КР, т.е. необходимо, чтобы
Р <Р (41)
кв кв доп* v*-4
КР массового производства изготавливают на частотах до 150 МГц.
До 30 МГц резонатор возбуждают на основной частоте, а выше 30
МГц — на механических гармониках — 3-, 5-, 7-й и т.д. (см. разд.
2.1 и 2.2). Наименьшая нестабильность частоты получается, если КР
работает на частоте последовательного резонанса / .
Относительные отклонения частоты АГ f от частоты КР / не-
велики: /-/кв//кв~1 /<?кв = 4 ... 10“7 и поэтому параметры ре-
жима транзистора и реактивных элементов колебательной системы
АГ можно рассчитывать на частоте /кв, т.е. принять/»/кв.
Колебательная мощность Р^ АГ с КР невелика, она порядка
Р :
кв доп
Р1 = (1 ••• 10) Р КВ доп = 1 ••• 10 мВт-
41
поэтому АГ выполняют на маломощных биполярных транзисторах
различных типов. Параметры транзистора зависят от соотношения
между рабочей частотой f и его граничной /гр. С приближением
f к / в транзисторе начинают проявляться инерционные свойства,
увеличиваются проводимости: входная, выходная, обратная проход-
ная. В результате затрудняется возбуждение колебаний и увеличи-
вается нестабильность частоты. Для повышения стабильности час-
тоты рекомендуется выбирать транзистор, обладающий малой инер-
ционностью на заданной частоте колебаний /~/кв, что возможно,
если его граничная частота хотя бы на порядок выше / [15]:
Лр^Ю/кв. (4.2)
Усредненные параметры некоторых типов современных маломощных
высокочастотных биполярных транзисторов приведены в табл. 4.1.
КР выбирают на заданную частоту, его тип определяется требо-
ваниями к нестабильности частоты АГ. Предпочтение отдается КР
с малым произведением С 0 г кв, при этом легче выполняются усло-
вия самовозбуждения в АГ, особенно на механических гармониках
КР. В табл. 2.3 приведены параметры некоторых типов КР.
Режим АГ рекомендуется [9] выбирать недонапряженным для
уменьшения тока во входной цепи, а транзистор недоиспользовать
как по току, так и по напряжению:
?<5гр. (4.3)
7км<(0,5... 0,8)/кмдоп;
(4.4)
С/„<(О,4...О,5)/И!1ДОТ или U„SO,817„.
Здесь 2;^ — напряженность режима (коэффициент использова-
ния коллекторного напряжения) в рабочем и граничном режимах;
1^,1 ™ ~ максимальный и допустимый максимальный коллек-
км км дии
торный ток; t7 ко, t/кэдоп’ кн ~~ постоянное, допустимое и но-
минальное значения напряжения между коллектором и эмиттером.
АГ с КР работает с низким КПД, поэтому необходимо убедиться
что мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора Р рас, не
превышает допустимого значения Ррасдоп:
Р < р . (4.5)
рас рас доп v™'/
42
Усредненные параметры маломощных биполярных транзисторов
Таблица 4.1
Тип тран- зистора /гр > МГц Л 21э Ом В 17 кн, В ^эбдоп > в I км доп » А р * расдоп» Вт г -с и ка и кш пФ Структура транзистора
2Т301Г 30 20 200 0,6 20 3,0 0,01 0,15 5 п-р - п
2Т312А 80 45 200 0,6 20 4,0 0,03 0,20 2,5 п-р-п
КТ358А 80 40 125 0,6 10 4,0 0,03 0,10 4 п-р-п
1Т308А 90 30 100 0,2 8 3,0 0,05 0,05 3 р-п-р
1Т309А 120 35 200 0,2 7 1,5 0,01 0,015 2,5 р-п-р
КТ315А 250 60 100 0,6 15 4,0 0,05 0,25 3,5 п-р-п
2Т326А 250 50 60 0,6 10 4,0 0,05 0,25 2,5 р-п-р
КТ361А 250 50 50 0,6 16 4,0 0,05 0,15 3 р-п-р
КТ349А 300 25 50 0,6 15 4,0 0,025 0,26 1 п-р-п
КТ340А 300 125 30 0,6 10 5,0 0,05 0,15 1,5 п-р-п
КТ342А 300 150 50 0,6 20 5,0 0,05 0,25 2 п-р-п
КТ343А 300 30 50 0,6 10 4,0 0,05 0,15 3 р-п-р
КТ347А 500 110 50 0,6 10 4,0 0,05 0,15 3 р-п-р
КТ306Б 500 40 40 0,6 7 4,0 0,03 0,15 1,5 п-р-п
1Т313А 500 70 50 0,2 8 0,7 0,05 0,10 0,75 р-п-р
1Т311А 700 70 40 0,3 6 2,0 0,05 0,15 0,9 п-р-п
2Т316А 1000 45 50 0,6 7 4,0 0,05 0,15 1 п-р-п
2Т325А 1000 50 50 0,6 10 4,0 0,06 0,225 1 п-р-п 1
1Т330А 1000 100 25 0,2 8 1,5 0,02 0,05 1 п-р-п |
2Т368А 1100 120 15 0,6 10 4,0 0,03 0,225 0,6 п-р-п 1
2Т355А 1800 150 60 0,6 10 4,0 0,03 0,225 0,7 п-р-п I
КТ399А 2400 120 8 0,6 10 3,0 0,02 0,15 0,75 п-р-п |
2Т3120А 3000 120 8 0,6 10 3,0 0,02 0,10 0,7 п-р-п 1
2Т372А 4350 30 10 0,6 10 3,0 0,01 0,05 0,3 п-р-п 1
й
Надежная работа АГ обеспечивается как правильным выбором
запаса по самовозбуждению на рабочей частоте 7»/^, так и созда-
нием условий, при которых затруднена генерация колебаний на ча-
стотах более низких механических гармоник КР / и паразитных
колебаний /пк за счет статической емкости КР Со. Запас по само-
возбуждению характеризуют коэффициентом регенерации G или
связанным с ним коэффициентом разложения косинусоидального
импульса для первой гармоники, являющегося функцией угла от-
сечки 0 [8]:
Y1(0) = i/g. (4.6)
Для создания надежной работы АГ рекомендуется на рабочей
частоте выбирать [15]:
Y1 (0 ) = 0,1... 0,5, (4.7)
что соответствует 0 = 50... 90°, а на частотах /нг и /пк
Y1 ( 0 ) нг = ( 2 ... 3) Y1( 0), Y1(0)nK = (2...3)Y1(0). (4.8)
При увеличении Y 4 (0) для ухода от нежелательных колебаний
падает надежность работы АГ, так как уменьшается G. При умень-
шении Y1 (0 ) растет нестабильность частоты и усиливается возмож-
ность возбуждения на частотах /нг и /пк. К сожалению условия
(4.7) и (4.8) нельзя выполнить независимо, поскольку значения ко-
эффициентов Y *( 0), Y 4 ( 0) нг, Y1 (0) пк определяются одними и
теми же элементами колебательной системы АГ.
Рис. 4.1
При расчетах АГ, работающих на
частотах до 100 МГц, используют эк-
вивалентную схему транзистора, приве-
денную на рис. 4.1. Влияние индук-
тивностей выводов транзистора не учи-
тывают, т.к. на этих частотах их влия-
ние мало. Ввиду того, что транзисторы
обычно недоиспользуют по току, в рас-
четах следует учитывать нелинейность
их статических характеристик, применяя полигональную аппрокси-
мацию характеристик.
Крутизна их S определяется как локальное (малосигнальное)
значение для среднего тока = [9]. При этом аппрокси-
44
мированные параметры транзистора зависят от значения тока /км.
К этим параметрам относятся:
5П«157КМ, А/В — крутизна по переходу;
г = ^21э/<4^п» 0м сопротивление рекомбинации;
^ = Л21э/(гб + г), A/В ~ крутизна (4.9)
аппроксимированной проходной характеристики;
f s-frp/Sг, Гц — граничная частота по крутизне;
Qs=f /f s нормированная частота по fs .
Здесь h 21э — статический коэффициент передачи по току в схе-
ме с общим эмиттером (ОЭ); гб — сопротивление базы, Ом.
В общем случае крутизна S на частоте f имеет
модуль ______
Sf=S/41 + ni (4.10)
и фазу
<р5 = -arctgQs. (4.11)
На частотах, где £2$ <0,5 можно ориентировочно считать
Ф5~0.
Транзистор при расчете может быть описан как четырехполюс-
ник с У-параметрами, усредненными по первой гармонике [8].
Входная Уц, обратная проходная У12 и выходная У 22 проводимо-
сти транзистора входят в состав колебательной системы АГ, следо-
вательно, влияют на режим работы АГ. Однако при выборе транзи-
стора из условия (4.2) и выполнения условия £2 $<0,5 их значения
малы и много меньше величин соответствующих проводимостей, об-
разующих колебательную систему АГ, параллельно которым они
подключены, и приближенно можно считать
Ун = У12 = У22»0, (4.12)
т.е. расчет вести без учета их влияния. Приближенное выражение
для проводимости Y 21 можно записать как
y21 = 5Y1(0)/(l+jQ$). (4.13)
45
Влияние выводов транзистора при этом не учитывалось, т.к. до ча-
стот 100 МГц это не вызывает заметной погрешности. Если вы-
полняется условие £25<0,5, то
r21«SY1(0) = S1. (4.14)
Иначе говоря, проводимость У21 определяется параметрами тран-
зистора и коэффициентом у * (6).
В основу расчета режима работы АГ положено комплексное
уравнение стационарного режима [8]:
5t^ZH=l или StZy=l. (4.15)
Здесь St=S 1e4j<p« — средняя крутизна; А = Ае7Фк — коэффици-
ент обратной связи; ZH = | ZH | е7фн — сопротивление нагрузки;
Z^ = AZH — управляющее сопротивление; ф5 — фаза средней кру-
тизны; фк — фаза коэффициента обратной связи; фн — фаза на-
грузки.
Уравнение (4.15) разбивается на два вещественных:
51/f|ZH| = l; (4.16)
Ф. + Ф. + Ф^пт, т = 0,± 1,±2,..., (4.17)
о ’К ' *1
которые принято называть уравнениями баланса модулей (ампли-
туд) и баланса фаз. Целое число т для обычных АГ равно нулю
( 771 = 0).
В тех случаях, когда выполняется условие Q s < 0,5, фаза кру-
тизны мала (ср s ~ 0 ) и крутизну 5можно считать действительной
величиной
51 = 5у1(0) = 5(/км)у1(е); (4.18)
при расчетах удобно определять ее, задавая значение тока I км (4.4)
и Yf (0) (4.7), т.к. крутизна S определяется током Iкм (4.9).
Сопротивление Zy при Ф5~0 можно считать действительной ве-
личиной:
Z^Ry. (4.19)
46
Баланс фаз (4.17) при Ф5~0 и т = 0 запишется как
ФН = ФК’ (4.20)
что указывает на некоторую расстройку частоты колебаний АГ от-
носительно собственной частоты колебательного контура и необхо-
димость учета при расчетах сдвига по фазе между первыми гар-
мониками коллекторного тока 7к1 и напряжением 17 к1 АГ.
Если Ф$^0, то для полного фазирования колебательной системы
АГ должно выполняться
Фи = -(Ф* + <Рк)- <4-21)
Для получения меньшей нестабильности частоты желательно ко-
лебательный контур АГ настраивать в резонанс на частоту генери-
руемых колебаний. Тогда фаза ф н»0. Однако в АГ на инерцион-
ных транзисторах ф8#0и приходится таким образом выбирать па-
раметры колебательной системы АГ, чтобы ф5 = -фк.
При определении параметров режима работы транзистора ис-
пользуют известные формулы [9].
Постоянная составляющая /к0 и амплитуда первой гармоники
7к1 коллекторного тока могут быть вычислены, если известно зна-
чение тока I км:
'к0 = 'км«0(П 'к1 = 'км«1(П (4.22)
где ex q (0) и «{(0) — коэффициенты разложения косинусоидаль-
ного импульса тока с углом отсечки 0 (табл. 4.2).
Эти же токи связаны с напряжением возбуждения транзистора
(7в1 и крутизной Sj соотношениями:
'«0 = ^1 То(П = (4-23)
где (0) и (0) — коэффициенты разложения косинусоидаль-
ного импульса тока с углом отсечки 0 (см. табл. 4.2).
Напряжение смещения на базе:
для транзистора с малой инерционностью
CZB0 = “t/Blcose+t/'’ (4.24)
47
Таблица 4.2
Коэффициенты разложения косинусоидального импульса
е° а0(в) «1(0) 71(0) ?о(л-0) 6е ао(0) «1(0) 71(0) 7о(п-0)
50 0,183 0,339 0,121 0,708 72 0,259 0,444 0,307 0,488
52 0,187 0,350 0,135 0,686 74 0,266 0,452 0,326 0,467
54 0,190 0,360 0,148 0,670 75 0,269 0,455 0,337 0,458
55 0,197 0,366 0,156 0,659 76 0,273 0,459 0,348 0,449
56 0,204 0,371 0,164 0,649 78 0,279 0,466 0,368 0,429
58 0,210 0,381 0,179 0,629 80 0,286 0,472 0,390 0,411
60 0,218 0,391 0,196 0,609 82 0,293 0,478 0,413 0,391
62 0,225 0,400 0,212 0,589 84 0,299 0,484 0,434 0,372
64 0,232 0,410 0,230 0,568 85 0,302 0,487 0,445 0,363
65 0,236 0,414 0,239 0,558 86 0,305 0,490 0,456 0,354
66 0,239 0,419 0,248 0,548 88 0,312 0,496 0,479 0,337
68 70 0,246 0,253 0,427 0,436 0,268 0,288 0,528 0,509 90 0,319 0,500 0,500 0,319
для инерционного транзистора
С7вО«С7' + ив1Гуо(0)/^1+П52-Уо("-е) •
(4.25)
Здесь U' — напряжение приведения по базе.
Мощности:
потребляемая от источника питания и колебательная (выделяемая
в коллекторной цепи)
0 кО кО >
Р1 = 0,57к1^к1 cos<pH,
(4.26)
рассеиваемая на коллекторе транзистора
(4-27>
Так как транзисторы АГ с КР работают с малым электронным
КПД т| э = Р t /Ро, можно считать Ррас = Ро’ ПРИ этом Должно вы-
полняться условие (4.5).
Мощность в нагрузке АГ
РН = Р1ПК. (4-28)
где TJ к — КПД контура.
48
Мощность Р j расходуется в однокаскадных АГ с КР:
Р1=РН + РКВ + РК + РГ’ (4.29)
т.е. передается в нагрузку — Рн, рассеивается на КР —- Ркв, рас-
ходуется в элементах контура — Рк и на активном сопротивлении
колебательной системы (см. рис. 3.4, 3.6) — Р г.
Связь колебательного контура АГ с КР с нагрузкой выбирается
слабой, что способствует уменьшению его нестабильности частоты,
и КПД Л к = Р н /Р1 принимают равным менее 0,5, т.е. Т| к < 0,5.
В тех случаях, когда КР в схеме АГ включен последовательно с
элементами контура (см. рис. 3.2—3.4), мощность потерь на КР Ркв
будет гораздо больше, чем Рк и Р~Рн + Ркв + Рг. Расчеты таких
схем упрощаются, если ввести коэффициент а = Рн/(Ркв + Рг), свя-
занный с Г| к соотношением в = Т] к /( 1 - Т| к)« При повышенных тре-
бованиях к стабильности частоты рекомендуется а <0,25, при этом
Пк^О.2.
Напряжение смещения в одноконтурных АГ с КР обычно выпол-
няется комбинированным (см. рис. 3.2—3.4): отпирающее напряжение
f/Ha4, создаваемое на сопротивлении Я 2 делителя R^Ri, подклю-
ченного к источнику коллекторного питания UK, и запирающих на-
пряжений, создаваемых на сопротивлениях за счет постоянной со-
ставляющей базового тока 1^ = 1^ /h 21э и R3 — за счет постоян-
ной составляющей эмиттерного тока ^эо==^кО + ^бО’ При расчете зна-
чения сопротивления R$ ориентируются на соотношение, обеспечива-
ющее уменьшение шунтирования этим сопротивлением ветви колеба-
тельного контура между базой и эмиттером Х2 (см. рис. 3.1, е):
/?б>(10...20)Х2. (4.30)
При выборе сопротивления RQ следует помнить, что с ростом
значения /?э увеличивается его стабилизирующее действие при из-
менении режима транзистора АГ, но и возрастают потери на нем и
напряжение смещения, что требует увеличения напряжения источ-
ника коллекторного питания UK. В качестве компромиссного реше-
ния рекомендуют [9]
49
_ЯЭ = 100... 500 Ом. (4.31)
Обратим внимание на выбор емкости Сбд, включенной парал-
лельно сопротивлению 2?а. Блокировочные функции этой емкостью
осуществляются при условии С бд > 10 /R э . Не следует задавать
слишком большое превышение во избежание опасности возникнове-
ния прерывистой автогенерации. Условием ее отсутствия будет
со С бл < Q /R э , где Q — добротность колебательной системы АГ.
Баланс напряжений во входной цепи транзистора запишем как
^в0= ^нач-^кО + ^б0)^э~^б0Лб •
Отсюда начальное напряжение смещения
ико + (In0 + I60) R э + /б0*б • (4.32)
Здесь U б0 — напряжение смещения, определенное при расчете ре-
жима транзистора (4.24) или (4.25).
Зная Uнач и задавая ток через делитель I ^51^, находим
^(^кО-^нач)/^ Л2 = С/нач/(/д-1б0). (4.33)
Заметим, что при I » I б0 уменьшается влияние базового тока
на Uнач, однако брать I большим невыгодно из-за увеличения
расхода мощности источника питания на R и R 2.
Напряжение источника питания
+ (4.34)
Задача расчета АГ с КР состоит в определении параметров ре-
жима работы и схемы АГ, при которых одновременно удовлетворя-
ются уравнения стационарного режима на выбранной механической
гармонике КР (4.16), (4.17), требования отсутствия колебаний на
низшей гармонике и паразитных колебаний (4.8), а также условие
(4.1). Обычно число элементов схемы АГ, параметры которых необ-
ходимо определить, превышает число уравнений, связывающих их.
Поэтому некоторые параметры элементов колебательной системы
АГ приходится выбирать, пользуясь соображениями, известными из
общей теории АГ, конструктивных требований и прочее. Так, реко-
мендуемыми значениями характеристического сопротивления конту-
50
ра р, ненагруженной добротности <2неи (т.е. без подключения на-
грузки 7?н) будут:
р - 50... 500 Ом, Q нен « 50... 100. (4.35)
Приведем методики расчета схем АГ с КР, работающих на ос-
новной частоте КР или на его механических гармониках вплоть до
частот 100 МГц. На этих частотах допустимыми являются расчет-
ные соотношения, изложенные выше. Рассмотрим порядок расчета
однокаскадных схем АГ с КР, построенных на принципе емкостной
трехточки, показанных на рис. 3.2—3.4 и рис. 3.6, 3.9.
Исходные требования к АГ содержат частоту колебаний f и
мощность в нагрузке Р н. По этим требованиям выбирают схему
АГ, затем типы КР и транзистора.
В основе расчета лежат методики, приведенные в [9, 14]. Систе-
ма единиц, используемая при расчетах практическая (СИ). При
расчетах можно пользоваться табл. 2.3, 4.1, 4.2.
4.2. Автогенератор с КР между коллектором и базой
Этот автогенератор (см. схемы на рис. 3.2 и 3.3) целесообразно
применять в случаях, когда требуется обеспечить минимальную не-
стабильность частоты от изменения параметров транзистора и КР.
Ожидаемая мощность в нагрузке Рн«(0,1... 0,3)Ркз. Колебания
возбуждаются на частоте/>/кв, схема проста и отсутствуют коле-
бания, обусловленные емкостью КР С 0.
АГ можно использовать при возбуждении на основной частоте
(п=1) КР до /<30 МГц и на высших механических гармониках
КР при />30 МГц. При возбуждении на/<30 МГц нетрудно най-
ти транзистор с частотой f > 10/ и обеспечить его работу с малой
инерционностью (Qs<0,5) и слабым влиянием проводимостей
транзистора (4.12), шунтирующих колебательную систему. Схема
такого АГ приведена на рис. 3.2. При возбуждении АГ на частотах
/ > 30 МГц в его схему добавляется катушка индуктивности, по-
зволяющая обеспечить подавление колебаний на частоте/нг, более
низкой, чем рабочая (см. рис. 3.3).
Рассмотрим порядок расчета АГ, работающих на основной часто-
те и на высших механических гармониках КР.
51
X. Автогенератор, работающий на основной частоте КР на без-
ынерционном транзисторе (см. рис. 3.2),
Исходные данные: рабочая частота /, мощность в нагрузке Р
может быть задана или определена дополнительно.
Согласно рекомендации (4.2) выбираем транзистор и выписываем
его справочные параметры: тип транзистора (например, ГТ313А),
/гр» гб» ^21э» , ^кн (или ^кэдоп)' ^эбдоп’ ^расдоп* Далее
приняв частоту КР /кв=/, выбираем КР желательно с меньшим
значением гквС0 и выписываем его справочные параметры: /кв,
гкв- С0> ркдоп- Вычисляем т0 = 2 nf^r^ С() .
Дополнительно задаем в соответствии с рекомендациями (4.1),
(4.4), (4.7) мощность рассеяния на КР Ркв, ток /км и напряжение
[/к0, угол отсечки 0 и находим по табл. 4.2 значения коэффициен-
тов а 0 (е), а! (0), у 4 ( 0).
Определяем значение коэффициента а = Рн/Ркв и проверяем
выполнение условия: а < 0,25 (при этом Т| к< 0,2). Невыполнение
этого условия увеличит нестабильность частоты АГ. Для выполне-
ния условия можно либо уменьшить Рн, либо выбрать КР с дру-
гой Р к доп.
Если мощность Р н не задана, то следует взять а < 0,25 и найти
возможное значение Р н = а Р кв . Если оно устраивает, то далее счи-
тать Р н заданной.
Расчет ведем в следующем порядке.
Аппроксимированные параметры транзистора (4.9):
5пж15^км’ г = Л21э/^ п’ ^ = ^21э/^ гб + г)>
Л=ЛР/5гб;
Если Q s > 0,5, то следует увеличить fs, уменьшив ток I км, или
выбрать транзистор с большей / .
Так как для безынерционного транзистора Q s < 0,5, то крутизна
S — действительная величина и ф5«0. Баланс фаз (4.17) при этом
запишется как фн + фк = 0.
52
Параметры колебательной системы АГ.
Соотношение емкостей С । /С 2 = к
0.5/Lyi(6)
Ркв (1 + а) 5(1 - cos 6)2
Значение к должно лежать в интервале 0,5...2. При выходе к из
этого интервала следует задать другие значения /км, Ркъ, 6.
Сопротивление ветвей контура X и Х2 (см. рис. 3.1, е)
т 0 (1 + к) + ^5 ! г кв к /( 1 + а)
5 j г к/(1 + а)( 1 + к) 2
х2=х1К.
Емкости контура
C^-l/co^X^ С 2 = С! /к.
Частота колебаний.
Обобщенная расстройка частоты колебаний f относительно часто-
ты последовательного резонанса КР /кв (2.9):
Относительная разница между f и /кв при условии, что /кв и f
близки, приближенно будет
Д/ кв _ V
f КВ f КВ 2 Q кв
При требовании высокой точности настройки на заданную часто-
ту (например, 10~6) надо выбрать КР, у которого частота
/КВ=/-Д/. Для точной настройки требуется хотя бы одну из емко-
стей выполнить переменной, чтобы обеспечить ее вариации пример-
но на ±30% от выбранного значения.
Параметры режима транзистора.
Постоянная составляющая и первая гармоника коллекторного тока:
к0 км а 0 ( ® к1 км 1 ( ®
53
Амплитуда напряжения возбуждения (4.23)
Коэффициент обратной связи:
модуль К = туд^ = к/‘\/1 + (5 л Х2)2 ;
и К1
фаза q>K = -arctg(S1X2)2.
Амплитуда коллекторного напряжения
^К1 = ^В1^
Мощности:
колебательная Р । = 0,51 к1 С7К| cos ф н ,
где cosфн = 1 /Vl + (51Х2)2 ;
подводимая от источника питания Р$-1kqUк0;
рассеиваемая на транзисторе Руас=Ро~Р i
(проверка условия Р рас< Ррасдоп),
в нагрузке Р н = Р Р , должна быть равна заданной.
Постоянная составляющая тока базы и напряжение смещения
на базе (4.24):
160“^к0/й21э> ^в0 = ~ ^В1 cos 0 + £7'.
Параметры элементов цепи питания и смещения.
Выбираем значения сопротивлений Z?6, R и RQ из соотноше-
ний (4.30), (4.31):
Яб>(10 ... 20)X2 , R> (10 ... 20)Хf, Яэ = 100...500 Ом.
Напряжение источника коллекторного питания
ик = ик0 + < 7к0 + 7 60 ) R э + 7к0 R-
Начальное напряжение смещения
нач ” в0 + к0 + 60 ) э + 60^ б *
Сопротивление делителя в цепи питания базы (4.33)
Л2=^нач/(/д-/бо);
7д>(3...5)/б0.
54
Мощность источника питания, КПД цепи коллектора и АГ:
^и~^к^кО+^нач^бО+^к^д’ т1э = ^1^0»
Б. Автогенератор, работающий на механических гармониках КР,
на инерционном транзисторе (см. рис. 3.3).
Исходные данные: мощность в нагрузке Рн, рабочая частота/.
Выбираем транзистор, желательно ближе к условию (4.2) и вы-
писываем его справочные параметры: тип транзистора (например,
ГТ311А), /гр, Гб, U , U кн (ИЛИ С7КЭДОП), ^эбдоп» ? рас доп*
Далее, приняв частоту КР /кв =/, выбираем КР, желательно с мень-
шим значением гквС0 и выписываем его справочные данные: /кв,
г . С п, Q , Р ~ • Вычисляем нормированную статическую ем-
кость КР т о = 2 я/кв г кв С q , которую целесообразно иметь менее
0,25.
Задаем в соответствии с рекомендациями (4.1), (4.4), (4.7) мощ-
ность рассеяния на КР Ркв, значения тока I км, напряжения U к0,
угла отсечки 0. Выписываем из табл. 4.2 коэффициенты а 0 (0),
«1(6), Y1 (0), Y1 (л-е).
Определяем коэффициент а = Рн/Ркв и проверяем выполнение
условия а < 0,25 (при этом Т| к < 0,2 (см. п.А).
Расчет ведем в следующем порядке:
Аппроксимированные параметры транзистора (4.9):
*п~15/км; г = Л219/5п; 5 = Л218/(г6 + г), Д=/гр/5гб,
=/«,//,? SrS<\~^s, <ps = -arctgQs,
Параметры колебательной системы.
Соотношение емкостей С |э /С^-к:
M'LtH’)
PRB (1 + а) S(1 - cos 0)2
С 1э — эквивалентная емкость контура L 4, С на частоте /кв:
C^^Ci-l/co^L^Cid-l/co^LiC!).
Значение к должно лежать в интервале 0,5 < к < 2. При невы-
полнении следует задать другие значения /км, Р кв или 0.
55
Емкости С |э и С 2 :
г_____1 |\/ kS1(I-+2t0Q,)
19 “шЛ (l + a)rKB(l + fls2) кв °Г
С’2=^1эК-
Сопротивление ветвей контура (см. рис. 3.1, е)
—1/Ф„С1в, Х2 = -1/соквС2.
Индуктивность L । и емкость С выбираются из условия отсут-
ствия возбуждения на низших гармониках КР, т.е. чтобы на этих
гармониках контур L р С имел бы индуктивное сопротивление.
Этим условием будет:
i<a^LiCi <п2(п-2)2,
где п, ( п — 2) —• номера рабочей гармоники и ближайшей низшей.
Для удобства обозначим со вв L С = т.
Выбирая значение т и используя выражение для С1э, находим
Ct = Cio/(l-l/m) и L^m/a^Ct.
Если полученные значения С 4 и L 4 конструктивно реализовать
затруднительно, то следует задать другое значение т.
Частота колебаний.
Обобщенная расстройка частоты колебаний / относительно f кв
(2.9):
= п ( L -Al XHl + iQ+Q,^
V Vkb(/kb f J 2t0X1(l + K) + (t0Qs-l)rKB-
Если частоты f и /кв близки, то
где Д/=/-/кв.
Относительная расстройка
Д/ V
/квИ2(2 кв-
56
Если предъявляются жесткие требования к точности настройки
на заданную частоту (например, 10 ~6) надо выбрать КР, для ко-
торого /КВ=/~Д/ Для точной настройки требуется одну из емко-
стей выполнить переменной, чтобы обеспечить ее изменения на
±30% от начального значения.
Параметры режима работы транзистора.
Постоянная составляющая и первая гармоника коллекторного тока:
I кО “ км а 0 ( ® Ь к1 км 1 ( ® )•
Амплитуда напряжения возбуждения (4.23)
с/В1=/к1/5Д1(е).
Колебательная мощность
Р1=РН+РКВ.
Амплитуда коллекторного напряжения
t7Ki=2Pi/(/K1cos<pH),
где cos<pH = l/Vl + (S1X2 + ns)2.
Мощности, подведенная от источника питания и рассеиваемая:
?кО кО > ^рас = ^>0”^>1 •
Провести проверку: Ррас< ^расдоп-
Постоянная составляющая тока базы и напряжение смещения
(4.25):
'б0 ='к0 /Л 213 . ^вО=^ + ^в1[то(6)/^1+Па-Го(л-е) •
Параметры элементов цепи питания и смещения.
Выбираем значения сопротивлений и Яэ из соотношений
(4.30), (4.31):
Яб> (10 ... 20)Х2 и Яэ= 100... 500 Ом.
Напряжение источника коллекторного питания
^к= £\о+('ко + Л>о)*э-
Начальное напряжение смещения
Uнач~ вО + ( кО 60 ) э + 60б •
57
Сопротивление делителя в цепи питания базы (4.33)
я 1 = ( ик-ияач) /7д, Я2 = С7нач/(/д-7бО).
где /д>(3... 5)/б0.
Мощность источника питания, КПД цепи коллектора и АГ:
Ри = С7к/кО+С7нач/бО+г7к/Д; ПЭ = Р1/РО; П=^н/Ри-
4.3. Автогенератор с КР в контуре
Этот АГ — наиболее стабильный из работающих на механиче-
ских гармониках КР, но его мощность в нагрузке невелика: Р
~(0,1...0,3)Ркв.
Схема АГ с КР в контуре приведена на рис. 3.4. АГ может воз-
буждаться на основной частоте и на частотах механических гармо-
ник КР. Подавление паразитных колебаний за счет емкости КР
С и колебаний низших гармоник КР обеспечивается выбором со-
противления R шунтирующего КР. Лучшая стабильность частоты
реализуется, если частота колебаний АГ f равна частоте последова-
тельного резонанса КР на выбранной частоте механической гармо-
ники/^, т.е. /=/кв и расстройка v = 0 (см. (2.9)).
При работе на механических гармониках КР в транзисторе АГ
проявятся инерционные явления и фаза крутизны ф5 будет отлич-
на от нуля, Ф5*0. В этом случае рекомендуется реализовать такой
режим полного фазирования в АГ [9], когда фаза <ps и фаза фк
(см. (4.17)) компенсируют друг друга и фаза нагрузки фн = 0:
<PK = -<PS и Фн = -(Ф« + Фк) = °>
т.е. колебательный контур АГ будет настроен на частоту /кв. Как
показали исследования [15], в АГ на высокочастотных транзисто-
рах удовлетворить условию полного самовозбуждения АГ не уда-
ется, что следует иметь в виду при пользовании методикой расчета.
При расчете режима транзистора, исходя из полного самофази-
рования, значение тока I км следует найти из условия обеспечения
определенно фазы ф5, которая зависит от тока /км, и далее ис-
пользовать его значение в расчетах. Значение тока I км ограничива-
ется допустимыми значениями Рквдоп, /кмдоп» Р рас доп- Если же
58
самофазирования не удается достигнуть, то следует величину I км
задать согласно (4.4).
Расчет ведется в предположении, что проводимости транзистора
не оказывают заметного влияния на колебательный контур (4.12) и
все ветви контура будут реактивными (см. рис. 3.1, е):
X t «-1 /сокв С1; 1/®кв С2 ; ^3 = <окв^/3~ 1/шкв ^3 • КР°"
ме того, в АГ достигается полное самофазирование, /=/кв. АГ ра-
ботает на механических гармониках КР.
Исходные данные: мощность в нагрузке Р н, рабочая частота /.
Выбираем транзистор, желательно удовлетворяющий условию
(4.2), и выписываем его справочные параметры:/гр, гб, /г21э»
U кн (или ^кэ доп км доп ’ рас доп ’ ^эбдоп *
Выбираем КР на частоту /кв=/ с меньшим значением гквС0.
Выписываем параметры КР:/кв, rKB, Со, QKB, С\вдоп,
т 0 = 2 л/кв Cq г кв . Дополнительно задаем в соответствии с (4.1),
(4.4), (4.7) мощность Ркв, напряжение С/к0, угол отсечки 0. Нахо-
дим из табл. 4.2 коэффициенты ао(0), 0^(0), 7^(0),
7о(л-0).
Расчет ведем в следующем порядке.
Сопротивление резистора R и коэффициент т
7? = Г кв /Т 0 » т ~ г кв
Ко V JtxxJ
Мощность, рассеиваемая резистором:
Р г~Р
Параметр а = Р н /(Р кв + Р г).
Рекомендуется а <0,25 (при этом Т|к<0,2). Если условие не вы-
полняется, то надо уменьшить Рн, иначе ухудшается стабильность
частоты.
Максимальное значение импульса коллекторного тока
( 1 + Ц Д 21э ) ^ L
Здесь |1=/кв//гр, В=15гб, П = 2РКВ( 1 + т)2/гква|(0).
59
Проверить: 7КМ^7КМДОП.
Аппроксимированные параметры транзистора:
5пв 151км; г = Л21э/5п; 5==А21э/(г6 + г)’ Л=/гр/5гб>
й4=/кв/Л: Sf=S/4i^ ; (ps = -arctgQs; 51 = 5У1(0).
Параметры колебательной системы (при условии самофазирова-
ния).
Сопротивление ветвей контура (см. рис. 3.1, е):
Гкв( 1 + а) ( 1 +Q 2)
*2<b=-ns/5i; Xi=~ о \ •
z<₽ s 1 1 Q s (1 ч- 7П)
Емкости контура С и С 2ф •’
6?!=-! , С2ф==--1/<»кв^2ф-
Сопротивление плеча контура между коллектором и базой X 3.
Предварительно рассчитываем эквивалентное реактивное сопро-
тивление КР с учетом резистора R:
X квэ ~ ~ г кв * 0 + ’
затем находим
Х3 = -(Х1+Х2ф+Хквэ)-й5гкв(1ч-а)/(1+т).
Индуктивность L 3 и емкость С 3 выбираются из условия
X3 = co jLo — 1 С 3.
о кв о к» о
Х3 можно реализовать по-разному в зависимости от индуктивно-
сти L3. Чем больше L3, тем меньше будет емкость С3. Для оценки
L3 можно использовать характеристическое сопротивление р при-
няв его значение 50...500 Ом. Тогда
L3 = P/t0KB> С3 = 1 /<Окв (<» kbL3“ *3)-
Параметры режима работы транзистора.
Постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники кол-
лекторного тока, постоянная составляющая тока базы:
^кО ^км 0 ® 60 ~ кО 21э *
60
Амплитуда напряжения возбуждения (4.23), модуль коэффици-
ента обратной связи (при самофазировании):
кф=х2ф^о[/х1.
Амплитуда коллекторного напряжения
^К1 = ^в1^ф-
Напряжение смещения на базе (4.25)
t7BO=C7' + C7Bl[Yo(0)/^1+fls -Го(л"0) •
Мощности: потребляемая в цепи коллектора, колебательная и
рассеиваемая транзистором
Р0~1к0ик0’ Р1 = °’5/К1 Uk1 ’ Ррас = РО~Р 1-
Проверка условия Р рас < Р рас доп.
Параметры элементов цепи питания и смещения — см. разд.
4.2.В.
4.4. Автогенератор с КР в цепи
положительной обратной связи
Схема АГ показана на рис. 3.6. АГ построен по принципу емко-
стной трехточки, а в цепь обратной связи включен делитель напря-
жения из КР и резистора гд. АГ работает при возбуждении КР
как на основной частоте, так и на механических гармониках КР.
Основное достоинство схемы АГ перед другими — возможность
получения при фиксированном значении мощности Р кв большей
мощности в нагрузке Рн«(1... 10)Ркв. Это позволяет использовать
транзистор с малой инерционностью, т.е. при £2$<0,5 или
/< 10/гр (4.1). С учетом значений / современных маломощных
транзисторов АГ, в котором желательно получить большую мощ-
ность Рн целесообразно строить с возбуждением КР на основной
частоте. При этом обычно частота колебаний АГ / и собственная
частота коллекторного контура АГ /0 равны или близки к частоте
последовательного резонанса КР /кв, т.е. /~/о~/кВ- ® с В03‘
буждением КР на механических гармониках частота колебаний /
равна или близка к частоте последовательного резонанса выбран-
61
ной гармоники/кв (/«/кв). Контур АГ настраивают на частоту,
близкую к /кв. Для частот более низких гармоник контур сильно
расстроен и условия самовозбуждения для них не выполняются.
Однако за счет статической емкости КР возможно возникнове-
ние паразитных колебаний. Паразитные колебания тем легче воз-
буждаются, чем больше С q, поэтому желательно выбирать КР с ма-
лым значением TQ = 2 7t/KBCorKB. На частоте последовательного
резонанса КР /кв полное сопротивление КР в последовательной
схеме замещения Zкв (см. рис. 2.8) имеет две составляющие:
кв ~ г кв и % кв = — т 0 г кв •
Для уменьшения нестабильности частоты, вызываемой изменени-
ем реактивных параметров контура, ненагруженная добротность
коллекторного контура должна быть невысокой и сопротивление
г небольшим, т.к. оно уменьшает добротность контура в цепи воз-
буждения (гд, ZKB, С2)- Добротность (?нен рекомендуется [9]
иен “50... 100.
Для уменьшения нестабильности частоты желательно выбрать
транзистор с малой инерционностью с /гр>10/.
Рассмотрим порядок расчета АГ при работе на основной частоте
и на механических гармониках КР при условиях работы транзисто-
ра с малой инерционностью в недонапряженном режиме и при ма-
лом влиянии проводимостей транзистора на колебательную систему
АГ, расстройка которой v = 0 (/=/кв).
А. Автогенератор, работающий на основной частоте КР на без-
ынерционном транзисторе.
Исходные данные: мощность в нагрузке Р н частота колебания /.
С учетом условия / > 10/ выбираем транзистор и выписываем его
справочные параметры:/гр, гб, Л21э, V, 5гр( (7КП (или С7КЭД0П),
три
км доп * рас доп ’ эб доп *
Выбираем КР на частоту / =/ и выписываем его справочные па-
раметры: /м, rra, Со, Qm, Рквдоп. Определяем
т 0 = 2 я/кв С 0 г кв . Рекомендуется выбрать кварц с меньшим значе-
нием Т Q .
Дополнительно задаем в соответствии с рекомендациями (4.1),
(4.4), (4.7) мощность рассеяния на КР РКВ<РКДОП, ток Iкм, на-
62
пряжение Ukq, угол отсечки 0, ненагруженную добротность и КПД,
коллекторного контура Q нен, Т| к. Находим из табл. 4.2 значения
коэффициентов а 0 ( 0 ), а1(0), у 4 ( 0).
Расчеты ведем в следующем порядке-
Аппроксимированные параметры транзистора (4.9):
5пя15/км» г==Л21э/5п* 5 = Л21э/(г6 + гЬ
f s гр г б ' s кв /Д *
Если Qs>0,5, то следует увеличить Д, уменьшив ток /км, или
выбрать транзистор с большей /.
Так как для безынерционного транзистора £1 < 0,5, то крутизна
5 — действительная величина и (р s~0.
Параметры режима работы транзистора.
Постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники кол-
лекторного тока, постоянная составляющая тока базы:
^к0 “ юл 0 ( ® Ь ^к! юл 1 ( ® Ь 60 “ к0 21э ’
Амплитуда напряжения возбуждения (4.23) и напряжение сме-
щения на базе (4.24):
^в1 = Ли/5Г1(е)> ^B0 = -^BlCose + t/'.
Сопротивление делителя _____________
г_=1/в1^гкв/2Ркв .
Д о 1 tliS txB
Мощности: рассеиваемые на сопротивлении делителя, в элемен-
тах контура и колебательная
Ргп = Рквгп/гкв> р к = Р н < 1 - 'П к) /т1 К >
/ Д XYt» Д Л tl IV IV
Р i^Prjl^P К^РН + Р КВ’
А Г Д XV XX
Мощности: подведенная к транзистору от источника питания и
рассеиваемая на транзисторе
Р0 = 1к0ик0’ Ppac = P0~Pi-
Проверяем условие: Ррас< Ррасдоп-
Амплитуда коллекторного напряжения
^к1 = 2Р1//к1-
63
Амплитуда 1/к1 в граничном режиме
U к! гр "" & кО км гр •
Проверяем условие обеспечения недонапряженного режима:
^к1^»8£/к1гр.
Если это не выполняется, то надо внести коррективы в расчет
— например, уменьшить I км.
Резонансное сопротивление коллекторного контура
R к1к! ^к! •
Параметры элементов колебательного контура.
Коэффициент к = С * /С 2 .
Значение к должно быть в интервале 0,2... 1.
Задаем характеристическое сопротивление контура р в пределах
50...500 Ом и рассчитываем индуктивность и полную емкость
контура С ( 1/С= 1/С| + 1/С2 + I/C3 ):
£3 = Р/<Вкв> С=1/<°квР-
Сопротивление емкости С
Х^-^П^/Q ,
зд® ^=^нен(1-пк)-
Емкости контура:
С2 = С1/к,
1 1____1_____1_
С*3 С 6*1 6*2
Сопротивление емкости 6*2
х2
= XtK.
Проверка выполнения условия отсутствия паразитных колеба-
ний:
-х2 +---
® кв С 0
/г д > (1 + к) ->/о,5к5Як1-1.
64
Параметры элементов цепей питания и смещения (см. разд.
4.2. А).
Б. Автогенератор, работающий на механических гармониках КР
на инерционном транзисторе.
Исходные данные: мощность в нагрузке Рн, частота колебаний /.
Выбираем транзистор ближе к условию (4.2) и выписываем его
справочные параметры: /гр , гб , h2ig, U', SТр, Uкв (или С7КЭДОП),
I Р TJ
км доп » рас доп 1 эб доп *
Выбираем КР на частоту /кв=/ и выписываем его справочные
параметры: /кв, г кв, CQ, QKB, Раня. Определяем
т 0 = 2я/квС цГ кв. Рекомендуется выбрать КР с меньшим значени-
ем т0.
Дополнительно задаем в соответствии с рекомендациями (4.1),
(4.4), (4.7) мощность рассеяния на КР РКВ<РКВДОП, ток ^км» на-
пряжение С7к0, угол отсечки 0, ненагруженную добротность Q нен
и КПД коллекторного контура Т| к. Находим из табл. 4.2 коэффи-
циенты ао(0), 04(6), ^(б), Го(л-0).
Расчет ведем в следующем порядке.
Аппроксимированные параметры транзистора (4.9):
5п = ^км! r = h2ie/^n’ 5 = А21э/(гб + г>’ f* =/гр /Sr6 >
Qs=fKB/fs- Sf-S/^ ; <ps = -arctgns;
Параметры режима работы транзистора.
Постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники кол-
лекторного тока, постоянная составляющая тока базы:
^кО^км 0 ( 0 Ь ^к1 ^км 1 ( 0 ^60 “ ^кО 21э •
Амплитуда напряжения возбуждения (4.23) и напряжение сме-
щения на базе (4.25):
U.i = IKl/Sfyl^), Г7вО»Г7'+С7в1[уо(0)/^1 + Яв2-Уо(я-е) •
Сопротивление делителя:
rn = L/B1VrKB/2PKB .
Д D 1 Дп пи
65
Мощности: рассеиваемые в сопротивлении гд в элементах конту-
ра и колебательная в цепи коллектора (4.27):
р = р г /г Р = Р (1 — л ) /п
ГД КВ 'д'* КВ’ К Н' "к' "к’
1 ~ +^кв •
1 Г Д Л И ЛИ
Мощности: подведенная к транзистору от источника питания и
рассеиваемая на транзисторе:
Р 0 = ^ кО^ кО ’ ^рас = ^0~^1 *
Проверяем условие: Ррас < Р расдоп.
Амплитуда коллекторного напряжения Uк1~2Р4//к1 (предпо-
лагаем, что coscpH~l, далее это уточняется).
Амплитуда коллекторного напряжения в граничном режиме:
U к! гр = кО км гр •
Для получения недонапряженного режима должно быть:
С7к1 ^0,8 С7к1гр. Иначе — следует уменьшить /км, Рн или 0.
Модуль коэффициента обратной связи и резонансное сопротивле-
ние контура:
RKt~vKl/iKi.
Параметры элементов контура.
Предварительно найдем коэффициент, определяемый как
к = -Х2/(Х2 + Х3),
где X2 = -1/cdkbC2, X 3 = Х L3 + X сз, XL3 = toKBL3,
XC3 = ^^ /шквС3’
к-МК{ 1 +гкв /гд).
Рекомендуется брать М = 1,02... 2 [9].
Сопротивление емкости С2 и плеча контура между коллектором
и базой Х3:
X2 = "lb[X™ + ^K2,'«“X2<''« + ''»)2 '
Здесь -^кв = -* огкв: Х$ = -Х2(1. + к) /к.
66
ко
J 0 J kb .
Обобщенная расстройка частоты колебаний 7=/^ относительно
собственной частоты контура f 0 при условии близости f к /0:
2 (/кв ~/о)
/о
Здесь /0 = 1 /2 я Л/А3С, 1/С= 1/С { + 1/С2 + 1/С3 ,
Q — Q йен ( "Л к )•
8 определяется из соотношения
д (Гд + Гкв)а + [Х2(1+*) + *кв]Б
[Х2 (1+ к) + Хкв ] А-(гд + гкв) Б ’
где A = Sir}{Sis; Б = 5 j гд-к(1+ Й2).
Собственная частота контура
70«7кв/( 1+5/2$).
Сопротивление емкости С и индуктивности L 3:
у _ —__ 5 „
^L3 = ^W?./4«K1-
Сопротивление емкости С %
Х C3=X3~X L3’
Элементы контура L 3, С1, С 2> С 3:
^3 = ^£3/(Окв; С1=-1/®кв-У1; С’2 = -1/(0квХ2;
С3 = -1 /а^Х^.
Уточняем
-k(1+5Qs)
COS ф н = . ..- ..........
^(1 + 52)[(51гд-к)2 + (кй5)2
Если cos (р н > 0,8, то можно считать, что расчет выполнен с до-
статочной для практики точностью. Если нет, то следует проделать
расчет с учетом cos ф н .
67
Проверка выполнения условий невозможности возбуждения коле-
баний паразитных (ПК) и низших гармоник (НГ) (4.8).
Для этого используем соотношения:
[Х2( 1 + к)+Х0] (l + Qj)
у1(0)пк K/?K15r„Qs ;
, „ .( 1 + ^лнг)(гд + гкв)кнг
Возможность колебаний возникает, если у । (0) пк и у i ( 0) нг
близки к у 1 (0) на рабочей гармонике КР.
В формулах
^$нг ==«^ кв нг s »
кнг, ^2нг коэффициент к и сопротивление емкости С2 рассчи-
танные на частоте ближайшей низшей гармоники.
Параметры элементов цепи питания и смещения (см. разд.
4.2. А).
4.5. Автогенератор с КР в цепи
отрицательной обратной связи
Схема АГ показана на рис. 3.9. КР включен в цепь эмиттера
последовательно с коллекторным контуром. АГ может обеспечить
мощность в нагрузке Рн = (1... 5)РКВ . В схеме принципиально воз-
можно возбуждение паразитных колебаний на частоте /пк за счет
статической емкости КР Со и частот механических гармоник КР
ниже выбранной /нг. Частота колебаний в АГ / близка или равна
частоте последовательного резонанса КР на выбранной гармонике
/кв, т.е. /«=/кв и обобщенная расстройка (2.9) v~0. На частоте
/кв полное сопротивление КР 2KB = PI(B+jXKB«rKB( 1 -jt0)
(2.12)
При расчете предполагается, что транзистор АГ выбран ближе к
условию f > 10/ для уменьшения в нем инерционных явлений и
его проводимости не оказывают заметного шунтирующего влияния
на колебательный контур (4.12). Ток через КР приблизительно ра-
68
вен первой гармонике коллекторного тока АГ 7кв~/к1, а мощ-
ность, рассеиваемая на нем Ркв~ 0,51*^ гкв •
Исходные данные для расчета: мощность в нагрузке Рн, частота
колебаний /.
Выбираем транзистор ближе к условию (4.2) и выписываем его
параметры./гр , , ^21э* * ^кн (или ^кэдоп)» км доп* рас доп*
TJ
эб ДОП •
Выбираем КР с меньшим значением произведения г кв С 0 и вы-
писываем его параметры:/кв, гкв, Со, QKB, Рквдоп. Находим
0 ~ кв 0 кв ‘
Дополнительно задаем мощность, рассеиваемую на КР Р ** (4.1),
значения напряжения С7к0 (4.4) и угла отсечки 0 (4.7), ненагру-
женную добротность контура (?нен (от 50 до 100), КПД контура
Л к < 0,5. Из табл. 4.2 выписываем коэффициенты а 0 (0), а (0),
71(0), 70 ( я-0 ).
Расчет ведем в следующем порядке.
Максимальное значение импульса коллекторного тока,____
Для этого вначале находим ток через КР 7КВ = ^2РКВ /R кв, где
7? кв ~г кв • Затем приравняем его к амплитуде первой гармоники
коллекторного тока, I кв = I к|, и наконец рассчитаем ток
/КМ = /К1 /«1(0)-
Делаем проверку: /км^кмдоп- При невыполнении условия сле-
дует сменить транзистор.
Аппроксимированные параметры транзистора:
S^^IK^r = h^/Sa- 5 = Л219/(гб + г),
sf=s/Ji^ ; s^sy^e).
Параметры элементов контура.
Предварительно находим обобщенную расстройку частоты коле-
баний /»/кв относительно частоты контура/0 5 и управляющее
сопротивление АГ Яу (4.15) при коротком замыкании КР:
69
й + 5! X
CJ __о___X__ХлР
°"" i + SiRKB
R у R кв+4
\l + 82),
где R кв = г X ~-r хп.
>tt5 it 15 It Jo itii V
Резонансное сопротивление контура
Як1 = 2Рн(1 + 82)//21Т1к
Коэффициент трансформации
к — С /С 2 = R у /R к|.
Рекомендуется к «0,3 ...1,5 для получения меньшей нестабильно-
сти частоты [9]. При к <0,3 заметно влияет входная проводимость
транзистора, а при к > 1,5 — выходная, что увеличивает нестабиль-
ность частоты.
Индуктивность L 3.
Задав характеристическое сопротивление контура р в пределах
50...500 Ом, получим L 3 = р /со кв .
Полное сопротивление потерь в контуре с учетом нагрузки
г=р/(),
где Q — Q нен (1— Л к )•
Сопротивление ветвей контура (см. рис. 3.1, е):
Xl = -^R~^ ; Х2 = кХ1:
Хз = бг-Х1-Х2 = ЮКв^'3_^/®кв^З-
Емкости контура:
Сх=- 1 ; С2 = -1/соквх2; С3 = 1 /со кв( сокв L3-Х3).
Проверка условия невозможности возбуждения:
паразитных колебаний (ПК)
R у < г кв sX 0 ’
у tv D d V
отсутствия генерации низших гармоник (НГ)
ЯУнг/(1 + 5^г)<'-квнг>
при этом частота низшей гармоники/квнг~/кв/п (п — номер ра-
бочей механической гармоники КР), выбирают из справоч-
ных данных или примерно г квнг= 10 ... 100 Ом.
70
Для проверки отсутствия генерации НГ вычислим Яунг и 8НГ
используя соотношения:
R у нг ~ % 1нг % 2нг /г нг 9 нг ~ 1нг + % 2нг + % Знг ) нг •
Рассчитаем сопротивления:
1нг = Х1П; Х2нг = пХ2; Х3нг = -^
п
° кв С3
Для оценки потерь в контуре гнг принимаем
(т.к. мощность в нагрузке отсутствует). Тогда г
Снг-ЮО, пк = о
НГ «Сиг ' П0Д'
ставив полученные значения /?унг и 8НГ в формулы для провер-
ки условия отсутствия НГ, делаем вывод о возможности возникно-
вения колебаний на НГ.
Параметры режима работы транзистора.
Постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники кол-
лекторного тока, постоянная составляющая базового тока:
^кО~^км ® ^к1“^кма1 ^60 “ ^кО 21э *
Мощности: колебательная, потребляемая от источника питания и
рассеиваемая на транзисторе
? 1 = ? н к + ? кв » ? Q = I кО кО ’ рас = 0 “ 1 •
Проверяем условие Ррас < Ррасдоп •
Амплитуда напряжения возбуждения (4.23) и напряжение сме-
щения на базе (4.25):
^в1=/к1/5/М0)’ + + •
Заметим, что напряжение между коллектором и эмиттером
и „I = и + и ,
где U кв = I кв Z кв , U кон — напряжение на контуре. В результате
икон<и к1 Можно принять [15]:
v„. = (0.2 ...0,6)Ом.
Параметры элементов цепей питания и смещения — см. разд.
4.2.Б.
71
5. ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА АВТОГЕНЕРАТОРОВ С
КВАРЦЕВЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ
Программы предназначены для выполнения расчетов АГ с КР
на биполярных транзисторах. Даются краткие сведения о програм-
мах. Для каждой программы приводятся ее назначение, требуемые
исходные данные, основные указания по работе с ней, описание
выходных данных и пример с результатами выполнения конкретно-
го задания для контроля работы программы.
В основе программ лежат теоретические соотношения, приведен-
ные в гл. 4 настоящего учебного пособия. Программами предусмот-
рен ввод параметров транзистора и КР, которые можно найти в
справочниках [1, 6, 7], либо в табл. 4.1 и 2.3 пособия. Ввод осу-
ществляется с клавиатуры. Параметры вводятся поочередно после
соответствующего указания. Аналогично происходит ввод и других
запрашиваемых программой данных. Результаты расчета выводятся
на экран. Выводимые данные группируются в блоки: параметры
элементов контура, параметры режима работы транзистора и пара-
метры элементов цепей питания и смещения.
Полные описания программ имеются в кабинете курсового про-
ектирования кафедры.
5.1. Программа QV_КВ. Автогенератор с КР между
коллектором и базой
Программа QV ~КВ производит расчет автогенераторов, работаю-
щих на основной частоте (см. рис. 3.2) и на высших механических
гармониках КР (см. рис. 3.3). Принцип работы, методика расчета
и основные теоретические соотношения для указанных схем АГ
приведены в разд. 3.2 и 4.2.
Исходные данные
Частота генерируемого колебания — /, МГц
Параметры транзистора
тип транзистора, например, ГТ311
граничная частота — f гр, МГц
коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ — Л21э
сопротивление материала базы — г б, Ом
напряжение приведения по базе — U't В
допустимое напряжение коллектор-эмиттер — UK3max (Е7КЭД0П), ®
72
допустимый максимальный коллекторный ток — мА
К UldJL нм
допустимая мощность рассеяния — Р р max {Р рас доп)> мВт-
Параметры КР:
частота последовательного резонанса —/кв, мГц
активное сопротивление динамической ветви —Я (г кв), Ом
статическая емкость — С 0, пФ
добротность — Q кв
допустимая мощность рассеяния — РКВД(РКДОП), мВт.
После проверки правильности ввода данных, необходимо ввести:
мощность рассеяния КР — Р кв, мВт
коэффициент — А (а).
На основании введенных данных программа сообщает: «ожидае-
мая мощность в нагрузке: Рн = ... Вт». Если это значение Рн мень-
ше требуемого, то можно воспользоваться рекомендациями, которые
предлагаются в программе по его увеличению. В случае продолже-
ния работы необходимо ввести дополнительные данные:
напряжение коллекторного питания — С7к0, В
максимальный коллекторный ток — /км, мА
угол отсечки — 0, град.
В перечне данных указаны единицы величин и обозначения в
запросах и сообщениях программы, в скобках — обозначения в
формулах разд. 4.2.
Ввод данных осуществляется с клавиатуры по запросу програм-
мы, причем даются комментарии и предлагаются рекомендации по
выбору значений величин. Например: «Задайте угол отсечки кол-
лекторного тока, который рекомендуется выбирать в пределах от 50
до 90 градусов».
Расчетная часть программы QV_КВ соответствует методике рас-
чета, изложенной в разд. 4.2 и предоставляет возможность рассчи-
тать два варианта АГ, которым соответствуют схемы на рис. 3.2 и
3.3. Первый (рис. 3.2) — /<30 МГц и КР возбуждается на основ-
ной частоте. Очевидно, всегда найдется транзистор, для которого
/гр>10/ и можно будет считать его безынерционным (когда пара-
метр Q5<0,5). Второй (рис. 3.3) — / > 10/ МГц и КР возбужда-
ется на высших механических гармониках, при этом возникает не-
обходимость учета инерционности транзистора (когда Qs>0,5).
73
Ввод данных для обоих вариантов одинаков, но затем програм-
ма предлагает ввести рассчитываемый вариант: «нажмите клавишу
<F1> для расчета кварцевого автогенератора на основной частоте
или клавишу <F2> для расчета кварцевого автогенератора на меха-
нических гармониках». По ходу программа выдает подробные ком-
ментарии и рекомендации, позволяющие ориентироваться при зада-
нии и оценке значений рассчитываемых величин.
Результаты расчета выводятся на экран.
Основные параметры:
Параметры элементов колебательной системы: п
реактивные сопротивления (Ом)Х1(Х2
емкости (пФ) С 1 , С2
индуктивность (мкГн) Lj только для схемы рис. 3.3
относительная расстройка Д///м
Параметры режима работы транзистора: II
первая гармоника тока коллектора (мА) 7Kj I
постоянная составляющая тока коллектора (мА) I ко
амплитуда напряжения возбуждения (В) U6( UB1)
амплитуда напряжения на коллекторе (В) Г7К(£7К1)
колебательная мощность (мВт) Р1
мощность, подводимая к коллекторной цепи (мВт) PQ
мощность в нагрузке (мВт) Рв
мощность рассеяния на транзисторе (мВт) ,Рр(.Ррас) 1
постоянная составляющая тока базы (мА) I я.
напряжение смещения на базе (В) сг.0 1
74
Параметры элементов цепей питания и смещения:
сопротивления (Ом)Я0, Д6 (Я з — только для схемы рис. 3.2)
сопротивления делителя (кОм) Я , R 2
напряжение источника питания (ВЖкДи,,)
начальное напряжение смещения (В) Е6и ( имч) 1
мощность источника питания (мВт) Р,
КПД коллекторной цепи КПД (Лэ)
КПД автогенератора КПД „(я)
Данные для контроля программы
1. Безынерционный транзистор, КР возбуждается на основной ча-
стоте (см. схему рис. 3.2):
Вводимые данные:
Транзистор ГТ311
/= 10 МГц /кв=10 МГц ^=4 0
/гр = 600МГц Я кв ~ 50 Ом /км==20 мА
219 = 50 Сq= 10 пФ 0 = 60 град
г б = 60 Ом <2к. = 5104 Яэ = 300 Ом
L7' = 0,3 В Рмд=2 мВт А3 = 20
Нкэтах= ® К=0,5 К6 = 20
4 = 0,1 *д = 5
Р р max = 150 мВт (t = 25'C) . .1
75
Результаты расчета
5п = 0,3 См С1 = 358 пФ I бо — 0,087мА
г «166,7 Ом С2 = 555 пФ ит=0,21 В
5=0,221 См Д///„=1.510-5 £кЯ = 9.2 В
/, = 45,3 МГц 7К1 = 7,82 мА Яби=1,6 В
О, = 0,22 /к0 = 4,36 мА R1 = 17,5 кОм
5j = 0,0431 См Z76 = 0,18 В /?2 = 4,6 кОм
/сХ=0,64 С7к = 0,45 В Р„ = 44,3 мВт |
XI = 44,5 Ом Р1 = 1,1 мВт КПД « 0,063
Г X 2 = 28,7 Ом Рн = 0,1 мВт КПД аг = 0,0023
Рр= 17,44 мВт
2. Инерционный транзистор, КР возбуждается на третьей механи-
ческой гармонике (см. схему на рис. 3.3).
Исходные данные
Транзистор ГТ311
/=60 МГц /„, = 60 МГц 17 „о = 4 В
/гр = 600МГц Лкв = 50 Ом ZKM = 20 мА
Л 21э= 50 Со = 10 пФ 0 = 60 град
г б = 60 Ом ij <?„,= 105 Х„ = 2
t7' = 0,3 В Рквд = 2 мВт R 3 = 300 Ом |
^кэтах = Ю В #=0,5 Яб = 680 Ом
^ктах=^0 мА А = 0,1 Хд = 3
Р ₽ти= 150 мВт (t = 25'C) J
76
Результаты расчета
Sn = 0,3 См 6*1=68 пФ /бо = 0,087 мА
г =166,7 Ом 6*2 = 53 пФ 1760=0,14 В
5 = 0,221 См Д///кв = 3,610-6 Еки = 5,3 В
/, = 45,3 МГц 7К1 = 7,82 мА £6e=l,5B
£2 ,= 1,32 7к0 = 4,36 мА R1 = 14,5 кОм
51 = 0,0451 См *7б = 0,3 В Я2 = 8,8 кОм
* = 0,19 £7к = 0,37 В Ри = 24,8 мВт J
ЛХ=0,64 Р1 = 1,1 мВт КПД - 0,067 |
XI =-78 Ом Рн = 0,1 мВт КПД ftr = 0,004
Х2 = -50,3 Ом Рр= 16,34 мВт
L 1 =0,21 мкГн Ро = 17,44 мВт
5.2. Программа QV_GR. Автогенератор с КР в контуре
Программа QV ~GR производит расчет автогенератора, работаю-
щего на высших механических гармониках КР и выполненного по
схеме рис. 3.4. Принцип работы, методика расчета и основные со-
отношения для этой схемы АГ приведены в разд. 3.3 и 4.3.
Исходные данные
мощность в нагрузке (Вт)Р„
частота генерируемого колебания (Гц)/
Параметры транзистора: Н
тип транзистора
граничная частота (Гц)/гр
коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ ^218
сопротивление материалы базы (Ом) г6
допустимый максимальный коллекторный ток (А) I КМд0П
допустимое напряжение коллектор-эмиттер (В) иияов
напряжение приведения по базе (В) V
крутизна линии граничного режима (A/В) 5гр
допустимая мощность рассеяния на коллекторе (Вт) РраСдОП
77
} Параметры КР:
| частота последовательного резонанса (Гц)/К.
сопротивление динамической ветви (Ом) гкв
статическая емкость (Ф) Со
добротность С КВ
допустимая мощность рассеяния (Вт) Рквдоп
По окончании ввода исходных данных программа предлагает
проверить правильность ввода и продолжить работу или ввести но-
вые данные. В случае продолжения работы необходимо ввести до-
полнительные данные:
мощность рассеяния КР (Вт) Рт |
напряжение питания (В) ск0
угол отсечки (град) ТЕТА(б)
индуктивность (Гн) L3 (см. рис. 3.4)
В перечне данных указаны единицы величин и обозначения в
запросах и сообщениях программы, в скобках — обозначения в
формулах разд. 4.3. Ввод исходных и дополнительных данных осу-
ществляется с клавиатуры по запросу программы, при этом в наи-
более ответственных случаях, для удобства пользователя, программа
предлагает рекомендации по выбору значения величины.
Например: «Угол отсечки (рекомендуется ТЕТА=5О...9О)».
Расчетная часть программы соответствует методике расчета, изло-
женной в разд. 4.3. В результате расчета могут появляться сообще-
ния программы, требующие вмешательства:
— «Ркв не должна превышать Рквдоп, введите данные снова» —
это означает, что мощность, рассеиваемая КР превысила допусти-
мое значение, необходимо ввести данные снова, изменив значение
Ркв •
— «При таком соотношении Рн и Ркв частота будет нестабиль-
ной» — необходимо поступить так же, как в первом случае.
— «Ток I км превышен, необходимо выбрать другой транзистор».
— «Рассеиваемая мощность превышает максимально допусти-
мую» — необходимо выбрать транзистор с большей Ррасдоп или
уменьшить напряжение питания U к0.
78
Результаты расчета выводятся в такой последовательности:
сопротивление резистора (Ом) Я
мощность рассеяния резистора (мВт) Р п
максимальный ток коллектора (мА) 7КМ
Параметры элементов контура:
сопротивления (Ом)Х,, Х2,Х3
емкости (пФ) С1, С 2, С з
индуктивность (мкГн) L3
Эти данные составляют первую страницу вывода результатов.
Параметры режима работы транзистора:
тип транзистора
амплитуда первой гармоники тока коллектора (мА) ZK1
постоянная составляющая тока коллектора (мА)
амплитуда напряжения возбуждения (В)
напряжение смещения (В) ия0
модуль коэффициента обратной связи к
амплитуда коллекторного напряжения (В) CZrf |
мощность, потребляемая от источника питания (мВт) Ро 1
колебательная мощность (мВт) Pt J
мощность рассеяния (мВт) Рр,с
Далее, в соответствии с предложенным меню, можно повторить
просмотр результатов расчета с первой страницы, произвести расчет
с начала, окончить работу и рассчитать цепи смещения.
Для расчета элементов цепи смещения необходимо ввести дан-
ные: /?э (Ом), /?б (Ом), /д (А). Рекомендуемые значения програм-
ма указывает в скобках. В результате расчета получаем значения
сопротивлений делителя в цепи питания базы: (Ом), /?2 (Ом).
Далее, согласно меню, можно повторить все вышеописанные проце-
дуры, а также окончить работу.
79
Данные для контроля программы
Автогенератор возбуждается на третьем механической
гармонике КР.
Вводимые данные:
РН = ОД мВт, /=60 МГц
1 Транзистор ГТ311 г 1 - — • КР Дополнительные данные II
/гр = 500 МГц /к, = 60 МГц Р кв = 1 мВт |
Л21э = 50 г кв = 50 Ом С7кО = 5 В
г б = 60 Ом С0 = 5 пФ 0 = 60 град
КМ ДОП = 50 мА (?кв = 105 £3 = 0,5 мкГн
^кэдоп = 12 В ^кдоп=2 мВт Яэ = 300 Ом
t7z = 0,3 В Яб = 500 Ом
5 гр = 0,05 А/В /д = 0,2 мА
расдол~ 150 мВт
Результаты расчета
Параметры контура Параметры режима Параметры цепи смещения |
R = 530,8 Ом / к1 == 5,3 мА R1 = 24 кОм
Р R = 0,094 мВт 7к0 = 2,9 мА Я 2 = 7,7 кОм
7КМ = 13,44 мА С7в1 = 0,25 В
Xi =-100,9 Ом £/во = ОЛ6 В
Х2 = -36,8 Ом Х = 0,56
*3 = 83,4 Ом Z7K1 = 0,45 В
С1 =26,3 пФ Р! = 1,2 МВт
С 2 = 72,1 пФ Р 0=14,7 МВт
С 3 = 25,3 пФ Ррас=13,5 МВт 1
£3 = 0,5 мкГн
80
5.3. Программа QV_OS. Автогенератор с КР в цепи
положительной обратной связи
Программа QV _OS производит расчет автогенератора, работаю-
щего на высших механических гармониках КР и выполненного по
схеме рис. 3.6. Принцип работы, методика расчета и основные со-
отношения для такой схемы АГ приведены в разд. 3.3 и 4.4.
Исходные данные
мощность в нагрузке (Вт) Рв
частота генерируемого колебания (ГЦ)/
Параметры транзистора:
тип транзистора (например, ГТ313А)
граничная частота (Гц)/гр
крутизна линии граничного режима (A/В) Srf
допустимый максимальный коллекторный ток (А) I км доп П
допустимое напряжение коллектор-эмиттер (В) U КЭдоп I
коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ Л21э
сопротивление материалы базы (Ом) г б
Параметры КР:
частота последовательного резонанса (МГц)/к.
допустимая мощность рассеяния (МВт) Р раСдоп
j сопротивление динамической ветви (Ом) г К11
статическая емкость (пФ) Cq
добротность qkb
Дополнительные данные:
мощность рассеяния КР (Вт) Ркв
максимальный ток коллектора (мА) Iкм §
напряжение питания (В) им
угол отсечки (град) в 1
ценагруженная добротность контура Q иен
КПД контура КПД(пк)
В перечне указаны единицы и обозначения, используемые в
программе. Ввод исходных и дополнительных данных осуществляет-
ся с клавиатуры по запросу программы, в котором имеются реко-
мендации по выбору соответствующих величин.
81
При необходимости корректировки входных данных, после запу-
ска программы, надо положительно ответить на запрос о редакти-
ровании, указать номер корректируемого параметра и ввести его
новое значение.
Расчетная часть программы соответствует методике расчета, изло-
женной в разд. 4.5.
Результаты расчета выводятся в такой последовательности:
Параметры режима работы транзистора:
тип транзистора и
постоянная составляющая тока коллектора (мА) 1к0
амплитуда первой гармоники тока коллектора (мА) IК1
амплитуда напряжения возбуждения (В) и,<
колебательная мощность (Вт) Pi .. ..
амплитуда коллекторного напряжения (В) ик1
напряжение смещения (В) ив0
мощность, потребляемая от источника питания (Вт) Ро
мощность рассеяния (Вт) PfM
сопротивление делителя в цепи ОС (Ом)Гд
Параметры элементов контура:
обобщенная расстройка контура 8
резонансное сопротивление (Ом) ЯК1
емкости (пФ) С1, С 2, Сз
индуктивность (мкГн) L3
Параметры элементов цепи смещения:
сопротивления (Ом) R„, R6
сопротивления делителя (Ом) Rt, R2
сопротивление в цепи питания (Ом) R
82
Данные для контроля программы
Автогенератор возбуждается на третьей механической
гармонике КР.
Вводимые данные
| Транзистор ГТ311 КР Дополнительные данные
/гр = 500 МГц /га = 60МГц Ркв=1 мВт
5гр = 0,05 А/В Р кв доп ~ 2 мВт /км = 10 мА
I км доп = 50 мА гкв = 50 Ом С\о = 5В
Uкэдоп = 12 В Cq = 5 пФ 6 = 60 град
h 213= 50 <?кв = 105 (?нвв=60
г б = 60 Ом П« = 0.5
Результаты расчета
Параметры режима Параметры контура Параметры цепей пита- ния и смещения
/к0 = 2,18 мА 6 = -0,69 Яа = 300 Ом
7к1 = 3,91 мА Як1 = 810 Ом Яб = 317 Ом
Пв1 = 0,213 В С1 = 24,8 пФ R 4 =27,14 КОм
Р4 =5 мВт С 2 = 125,0 пФ Л 2 = 7,14 КОм
/7к1 = 2,53 В С3 = 9,3 пФ Я =1,6 КОм
Г Г7вО=О,14 В L3= 1,12 мкГн
Pq= 10,9 мВт
^рас=5>9 мВт
г д = 47,7 Ом
83
5.4. Программа QV_OOS. Автогенератор с КР в цепи
отрицательной обратной связи
Программа QV_OOS производит расчет автогенератора, работаю-
щего на третьей механической гармонике КР и выполненного по
схеме рис. 3.9. Принцип работы, методика расчета и основные со-
отношения для такой схемы АГ приведены в разд. 3.3 и 4.5.
Исходные данные
1 мощность в нагрузке (Вт) Рй |
j частота генерируемого колебания (Гц)/ j
В программе имеется каталог транзисторов и их параметров, не-
обходимых для расчета АГ. В начале работы на экран выводится
список транзисторов и их номера по каталогу. При вводе того или
иного номера выбранного транзистора на экране распечатываются
следующие параметры этого прибора:
к напряжение питания (В) £/ко [
1 коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ А2й> |
1 напряжение приведения по базе (В) V
| допустимая мощность рассеяния (МВт) ^расдоп
граничная частота (Гц)/гр
сопротивление материалы базы (Ом) г б
допустимый максимальный коллекторный ток (А) КМ ДОП 1
Далее предлагается меню, благодаря которому можно продол-
жить просмотр параметров других транзисторов, имеющихся в ка-
талоге, или осуществить расчет АГ на основе выбранного транзи-
стора.
Для расчета АГ необходимо также ввести:
Параметры КР:
частота последовательного резонанса (МГц)/кв ।
активное сопротивление динамической ветви (Ом) гк.
статическая емкость (пФ) Со
добротность Q кв
допустимая мощность рассеяния (мВт) Р квдоп
84
Необходимо также задать:
мощность рассеяния КР (мВт) Рт
угол отсечки (град) ТЕТА (0)
КПД колебательной системы КПДкс(т)к)
добротность ненагруженного контура Q нев
В перечне данных указаны единицы величин и обозначения в
запросах и сообщениях программы, в скобках — обозначения в
формулах разд. 4.5.
Расчетная часть программы соответствует методике расчета, изло-
женной в разд. 4.5. Согласно этой методике в ходе расчета осуще-
ствляются проверки предельных параметров транзистора и схемы
АГ и выводятся на экране комментарии и рекомендации, облегчаю-
щие пользователю дальнейший расчет.
Например: «/ км недопустимо велик! Выберите другой тип ГТ».
Для расчета необходимо ввести дополнительно величину индук-
тивности L3 (см. рис. 3.9). Для облегчения этой процедуры про-
грамма предлагает ряд типовых индуктивностей в рекомендуемом
диапазоне.
Результаты расчета выводятся в такой последовательности.
Параметры элементов контура:
емкости (пФ) С ।, С 2 , Сз
индуктивность (мкГн) £3 |
Параметры режима транзистора:
постоянная составляющая тока коллектора (мА) /„о
первая гармоника коллекторного тока (мА) /К1
амплитуда напряжения возбуждения (В)
напряжение смещения (В) и„0
мощность рассеяния (мВт) Ррас
Параметры элементов цепи смещения:
сопротивления (0м)Я8,/?б |
сопротивления делителя (Ом) R 4, R 2
85
Данные для контроля программы
Автогенератор возбуждается на третьей механической
гармонике КР.
Вводимые данные:
Рн = 2 мВт, /=60 МГц
Транзистор ГТ311А КР Дополнительные данные
1Г.Л-5 В fK. = 60 МГц Ркв = 1 мВт
^21э = ^2 г кв = 50 Ом 0 = 60 град
£7'= 0,3 В Со = 5 пФ Сми=1оо
Р рас доп = 150 мВт С«.=1о5 £3 = 0,4 мкГн
/Гр=770 МГц Рквдоп=2 мВт цк=0,5
г б = 90 Ом
км доп ” 55 мА
Результаты расчета
Параметры реяСима Параметры контура Параметры цепи смещения
С 4 = 100,4 пФ /к0 = 2,18 мА Я, = 402 Ом
С2 = 261,5 пФ 7к1= 6,3 мА Яб = 90 Ом
С3 = 22,9 пФ £7В1 = 0,086 В R 1 = 15,95 КОм
L з = 0,4 мкГн С7в0 = 0,252 В
Ррас=12,8 мВт Я2 = 6,Э КОм ।
86
ЛИТЕРАТУРА
1. Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник/В.Г. Андреева,
Е.Г. Бронникова, А.М. Васильев и др.; Под ред. П.Е. Кандыбы и
П.Г. Позднякова. — М.: Радио и связь, 1992. — 392 с.
2. Поздняков П.Г. Первая конференция по пьезоэлектричест-
ву//Кристаллография, 1994. — Т.39. — №6. — С. 1128—1134.
3. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. 3-е
изд. перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с.
4. Смагин АГ., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и
кварцевые резонаторы. — М.: Энергия, 1970. — 488 с.
5. Graf Е.Р., Peier U.R. BVA guartz cristal resonator and
oscillator production. A statistical review //Proc. 37-th ASFC, 1983.
- P.492—500.
6. ГОСТ 23546-84. Резонаторы кварцевые. Общие технические
условия.
7. ГОСТ 21712-83. Резонаторы пьезоэлектрические. Основные
параметры.
8. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/Л.А. Белов,
М.В. Благовещенский, В.М. Богачев и др.; Под ред. М.В. Благове-
щенского, Б.М. Уткина. — М.: Радио и связь, 1982. — 408 с.
9. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учебное
пособие для вузов./Под ред. Г.М. Уткина. — М.: Сов. радио, 1979.
- 320 с.
10. Шумилин М.С., Козырев В.Б., Власов В.А. Проектирование
транзисторных каскадова передатчиков: Учебное пособие для техни-
кумов. — М.: Радио и связь, 1987. — 320 с.
11. Альтшуллер ГБ. Кварцевая стабилизация частоты. — М.:
Связь, 1974. - 272 с.
12. Плонский А.Ф., Медведев В.А. Якубец-Якубчик Я.Я. Транзи-
сторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные на ме-
ханических гармониках кварца. — М.: Связь, 1969. — 207 с.
13. Радиопередающие устройства на полупроводниковых прибо-
рах. Проектирование и расчет/Под ред. Р.А. Валитова, И.А. Попо-
ва. — М.: Сов.радио, 1973. — 464 с.
14. Жуховицкая В.Г., Кунина С.Л. Методические указания по
проектированию автогенераторов с кварцем. — М.: МЭИ, 1977. —
29 с.
15. Жуховицкая В.П., Корнеев Л.А. Программы расчета транзи-
сторных усилителей мощности, умножителей частоты СВЧ и автоге-
нераторов с кварцем: Методические указания. — М.: Изд-во МЭИ,
1992. - 64 с.
87
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................3
1. Общие сведения о стабилизации частоты автогенераторов . 4
2. Кварцевые резонаторы ....................................5
2.1. Срезы кварца и их основные характеристики ........6
2.2. Виды колебаний, возбуждаемые в пьезоэлементах . . 11
2.3. Эквивалентная электрическая схема резонатора .... 15
2.4. Температурно-частотные характеристики резонаторов . 19
2.5. Зависимость параметров КР от уровня
возбуждения..............................................20
2.6. Классификация, типовые конструкции резонаторов
и их обозначения.........................................22
2.7. Выбор резонатора для генератора ..................26
3. Схемы транзисторных автогенераторов с кварцевыми
резонаторами...............................................29
3.1. Классификация схем .................................29
3.2. Осцилляторные схемы.................................32
3.3. Фильтровые схемы ...................................34
4. Расчет автогенераторов с кварцевыми резонаторами ... 41
4.1. Основные расчетные соотношения .....................41
4.2. Автогенератор с КР между коллектором и базой . . 51
4.3. Автогенератор с КР в контуре........................58
4.4. Автогенератор с КР в цепи положительной
обратной связи ..........................................61
4.5. Автогенератор с КР в цепи отрицательной
обратной связи ..........................................68
5. Программы расчета автогенератора
с кварцевыми резонаторами..................................72
5.1. Программа QV-KB. Автогенератор с КР между
коллектором и базой .....................................72
5.2. Программа QV-GR Автогенератор с КР в контуре . 77
5.3. Программа QV-OS Автогенератор с КР в цепи
положительной обратной связи ............................81
5.4. Программа QV-OOS. Автогенератор с КР в цепи
отрицательной обратной связи.............................84
Литература.................................................87