Генератор «емкостная трехточка»

Министерство науки и образования РФ

• Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра КТРС

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине «Схемотехника электронных  средств»

 

 

Генератор «емкостная трехточка»

      

 

 

        

• Факультет:    

Группа

Студентка:

Преподаватель

Отметка о защите:

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2006г

   Содержание                         

 

1. Введение………………………………………………………………………4

2. Исходные данные……………………………………………………………..7

3. Обоснование выбора схемы………………………………………………….8

4. Схема генератора……………………………………….………………….....9

5. Описание работы схемы…...…………………………………………………9

6. Расчет элементов схемы…………………………………………………..…10

7. Расчет параметров колебательного  контура………………………………..13

8. Расчет сопротивлений делителя……………………………………………..14

9. Расчет блокировочных и разделительных  емкостей……………………….15

10. Проверка правильности выбора  транзистора по обеспечению f_v………...16

10. Заключение…………………………………………………………………..18

11. Список используемой литературы…………………………………………19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

1. Генераторы – общие сведения:

В электронных устройствах различают  два принципиально разных режима работы: вынужденный и автоколебательный режимы работы.

В устройствах,  работающих в вынужденном  режиме работы, колебания в выходных цепях наблюдаются только при  наличии колебаний на входах или  переменных возмущений на входе. В устройствах, работающих в автоколебательном режиме колебания на выходе возникают без каких-либо внешних возмущений. Последнее электронное устройство – генераторы с самовозбуждением (автогенераторы, генераторы).

Автогенераторами (АГ) называют электронные  цепи, формирующие напряжение (ток) требуемой формы.  Часто в активных радиотехнических цепях возникают периодические автоколебания. Так принято называть колебательные процессы, существующие без внешнего периодического воздействия. Устройства, генерирующие автоколебания, называют автоколебательными системами, или автогенераторами.

Любой АГ представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию  питания в энергию колебаний. Независимо от схемы и назначения АГ должен иметь источник питания, усилитель  и цепь обратной связи.

В зависимости от формы выходных колебаний различают генераторы гармонические и релаксационные. Первые широко используются в радиотехнических  и измерительных устройствах, а вторые, главным образом, в импульсной и цифровой технике. Основной узел в автогенераторе – это колебательная система, а поскольку в ней всегда имеются потери, то вторым узлом обязательно является источник энергии, который пополняет запас энергии  колебательной системы. Однако, непосредственное подключение источника энергии к колебательной системе не приводит к возникновению незатухающих колебаний, энергию в колебательную систему необходимо подавать порциями, т.е. для этого необходимо еще одно устройство – регулятор, который управляет поступлениями энергии в колебательную систему, причем синхронно с колебаниями в колебательной системе. В качестве регуляторов принимаются различные устройства, начиная от ламп и транзисторов и до устройств типа ОУ.

Трехточечные автогенераторы:

  На практике вместо автогенераторов с трансформаторной связью чаще используют так называемые автогенераторы – трехточки, в которых напряжение ОС снимается с части колебательного контура.

  Наличие резистора R учитывает все виды потерь в системе – неидеальность реактивных элементов, конечное (хотя и достаточно большое) выходное сопротивление электронного прибора, а также влияние внешних цепей (нагрузок).

  Другим вариантом схемы трехточечного  АГ является так называемая  емкостная трехточка, в которой  напряжение ОС снимается с  емкостного делителя, образованного  конденсаторами С₁ и С₂.

  В  момент запуска в колебательной  цепи АГ возникают свободные  колебания, обусловленные включением  источников питания, замыканием  цепей, электрическими флуктуациями  и т. д. Благодаря положительной  обратной связи эти первоначальные  колебания усиливаются, причем на первом этапе, пока амплитуда мала, усиление практически линейно и цепь можно рассматривать как линейную. Энергетически процесс нарастания амплитуд объясняется тем, что за один период колебания усилитель передает в нагрузку энергию, большую той, которая расходуется в ней за это время. С ростом амплитуд начинает проявляться нелинейность устройства (кривизна ВАХ усилительного элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление уменьшается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке. При этом энергия, отдаваемая усилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это же время в нагрузке.  

2. Баланс амплитуд. Баланс фаз.

  Усилитель усиливает входное напряжение  u_вх  в К раз. При этом между входным напряжением  u_вх  и выходным  u_вых  возникает фазовый сдвиг j_к. К выходу усилителя подключены нагрузочный резистор  R  и цепь частотно – зависимой обратной связи – в данном случае колебательный LC-контур. Комплексная амплитуда на выходе цепи обратной связи  U_ос = K_ос × U_вых, а фазовый сдвиг между U_ос и U_вых равен j_ос.

Условием генерации замкнутой  схемы является равенство выходного  напряжения цепи обратной связи  U_ос и напряжения на входе усилителя:

U_вх = U_ос = K_ос × U_вых = K_ос × K × U_вх. Петлевой коэффициент усиления должен, таким образом, равняться

çH ç = ç K_ос × K ç = 1.

Из этого соотношения вытекают два условия:

1. баланса амплитуд H  =  K_ос × K  = 1, из него следует, что в стационарном режиме полное усиление на генерируемой частоте при обходе кольца обратной связи равно единице. Условие баланса амплитуд заключается в том, что генератор может возбуждаться только тогда, когда усилитель компенсирует потери в нагрузке и цепи обратной связи.
2. баланса фаз  j_К + j_ос = 0, 2p, …Условие баланса фаз означает, что автоколебания в замкнутой системе могут возбудиться только тогда, когда фаза выходного напряжения цепи обратной связи и фаза входного напряжения усилителя совпадают. Из данного условия следует, что в стационарном режиме автоколебаний полный фазовый сдвиг при обходе кольца ОС равен (или кратен) 2p. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний w_г .

 

 

 

3. Автогенераторы со стабилизацией частоты.

  Генераторы LC-типа. Эти генераторы имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспечивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. К недостаткам их относятся трудности изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также высокая стоимость и громоздкость последних. Особенно это проявляется при создании автогенераторов диапазона инфранизких частот, в которых даже при применении ферромагнитных сердечников габаритные размеры, масса и стоимость получаются большими.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Исходные данные

Источник питания  E_п=12В

Сопротивление нагрузки R_н=5кОм

Центральная частота f ₀ =100кГц

Добротность Qá40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Обоснование выбора  схемы

Основой LC генератора является параллельный LC контур. Он обычно включается в цепь коллектора и на резонансной частоте представляет собой активное сопротивление. Контур в коллекторе представляет собой емкостную трехточку, в котором выходное напряжение формируется на конденсаторе C1, а напряжение обратной связи – на конденсаторе С2. Отношение этих напряжений представляет собой коэффициент передачи цепи ОС.

Сопротивление эмиттера садим  на землю по переменному току с  помощью блокировочной емкости  Се. Конденсатор Ср2 препятствует протеканию постоянной составляющей тока в нагрузку, а Ср1 согласуется с колебательным контуром.

Резисторы  R₁ и R₂  образуют делитель, который обеспечивает смещение транзистора по постоянному току.

В цепь коллектора ставим не сопротивление, а ВЧ дроссель, который для колебаний представляет собой большое сопротивление, и закоротку для постоянного тока. Применение дросселя объясняется тем, что он в отличие от  активного сопротивления не вносит затухания в контур.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Схема генератора емкостная трехточка:

 

 

5. Описание работы  схемы

Выбранная схема генератора построена  на транзисторе VT, включенного по схеме общий эмиттер. Транзистор работает в режиме А. Резисторы делителя R₁ и R₂ задают начальную рабочую точку по постоянному току. Резистор R_e1 «садим» на землю через емкость C_e по переменному току, чтобы не потерять в усилении. Таким образом, стабилизируем рабочую точку с помощью заведения обратной связи на R_e1.  Контур L_к, С₁, С₂ настроен на частоту колебаний, на ней выполняется баланс фаз. Конденсатор С_р препятствует протеканию постоянной составляющей тока в нагрузку. Сопротивление нагрузки R_н берется как оптимальное. Можно включить и другое R_н, отличающееся от рассчитанного оптимального значения, но тогда нужно использовать цепь согласования автогенератора с нагрузкой. Конденсатор Сe замыкает переменную составляющую на землю. Резисторы R₁ и R₂  образуют делитель, который обеспечивает смещение транзистора по постоянному току. Конденсатор Ср предотвращает протекание постоянного тока в базу, устраняет обратную связь по постоянному току.

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Расчет элементов  схемы

Рассчитаем электрическую схему  генератора, для этого выбираем транзистор.

Критерий выбора транзистора:

1. транзистор должен быть хотя  бы на пару порядков выше  по собственной частоте, чем f_в в полосе пропускания Δf;

2. граничное напряжение должно  быть выше напряжения питания.

Поскольку сопротивление нагрузки велико, необходим маломощный транзистор.

Для данного случая подходит n-p-n транзистор КТ315A, со следующими параметрами:

- статистический коэффициент передачи  тока β=50

- граничная частота f_гр=250 МГц

- постоянная рассеиваемая мощность  P_max=150мВт

- емкость коллекторного перехода  С_к=7пФ

- граничное напряжение U_max=15В

- внутреннее базовое сопротивление  r_б=120Ом (рассчитано по входным характеристикам).

Так как нам не задан размах выходного  напряжения, то возьмем его произвольным ±2В. Тогда расставим потенциалы на схеме.

Возьмем потенциал точки (a) равным половине напряжения питания, т.е. равным 6V. Учтем выходной сигнал, и останется 4V. Для того чтобы транзистор не зашел в режим насыщения, на базо-коллекторном переходе оставим 2V. Тогда потенциал в точке (b) становится равным 2V. На базо-эмиттерном переходе оставляем 1V, чтобы отсечь нелинейную часть входной характеристики транзистора (т.е. чтобы не работать в нелинейной области). Таким образом, получим потенциал точки (c) равным 1V.

 

 

Определение рабочей точки

В паспорте на транзистор заданы выходные характеристики, по которым и определим  положение рабочей точки.

Первым шагом в определении  рабочей точки будет построение линии максимально допустимой мощности:

 

 

Но так как у нас I_k0=2,4мА, то линия максимально допустимой мощности будет находиться за пределами графика выходных характеристик.

 

Далее строим линию нагрузки:

отмечаем два значения

    

Рис.1 Семейство выходных характеристик  КТ315А

 

 

Из графика получаем значение

Ток базы рассчитаем как 

 

 

 

По входным характеристикам  определим напряжение:

 Рис.2 Входные характеристики КТ315А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитаем параметры колебательного контура

Для возбуждения этого генератора на заданной частоте, требуется , чтобы  коэффициент усиления удовлетворял условию баланса амплитуд:

Контур в коллекторе представляет собой емкостную трехточку, в  котором выходное напряжение формируется  на конденсаторе С1, а напряжение обратной связи – на конденсаторе С2. Отношение  этих напряжений представляет собой  коэффициент передачи цепи ОС, т.е.

      

 

 

Т.е. для возникновения генерации  необходимо, чтобы:

Частота этого генератора определяется из условия:

 

 

Выберем индуктивность так, чтобы  по условию Q не была ниже 40:

 

Тогда

 

Зададим коэффициент передачи цепи ОС:

 

 

 

 

 

 

Добротность колебательного контура:

 

Коэффициент усиления определим из баланса амплитуд:

К_U × g ³ 1, следовательно .

Расчет сопротивлений  генератора

В качестве коллекторной нагрузки используется высокочастотный дроссель с достаточно большим реактивным сопротивлением, который включен параллельно  контуру и параллельно нагрузки. Тогда:

Величиной Х_Lvd , в силу того, что она намного больше Rк и Rн, пренебрегаем. Тогда:

 

 

                                            

Тогда Ku=10.0053

Усиление может превышать потери в ОС, но не более, чем на несколько  единиц, в противном случае, у  генератора начнется искажение синусоиды.

Отсюда, получим:

 

По второму закону Кирхгофа:

Выразим значение сопротивления эмиттера:

 

 

r_e=25/(2.4*10^3)=10.417 Ом

Рассчитаем сопротивления делителя R1 и R2:

Рассчитаем ток через делитель. Он должен быть хотя бы на порядок больше тока базы , т.е.

 

 

Определим ток через эмиттер  следующим образом

Рассчитаем сопротивления делителя R1 и R2 (по второму закону Кирхгофа):

Расчет емкостей генератора

Произведем расчет разделительных и блокировочных емкостей генератора.

Зададим коэффициент частотных  искажений в области нижних частот:

 

Коэффициент частотных искажений (Мн), как правило, не задается в задаче, он равен 1,41.Данный коэффициент распределяют между всеми реактивностями. Распределение Мн между реактивностями таково: те реактивности , которые работают с более высокоомными цепями имеют меньшую долю коэффициента Мн. Разделительные конденсаторы всегда работают с более высокоомными цепями, чем блокировочные.

Проверочная формула для коэффициента частотных искажений:

Расчет разделительных емкостей:

 

 

 

 

 

 

 

Произведем расчет блокирующей  емкости:

 

 

Проверка правильности выбора активного  элемента по обеспечению частоты f0=100кГц.

Проверяем временную задержку усиления.

Временная задержка коэффициента усиления активного элемента

 

Задержка  сигнала коллекторной цепью каскада  без учета внутренней обратной связи  в транзисторе

 

 

Внутренний коэффициент обратной связи транзистора

 

Тогда верхнюю частоту каскада определим следующим образом

 

В целом область верхних частот определяется вторым каскадом, т. е.

Поскольку полученная верхняя частота выше заданной, то можно сделать вывод, что выбранный  нами транзистор удовлетворяет все  предъявленные к нему требования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Заключение

В данной работе был рассчитан генератор  «емкостная трехточка» с заданными  источником питания, сопротивления  нагрузки, центральной частотой и  добротностью, работающий на частоте  f₀=100кГц. Его добротность Q=62.832. Взятый активный элемент подошел для заданной частоты.

Была выбрана относительно простая  в исполнении схема, состоящая из колебательного контура и БТ КТ315А, были оптимально рассчитаны и выбраны  резисторы, блокировочные и разделительные конденсаторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Список используемой литературы

1. Конспект лекций Данилов В.  С.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М.  Электроника. – М.: «Высшая школа», 1991.

3. Транзисторы для аппаратуры  широкого применения. Справочник./ Под  редакцией Перельмана Б. Л. – М.: Радио и связь, 1981.

4. Полупроводниковые приборы: транзисторы.  Справочник./ Под редакцией Горюнова  Н. Н. – М.: Энергоатомиздат, 1986

5. Полупроводниковые приборы: транзисторы.  Справочник./ В.М. Петухов – М.: Радио и связь, 1993

6.  Кауфман Милтон, Сидман Артур  – Практическое руководство по  расчету схем в электронике.  В 2-х томах, справочник.