Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Радиотехника»

«Исследование автогенератора»

Методические указания к выполнению лабораторных работ

По курсу «Техника СВЧ»

Санкт-Петербург

2005 г.

Целью работы является исследование схемы транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью и экспериментальная проверка основных положений теории самовозбуждения.

1. Краткие сведения из теории

В состав любого радиопередающего устройства входит возбудитель, который получил название автогенератор (АГ). Он определяет частоту колебаний радиопередатчика. В автогенераторах колебания на выходе возникают самостоятельно в отсутствие внешних воздействий. В состав генератора входит усилительный элемент, источник питания и устройство обратной связи. В качестве усилительного элемента обычно используется транзистор, а нагрузкой является колебательный контур. Если входную цепь транзистора при отсутствии внешнего источника связать с колебательным контуром, то в схеме могут возникнуть незатухающие колебания. Эта связь называется обратной связью. Обратная связь, в зависимости от способа подключения входной цепи к колебательному контуру может быть трансформаторной, автотрансформаторной или емкостной. На рисунке 1 показана схема автогенератора с трансформаторной обратной связью. Он собран на полевом транзисторе с колебательным контуром в цепи стока.

Рассмотрим процесс возникновения колебаний в этой схеме. При включении источника постоянного напряжения в цепи стока током переходного процесса заряжается конденсатор колебательного контура С и в контуре возникает колебательный процесс. Переменный ток, протекая по контурной индуктивности L, вследствие обратной связи создает переменную электродвижущую силу в индуктивности L1. На затвор транзистора будет подано переменное напряжение, которое, в свою очередь, вызовет протекание переменного тока в цепи сток-исток. Таким образом, в колебательном контуре будет протекать два тока: ток перезаряда конденсатора и переменный ток стока. Если ток стока будет достаточной величины и совпадет по фазе с током перезаряда конденсатора, то общий ток будет возрастать. Так как в реальной характеристике транзистора I_ст ⁼ f(Uзи) ее крутизна уменьшается при увеличении напряжения на затворе, то рост амплитуды тока стока прекращается и наступает стационарный режим.

Для того, чтобы в схеме возникли незатухающие колебания, необходимо выполнение двух условий, которые получили название: баланс амплитуд и разность фаз.

Рисунок 1

Рисунок 2

Баланс амплитуд определяет величину коэффициента обратной связи для возникновения колебаний. Коэффициент обратной связи - это отношение напряжения, поданного в цепь обратной связи, к напряжению на колебательном контуре, к которому подключается цепь обратной связи

Кос⁼ Uзи/Uк

Колебания в генераторе возникают и переходят в стационарный режим, если выполняется условие:

Кос⁼ 1/Scp *Z_K ,

где Sср – средняя крутизна характеристики транзистора I_ст ⁼ f(Uзи),

Z_P – резонансное сопротивление колебательного контура.

Условие разности фаз определяет фазовые соотношения в схеме. Ток стока будет возрастать, если напряжение, поданное на затвор транзистора будет уменьшаться, а напряжение стока увеличиваться. Следовательно, напряжение стока и затвора должны находиться в противофазе.

Для облегчения процесса колебания необходимо уменьшать величину Кос Величина Z_P определяется параметрами колебательного контура и зависит от частоты генерируемых колебаний. Поэтому уменьшение Кос возможно только за счет увеличения крутизны характеристики Sср. Для этого необходимо, чтобы в момент включения схемы на затвор транзистора было подано небольшое отрицательное напряжение, обеспечивающее достаточную величину тока стока для возникновения колебаний . На рисунке 2 этот режим определен точкой А на характеристике транзистора. Это напряжение создается источником смещения в цепи затвора.

При первоначальных колебаниях переменное напряжение на затворе мало и ток стока не будет иметь отсечки. С увеличением амплитуды тока стока, а следовательно и тока в цепи истока, на сопротивлении R_и создается падение напряжения, которое увеличивает отрицательное напряжение, приложенное к затвору транзистора. Появляется отсечка тока стока. При работе с отсечкой тока стока генератор имеет более высокий коэффициент полезного действия. С появлением отсечки тока крутизна характеристики транзистора уменьшается, наступает стационарный режим.

Такой процесс установления колебаний принято называть «мягким» режимом.

Сопротивление R_и, зашунтированное конденсатором С_и, при установлении колебательного процесса служит для создания автоматического смещения в цепи затвор-исток (Есм) – величина смещения зависит от тока истока.

Аналогично автоматическое смещение можно создать, включив сопротивление в цепи затвора. Падение напряжения на нем будет создаваться током затвора.

Если смещение на затворе выбрано таким образом, что ток стока практически равен нулю Iст ~ 0, то для возникновения колебаний необходимо увеличивать обратную связь, чтобы подать на затвор переменное напряжение достаточно большой величины. Такой процесс возникновения колебаний называют "жестким". В этом режиме ток стока изменяется скачком от нуля до значения, соответствующего стационарному режиму.

2.Описание лабораторного макета

Генератор (рисунок 3) собран на полевом транзисторе с колебательным контуром в цепи стока и трансформаторной обратной связью. Частота генерации постоянна и находится в пределах 18-24 кГц. Тумблер в цепи обратной связи (ОС) позволяет изменять знак ОС, либо вообще отключать её.

Регулятор взаимной индуктивности (М) позволяет плавно менять абсолютную величину обратной связи. Переключатель вида смещения позволяет выбрать либо регулируемое, либо автоматическое смещение на затворе полевого транзистора. Регулировка смещения производится потенциометром "Есм" в правой части стенда и контролируется вольтметром, расположенным над потенциометром "Есм".

Тумблер ПРЕРЫВАТЕЛЬ включает электронный коммутатор (на схеме не показан), который периодически разрывает цепь обратной связи для изучения переходных процессов в автогенераторах.

Гнезда КТ1 в данной работе не используются, гнезда КТ2 соединены с затвором, а КТЗ - со стоком полевого транзистора. С помощью дифференцирующей цепи, включенной между гнездами КТЗ и КТ4, можно изучать переходные процессы в автогенераторе.

Для измерений используются приборы: вольтметр переменного напряжения, генератор НЧ, прибор постоянного тока и осциллограф.

4. Порядок выполнения работы

1.Исследование режимов самовозбуждения генератора.

1.1.Снятие вольтамперной характеристики (ВАХ) полевого транзистора производится с помощью внутренних источников и измерительных приборов. Убедиться в том, что:

-все внешние провода отключены от генератора;

– обратная связь отключена (тумблер ОС в среднем положении);

– прерыватель отключен;

– тумблер вида смещения – в положении РЕГ (регулируемое). Подготовить таблицу ВАХ (таблицу 1).

Таблица 1

Последовательно устанавливая значения Есм из таблицы ручкой «Е_см», измерить и внести в таблицу значения тока стока. Построить график ВАХ Iс = φ(Uзи).

1.2. Включить тумблером положительную обратную связь. Ручку «М» регулировки величины обратной связи установить в крайнее левое положение (М=0). Подключить к выходу генератора (гнездо КТЗ) осциллограф и вольтметр переменного напряжения для измерения Uст.

По графику ВАХ определить Е_см, соответствующее середине линейного участка ВАХ. Установить это значение регулятором смещения стенда.

1.3. Плавно увеличивая взаимную индуктивность ручкой «М», добиться появления генерации (по вольтметру или осциллографу). Уменьшить М, добиваясь минимальных устойчивых колебаний (не более 0,5 В). Затем с помощью регулятора Есм найти такое смещение, при котором выходное напряжение генератора станет максимальным. Далее регулятором «М» добиться прекращения колебаний.

Таким образом, определено смещение «мягкого» режима Ecm1 и критическое значение величины обратной связи Мкр, которые следует внести в таблицу 2.

Таблица 2

Затем, сначала увеличивая, а потом, уменьшая, устанавливать ряд значений М и измерять вольтметром Uct. Результаты вносить в таблицу, причем обе строки U_ст снимать при одних и тех же значениях М.

1.4.Убедившись в наличии генерации, определить частоту генерируемых колебаний по осциллографу (измерить период с учетом цены деления переключателя развертки).

1.5.Работа генератора в «жестком» режиме.

Выберите предварительное положение рабочей точки на нижнем изгибе ВАХ и установите соответствующее смещение. Регулируя «М», убедитесь, что при некотором М=Мкр1 происходит скачкообразное возникновение колебаний, а при некотором М=Мкр₂ – срыв колебаний, (М_кр2 < Mкр1).

Если колебания вообще не возникают, следует немного уменьшить абсолютное значение смещения |Есм|, а если Mкр1 и М_кр2 различаются незначительно – соответственно увеличить |Есм|. Путем нескольких таких проб найти Есм2 «жесткого» режима, при котором Mкр1 и М_кр2 существенно различаются; внести эти значения в таблицу 3.

После окончательного выбора Е_см2 до полного заполнения таблицы 3 трогать ручку «Есм» не рекомендуется.

Таблица 3

«жесткий режим»; Есм2=…В; Мкр1=…мГн; Мкр2=…мГн
М, мГн
Uст, В	(при увеличении М)
Uст, В	(при уменьшении М)

Затем, сначала увеличивая, а потом, уменьшая, устанавливать ряд значений М и измерять вольтметром Uct. Результаты вносить в таблицу, причем обе строки U_CT снимать при одних и тех же значениях М.

1.6.По указанию преподавателя повторить п. 1.3 для автоматического смещения; при этом переключатель вида смещения поставить в положение АВТ.

3.Переходной режим (дополнительное задание по указанию преподавателя).

3.1. Восстановить схему генератора, отключив приборы от гнезда КТ2, включить положительную обратную связь. Включить ПРЕРЫВАТЕЛЬ. Осциллограф подключается к выходу (гнездо КТЗ). Наблюдать осциллограмму переходного процесса в одном из режимов (по указанию преподавателя), отрегулировав значение «М» так, чтобы четко просматривался процесс нарастания и спада колебаний.

5.Обработка результатов и содержание отчета

1.По графику I_с = φ(Uзи) построенному по данным таблицы 1, определить крутизну S в мА/В. Крутизна определяется при всех измеренных значениях Е_см следующим образом: S= ∆I_с/∆U_зи. Записать данные в таблицу:

Есм (Uзи), В	0	-0,5	-1	-1,5	…	Uотс
S, мА/В

По результатам расчетов построить график S=φ(Uзи).

2.По данным таблицы 2 построить графики U_CT ⁼ φ1(M) для «мягкого» режима.

3. По данным таблицы 3 построить графики Uct ⁼ φ2(M) для «жесткого» режима.

Отчет должен содержать:

– принципиальную схему LC генератора;

– вольтамперную характеристику транзистора;

– график крутизны;

– таблицы 2 и 3 и построенные по ним графики.

Для дополнительного задания:

– осциллограммы переходных процессов.