Военная кафедра при СГТУ им Гагарина Ю А

Военная кафедра при СГТУ им. Гагарина Ю. А. Тема 1. Электронные устройства вооружения войск ПВО Лекция 1/8: Генераторы сигналов Учебные вопросы: 1. Генераторы с внешним возбуждением 2. Автогенераторы 3. Схема Шембеля

Основное назначение генератора состоит в преобразовании энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ или СВЧ колебаний. Генераторы подразделяются на два основных типа: автогенераторы, работающие в режиме самовозбуждения или автоколебаний, частота которых определяется параметрами само го устройства; генераторы с внешним возбуждением, работающие в режиме усиления входного сигнала по мощности или умножения его частоты (рис. 8. 1). Рис. 8. 1

Генератор с электровакуумным прибором — триодом или тетродом. Принцип устройства генератора с триодом приведен на рис. 8. 2 В генераторе следует выполнить соотношение Δ=ωТПР<1, где ω — частота сигнала, ТПР— время пролета электронов. Рис. 8. 2

Генератор с биполярным транзистором (рис. 8. 3, а) В приборе, состоящем из двух р-п-переходов, происходит перенос как основных носителей заряда, так и неосновных В транзисторном генераторе следует вы полнить соотношение: Δ=ωТПР< 1, где ω частота сигнала, ТПР — время переноса носителей заряда из области базы к коллектору. Генератор с полевым транзистором (рис. 8. 3, б). В полевом транзисторе происходит перенос только основных носителей заряда (обычно ими являются электроны) — от истока к стоку В генераторе с полевым транзистором следует выполнить условие: Δ=ωТПР< 1 , где ω — частота сигнала; ТПР — время переноса носителей заряда от истока к стоку. Рис. 8. 3

Генераторы с внешним возбуждением Принципиальные схемы генераторов с внешним возбуждением (рис. 8. 4) имеют две основные цепи сеточную (базовую) и анодную (коллекторную). VT VL Рис. 8. 4

Рис. 8. 5

Энергетические соотношения в генераторе , К основным энергетическим показателям относятся колебательная мощность, подводимая мощность, коэффициент полезного действия и коэффициент усиления. Подводимой мощностью называется мощность, отбираемая от источника питания P 0=I 0 a. U 0 a. Часть этой мощности выделяется в колебательном контуре генератора Колебательная мощность в контуре – это средняя мощность, выделяемая в контуре первой гармоникой анодного тока за период высокой частоты, т. е. Р= , где i 1 a=I 1 acos t. Тогда Р= где I 1 к – колебательный ток в контуре; rк – сопротивление потерь в контуре

Мощность, рассеиваемая на аноде Ра=Р 0 -Р. ; Коэффициент полезного действия генератора характеризует эффективность преобразования энергии анодного питания и определяется = Введём величины: коэффициент использования анодного напряжения = коэффициент формы анодного тока по первой гармонике = С учётом этого =0, 5* *. Для характеристики усилительных свойств генератора вводятся: коэффициент усиления по напряжению К = коэффициент усиления по мощности Кр=

Режимы работы генератора. Влияние угла отсечки на мощность и КПД генератора. В зависимости от выбора рабочей точки на характеристике генераторной лампы различают два режима работы генератора: режим первого рода и режим второго рода. В режиме первого рода рабочая точка и напряжение возбуждения выбирается так, что напряжение на управляющей сетки не выходит за пределы прямолинейного участка динамической характеристики лампы. Режим первого рода применяется редко из-за низкого КПД. = ; , т. к Рис. 8. 6

В режиме второго рода с отсечкой анодного тока рабочая точка выбирается так, что напряжение на управляющей сетке выходит за пределы прямолинейного участка динамической характеристики. Режим второго рода является основным в мощных генераторах, из-за высокого КПД С точки зрения величины сеточных токов, различают недонапряжённый, перенапряжённый и критический режимы. Под недонапряжённым режимом понимают режим, когда сеточные токи малы и форма импульса анодного тока на вершине не искажена В перенапряжённом режиме сеточные токи велики. Увеличение сеточных токов приводит к искажению импульса анодного тока. На вершине импульса появляется впадина. При увеличении напряжения на сетке импульс может раздвоиться. Рис. 8. 7

Граничный режим между перенапряжённым и недонапряжённым называется критическим Статические характеристики лампы аппроксимируют отрезками прямых. S, Д, Ri считаются постоянными: статическая крутизна S= проницаемость Д= коэффициент усиления = внутреннее сопротивление Ri=

Согласно аппроксимированным характеристикам (рис. 8. 8) анодный ток в области малых сеточных токов ia=S(uc+Uc 0) Uc 0=Д(Ua-Ua 0) ia=S[uc+Д(ua-Ua 0)] (8. 1) (8. 2) (8. 3) Рис. 8. 8 U 0 a – напряжение сточника питания; Ua 0 – амплитуда напряжения на аноде лампы

Если подставим в (8. 3) выражения для переменных напряжений на аноде и сетке. uc=U 0 c+U 1 c*cos t, ua=U 0 a-U 1 к*cos t, то получим уравнение динамической характеристики генераторной лампы, определяющее изменение анодного тока при одновременном изменении напряжений на сетке и аноде лампы, обусловленном наличием нагрузки в анодной цепи, ia=S[(U 1 c-ДU 1 к)cos t+Uc 0+ДU 0 a-ДUa 0]. (8. 6) Импульс характеризуется амплитудой Im и углом отсечки . Углом отсечки называется половина фазового угла, соответствующего длительности импульса тока. Другими словами половина той доли периода в угловой мере, в течении которой существует анодный ток.

Согласно рис. 8. 9 видно, что при t=0, ia=Im, а при t= , ia=0. Подставим в 8. 6 t= , получим 0=S[(U 1 c-ДU 1 к)cos +Uc 0+ДU 0 a-ДUa 0]. (8. 7) Вычтем (8. 7) из (8. 6) и получим уравнение анодного тока в виде ia=S[(U 1 c-ДU 1 к)(cos t-cos )]. (8. 8) Воспользуемся условием ia| t=0=Im. С учётом этого условия (8. 8) запишется Im=S S[(U 1 c-ДU 1 к)(1 -cos )]. (8. 9) Найдём из этого выражения сомножитель U 1 c-ДU 1 к= (8. 10) подставим его в (8. 8) получим формулу для выражения анодного тока лампы через параметры импульса Im и , справедливую при - < t < ; ia=Im (8. 11)

Для расчёта генерируемой мощности, подводимой мощности и КПД генератора необходимо найти амплитуды гармонических составляющих импульсов тока. Функция ia(t) чётная (рис. 8. 9). Разложим в ряд по косинусам ia(t)=I 0 a+I 1 acos t+I 2 acos 2 t+…+Inacosn t. Коэффициенты этого ряда определяются по функции Фурье I 0 a= Амплитуда первой гармоники анодного тока I 1 a= Амплитуда любой гармоники анодного тока Ina=

Введём обозначение ( ) Коэффициенты разложения 0, 1, 2… n косинусоидального импульса являются функциями угла отсечки . На практике они определяются по ( ) с помощью графиков Берга Рис. 8. 10 Рис. 8. 11

Оценим влияние угла на мощность и КПД генератора. Колебательная мощность генератора определяется по формуле Р=0, 5 I 1 a. U 1 к=0, 5 1 Im. U 1 к. Мощность растёт с 1. Наибольшее 1 при =120. Однако при =120 КПД определяется =0, 5 , откуда следует, что КПД пропорционален отношению Из графика (рис. 8. 11) видно, что с ростом убывает. На практике выбирают угол отсечки генератора от 70 до 90. При таком угле мощность генератора уменьшается не намного по сравнению с мощностью при угле отсечки =120 , КПД генератора близок к своему минимальному значению. Выбирать угол отсечки <70 нецелесообразно, т. к. при этом КПД увеличивается незначительно, а колебательная мощность резко уменьшается. Кроме того, при угле отсечки <70 для получения той же мощности, что и при =90 , необходимо значительно увеличивать амплитуду напряжения возбуждения.

Нагрузочные характеристики генератора Геометрическое место точек, соответствующих значениям анодного тока при всех значениях t и заданных значениях U 0 c, U 0 a, U 1 c, U 1 к называют динамической характеристикой лампы генератора. Рис. 8. 12 Тангенс угла наклона участка динамической характеристики для недонапряжённого и критического режимов равен отношению т. е. обратно пропорционально сопротивлению нагрузки

Нагрузочные характеристики лампового генератора Нагрузочными характеристиками настроенного генератора называется зависимость его мощностей Р, Р 0, Ра и КПД от эквивалентного сопротивления анодной нагрузки Rэ при постоянных значениях напряжений U 0 c, u 1 c, U 0 a. С изменением Rэ будет изменяться подводимая мощность Р 0=U 0 a. I 0 a, генерируемая мощность Р=0, 5 Ia 1 U 1 к и КПД генератора Нагрузочные характеристики лампового генератора с внешним возбуждением показаны на рис. 8. 13 Ра=Р 0 -Р. Рис. 8. 13

Связь генератора с нагрузкой Полезной нагрузкой генератора может быть входное сопротивление антенны или входной цепи последующего каскада. Нагрузочный контур представлен в виде эквивалентной схемы, на которой показаны активная и реактивная составляющие нагрузки. Сопротивление Xнастр служит для настройки нагрузочного контура в резонанс с колебаниями генератора. Связь генератора с нагрузкой может быть трансформаторной, авто трансформаторной или емкостной. Рис. 8. 14

Нагрузочный контур вносит в промежуточный контур (Lк. Cк) сопротивление где xсв= М – сопротивление связи; z 2 - полное сопротивление нагрузочного контура. Вносимое сопротивление zвн имеет активную и реактивную составляющие. Эти составляющие рассчитываются по формулам где r 2 и x 2 активное и реактивное сопротивление нагрузочного контура. Если нагрузочный контур настроен на частоту генератора, то x 2=0, xвн=0, а При этом генерируемая мощность равна Р=0, 5*I 1 к 2(rк+rвн). Часть генерируемой мощности передаются в нагрузку Рн=0, 5 I 1 к 2 rвн, а часть теряется в промежуточном контуре Рпк=0, 5*I 1 к 2 rк. Для характеристики качества промежуточного контура вводится понятие коэффициента полезного действия этого контура

КПД промежуточного контура можно выразить через эквивалентные сопротивления нагруженного и ненагруженного контура генератора: где ; Зависимости генерируемой мощности, мощности в нагрузке и подводимой мощности Р 0 от сопротивления связи показаны на рис. 8. 15 Рис. 8. 15

Автогенераторы Автогенератор (АГ) – это источник электромагнитных колебаний, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно без внешнего воздействия. Поэтому автогенераторы в отличие от ГВВ, часто называют генераторами с самовозбуждением. Для создания АГ гармонических колебаний необходимо использовать резонатор с достаточно высокой добротностью и компенсировать потери Структурная схема АГ (рис. 8. 16) содержит обратную связь для синхронизации работы АЭ колебаниями, существующими в резонаторе. Рис. 8. 16

Транзисторные АГ На рис. 8. 17 показана принципиальная схема АГ, а на рис. 8. 18 эквивалентная схема. Рис. 8. 17 Рис. 8. 18 Векторная диаграмма токов, соответствующая рис. 8. 18 показана на рис. 8. 19 , где IС 1, IR 1, IL 1 – амплитуды 1 гармоник токов ветвей эквивалентной схемы резонатора; Iа 1, Uа 1 – амплитуды 1 гармоник выходного тока и напряжений АЭ.

Поделив все компоненты векторной диаграммы рис. 8. 19 на общее напряжение Ua 1 получим диаграмму проводимостей рис. 8. 20 В соответствии с рис. 8. 19 где =Ia 1*cos а, =Ia 1*cos а Поэтому: (8. 14) Рис. 8. 19 (8. 15) (8. 16) Рис. 8. 20

Диодные автогенераторы На схеме диодного АГ И – исток, К – коллектор (рис. 8. 21). Как и в транзисторных так и в диодных АГ АЭ на частоте генерации эквивалентен комплексной проводимости , где и комплексные амплитуды первой гармоники выходного тока и напряжения АЭ Рис. 8. 21

АЭ имеют динамические ВАХ N и S типа (рис. 8. 22, 8. 23). Рис. 8. 22 Рис. 8. 23

Стационарный режим работы АГ В стационарном режиме амплитуда и частота не изменяются во времени. Цель анализа стационарного режима – отыскание условий их существования, поиск опт. Режима и получения соотношений, связывающих амплитуду и частоту колебаний с параметрами АЭ и резонатора. Квазилинейный метод анализа стационарного режима Применение квазилинейного метода анализа оправдано только в том случае, когда либо ток ia(t), либо напряжение ua(t) – гармоническая функция времени В схемах АГ гармоническим следует считать ua(t), т. к. АЭ подключён параллельно колебательному контуру. Напряжение на контуре имеет гармоническую форму, если добротность достаточно велика.

Линейную часть схемы (резонатор вместе с нагрузкой) в точках подключения выходных электродов АЭ заменим её входной проводимостью То получим эквивалентную схему АГ (рис. 8. 24) Рис. 8. 24 =Gк+j. Вк

По первому закону Кирхгофа для рис. 8. 24 или (8. 17) Соотношение (8. 17) может быть записано: Gк( )=-Ga(Ua 1) Bк( )=-Ba(Ua 1) (8. 18) (8. 19) Уравнения (8. 17) и (8. 18) являются условиями существования стационарного режима автоколебаний Их физический смысл: Выходная мощность Р_=0, 5 Ua 12*Ga, т. к. Ga<0, то Р_<0, а мощность потребляемая резонатором с учётом нагрузки Р+=0, 5 Ua 12*Gк. При выполнении условия (8. 18) Р_=-Р+. Т. о. (8. 18) – это условие баланса активных мощностей.

Применение метода годографов для анализа стационарного режима При анализе стационарных режимов удобно пользоваться годографами выходной проводимости АЭ и входной проводимость колебательной системы Годограф проводимости =G+j. B это линия на комплексной плоскости G, j. B по которой перемещается конец радиус-вектора при изменении аргумента от 0 до . Стационарный режим колебаний годографа (рис. 8. 25) Рис. 8. 25

Рис. 8. 26

Устойчивость стационарного режима Общее условие устойчивости стационарного режима АГ имеет вид В генераторах гармонических колебаний либо ток, либо напряжение на выходе АЭ имеют синусоидальную временную форму. Если АЭ имеет выходную динамическую ВАХ N-типа, то ток ia – однозначная функция напряжения ua (рис. 8. 22) и целесообразно применить режим работы АЭ с гармоническим выходным напряжением. В противном случае (при гармонической форме выходного тока) возможны скачкообразные изменения напряжения, спектр колебаний обогащается гармониками, что существенно снижает стабильность частоты. Гармоническая форма напряжения получается при параллельном резонансе в колебательной системе, когда В соответствии с (8. 23) для устойчивости стационарного режима требуется выполнение условия

Транзисторные АГ Простые АГ имеют один АЭ и колебательный контур. Схемы одноконтурных АГ различаются способом осуществления внешней ОС. Существуют схемы с трансформаторной, ёмкостной или индуктивной ОС. Рис. 8. 27 Рис. 8. 28 Рис. 8. 29

Для анализа транзисторных АГ введём следующие параметры: • усреднённую по первой гармонике переходную крутизну АЭ Где , -комплексные амплитуды первых гармоник выходного тока и управляющего напряжения АЭ; • коэффициент обратной связи где (8. 24) (8. 25) -комплексная амплитуда первой гармоники выходного напряжения АЭ Если для простоты пренебречь шунтирующим влиянием АЭ на колебательный контур, то, как видим из рис. 8. 28, где Подставив Где ; -комплексная амплитуда первой гармоники контурного тока и в (8. 25) получим

Аналогично для схемы 8. 29 (8. 26) Как видим, при сделанных допущениях Подставив в выражение не зависит от параметров АЭ. амплитуду тока из (8. 24) и амплитуду (8. 25), получим напряжения 8. 27 Условия существования стационарного режима колебаний Учитывая (8. 27) условие существования стационарного режима колебаний запишем в виде где (8. 28) - сопротивление колебательного контура в точке подключения выходных электронов АЭ. Сомножители в (8. 28) могут быть представлены в показательной форме:

В этом случае (8. 28) эквивалентно двум уравнениям: -уравнение баланса амплитуд , где m=1, 2, 3… -уравнение баланса фаз. (8. 29) (8. 30)

Устойчивость стационарного режима Обеспечивается выполнением условия (8. 32) Условия самовозбуждения Представим условия самовозбуждения анализа транзисторных АГ. Так как ; в форме, удобной для при малых амплитудах, то есть , то , где -крутизна переходной характеристики АЭ. Так как S>0, то условие выполняется при правильном выборе фазы коэффициента ОС, то есть Условие (8. 33) принимает вид (ПОС) (8. 34)

Режим транзистора по постоянному току Обеспечивается напряжениями и Для источника возбуждения паразитных колебаний в цепи подачи питания в качестве элемента, блокирующего источник от токов высокой частоты, применяют не блокировочные индуктивности, как в усилителе мощности, а блокировочное сопротивление (рис. 8. 30). В этом случае постоянное напряжение на коллекторе VT : Напряжение смещения на управляющем электроде VT выбирается из условия получения мягкого режима возбуждения колебаний. С этой целью необходимо обеспечить вид зависимости как на рисунке 8. 34 Рис. 8. 30 Рис. 8. 31 Рис. 8. 32

Рис. 8. 33 Рис. 8. 34 При работе транзистора в недонапряжённом режиме и или с учётом (8. 32) и (8. 33) (8. 36) (8. 37) при выполнение условия в АГ с фиксированным смещением реализуется перенапряжённый режим работы VT.

Если выполнятся соотношение , где и -постоянный коллекторный ток в момент возбуждения колебаний и в стационарном режиме колебаний соответственно, то по мере роста амплитуды колебаний напряжение смещения уменьшается из-за наличия например, сопротивления автосмещения в эмиттере (…токе) VT Задающие автогенераторы на биполярных транзисторах Наиболее распространены. Чаще всего применяются схемы с ёмкостной ОС. Её особенности: • Уже на относительно низких частотах в биполярных VT проявляется инерционность процессов, вызывающих фазовый сдвиг между коллекторным током и управляющим напряжением на базе • Стабильность частоты колебаний увеличивается при уменьшение средней температуры VT, которая в значительной степени определяется постоянной составляющей коллекторного тока Для снижения средней температуры надо применять VT малой мощности.

Схема АГ на биполярном VT Транзисторный АГ с ёмкостной ОС и дополнительной ёмкостью называется схема Клопа. Рис. 8. 35 в индуктивной цепи

Схема Шембеля На схеме выделяются две части: • АГ, собран на части пентода. Вторая сетка - первая сетка – катод – C 1 – L 4 – C 5– C 3 • ГВВ (усилитель), собранный на всём пентоде. Схема позволяет получать сигнал ВЧ большой амплитуды и мощности в отличие от обычного АГ. (рис. 8. 36). Рис. 8. 36