Передатчик телеметрической информации с частотной модуляцией и высокой стабильностью частоты

С учетом изложенного, для  построения АГ с  до 433,92 МГц целесообразно использовать маломощные высокочастотные транзисторы.

В автогенераторах повышенной стабильности транзистор должен работать в облегченном режиме. Поэтому значения напряжения источника коллекторного питания и амплитуды импульса коллекторного тока следует выбирать из условия

  < (0,2...0,5) ; < (0,3...0,6) ,            (5.1)

где и – допустимые по паспортным данным значения напряжения коллекторного питания и импульса тока.

При выборе необходимо учитывать, что значительное снижение его ( < (2...3) мА) приводит к сильной зависимости параметров транзистора (таких как и ) от температуры. При увеличении коллекторного тока наблюдается сначала рост модуля крутизны |S|, однако пропорционально увеличиваются постоянная времени входной цепи =1/ и, соответственно, фазовый угол крутизны = – arctg . Поэтому для выполнения условия баланса фаз в АГ ( + + = 2kp) необходимо расстраивать контур относительно резонансной частоты ,   т. е. работать на участке его фазовой характеристики с меньшей крутизной, что снижает стабильность частоты генерируемых колебаний. При достижении током коллектора значений, близких к предельным, рост крутизны практически прекращается, а у некоторых типов транзи-сторов наблюдается ее снижение. Поэтому и при очень малых, и при значительных токах коллектора наблюдается снижение стабильности час-тоты АГ. Для рекомендованных транзисторов выбирают = (5...20) мА.

Режим работы транзистора  в АГ обычно выбирается резко недонапряженным  с коэффициентом использования  коллекторного напряжения = (0,2...0,4) (здесь – значение в граничном режиме). Это объясняется тем, что при работе в перенапряженном режиме наблюдается сильное влияние питающих напряжений на частоту генерируемых колебаний за счет возрастания первой гармоники базового тока и появления дополнительного угла сдвига фазы средней крутизны D , обусловленного воздействием гармоник коллекторного тока. Переход в перенапряженный режим увеличивает, кроме того, выходную проводимость транзистора, из-за модуляции нелинейной емкости , снижающую добротность и эталонность колебательной системы.

Коэффициент полезного  действия АГ высокой стабильности оказывается достаточно низким – h = 0,1...0,2; и большая часть мощности, потребляемой от источника коллекторного питания, рассеивается на коллекторе транзистора. При низком КПД контура ( = 0,1...0,3) мощность, развиваемая АГ в нагрузке , не велика и связана с мощностью, рассеиваемой коллектором , приближенным соотношением

< ,                           (5.2)

где – допустимая мощность, рассеиваемая коллектором.

Поэтому нагрузка к АГ, как правило, подключается не непосредственно, а через буферный каскад с высоким  входным сопротивлением, в качестве которого широко используется эмиттерный повторитель.

Уменьшение  , по сравнению с рекомендованным в (5.1), с целью повышения КПД является нецелесообразным, так как при этом даже в недонапряженном режиме возрастают выходные емкость и проводимость, а следовательно, возрастает и нестабильность частоты генерируемых колебаний.

С целью обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний угол отсечки коллекторного тока q в стационарном режиме выбирается из условия [2]: 80 < q < 120 , а мягкий режим самовозбуждения при q £ 90 создается за счет использования автоматического смещения. Наиболее часто применяется комбинированная схема автосмещения из делителя в цепи базы транзистора и резистора в эмиттерной цепи. В этом случае также снижается чувствительность параметров транзистора, а значит и , к изменению температуры окружающей среды и к изменению напряжения источника коллекторного питания. Опыт проектирования транзисторных АГ показывает, что существует оптимальное значение = , обеспечивающее максимальную стабильность частоты [3]. Ориентировочное значение может быть определено как:

= (50...100) / S .                                           (5.3)

При расчете транзисторных  АГ используют кусочно-линейную аппроксимацию  характеристик транзистора. Достаточная  для инженерных расчетов точность при  этом обеспечивается только в том  случае, если заранее известна амплитуда  импульса коллекторного тока и аппроксимируется лишь рабочий участок характеристики. В тех случаях, когда в справочных материалах отсутствуют статические характеристики транзистора, при малых токах коллектора можно воспользоваться приближенным аналитическим выражением для определения крутизны [2], [3]

),                         (5.4)

где – низкочастотное значение коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Иногда основным требованием, предъявляемым к АГ, является обеспечение значительной мощности в нагрузке при высоких энергетических показателях автогенератора. Стабильность частоты при этом является либо второстепенным фактором, либо обеспечивается с помощью использования систем автоматической подстройки частоты. В последнем случае АГ должен допускать возможность управления частотой генерируемых колебаний, например, с помощью варикапов. Кроме того, широкое применение находят АГ, частота которых должна изменяться в достаточно широких пределах при относительно невысоких требованиях к ее стабильности. Последнее относится, например, к автогенераторам, используемым в качестве гетеродинов радиовещательных приемников, или к управляемым генераторам в синтезаторах частоты. Во всех этих случаях при выборе режима работы транзистора целесообразно значение импульса коллекторного тока увеличить по сравнению с (1.1) до (0,5...0,7) и повысить до (0,6...0,7) .

5.2 Основы расчета транзисторного автогенератора

Транзисторные автогенераторы чаще всего выполняются по схеме  емкостной и реже – индуктивной  трехточки. Сравнительный анализ стабильности частоты указанных схем АГ показывает, что лучшими характеристиками обладает схема емкостной трехточки. Преимущества этой схемы особенно проявляются на высоких частотах, где необходимо считаться с инерционными свойствами транзистора ( > 0,3fs), так как в ней полное фазирование может быть достигнуто за счет взаимной компенсации фазовых углов крутизны и коэффициента обратной связи   ( + = 0). В этом случае транзистор работает на настроенную нагрузку  (cos = 1) и, следовательно,    отдает    большую  мощность P~ = 0,5 cos , а частота генерируемых колебаний практически совпадает с собственной частотой контура, где его фазовая характеристика наиболее крута.

Наибольшее практическое применение получила не классическая схема емкостной трехточки (рис. 5.1, а), а схема Клаппа (рис. 5.1, б), в которой последовательно с контурной индуктивностью включается дополнительный конденсатор С3. Это уменьшает коэффициент включения контура в коллекторную цепь и позволяет использовать контуры с высоким волновым сопротивлением и высокой добротностью Q.

а                                                             б

Рис. 5.1

 

При  расчете  контура  обычно задаются волновым сопротивлением = (100...200) Ом и, зная частоту генерируемых колебаний, определяют индуктивность катушки L_к и полную емкость контура C₀. Затем по известной добротности нагруженного контура Q_н = 100...150 можно определить его коэффициент включения p в коллекторную цепь транзистора:

,

где – расчетное значение коллекторной нагрузки АГ. Значения емкостей контурных конденсаторов определяются из простых выражений

;   ;   ,     (5.5)

где K_о.с – коэффициент обратной связи. При необходимости учитываются влияние входной и выходной емкостей транзистора. Номинальные значения емкостей конденсаторов подбираются по каталогу.

Электрический расчет режима АГ практически совпадает с соответствующим расчетом генератора с внешним возбуждением и будет рассмотрен в приведенном далее примере. Расчет цепей базового питания транзисторного АГ имеет особенности.

При расчете делителя в базовой цепи сопротивления резисторов R1 и R2 выбираются исходя из следующих требований: во-первых, напряжение смещения на базе транзистора должно быть равно полученному в результате расчета режима. Для этого необходимо, чтобы

,                      (5.6)

где – cопротивление делителя; E_и.к – напряжение источника коллекторного питания; I_к0 и I_б0 – постоянные составляющие коллекторного и базового тока соответственно; E_см – напряжение базового смещения.

Кроме того, для обеспечения  высокой добротности колебательной системы сопротивление базового делителя R_д должно быть существенно больше сопротивления X₂ ветви контура между базой и эмиттером, а с точки зрения термостабилизации – не должно превышать (4...6) R_э , т. е.

(20...50)X₂ < R_д <(4...6)R_э.                                          (5.7)

Выражения (1.6) и (1.7) при  известных значениях X₂ и R_э дают возможность выбрать сопротивление R_д, а затем определить сопротивления R₁ и R₂:

R₁ = ;                   .                  (5.8)

Особое значение при  расчете АГ имеет выбор емкости  блокиро-вочного конденсатора С_э. Емкость конденсатора С_э должна быть доста-точно велика для обеспечения фильтрации переменной составляющей (R_эC_э > 1 / w_г) и, вместе с тем, должна обеспечить устойчивость ста-ционарного режима колебаний АГ, т. е. отсутствие режима прерывистой генерации и самомодуляции. Емкость конденсатора С_э может быть определена при известных R_э [см. выражение (1.3)], Q_н и w_г из неравенства

< R_эC_э < .                                  (5.9)

5.3 Эквивалентная схема кварцевого резонатора

 

Стабильность частоты  автогенератора в основном определяется эталонными свойствами и добротностью его колебательной системы. Эталонные свойства и добротность электрических колебательных систем ( – контуров) обычно ограничивают относительную нестабильность частоты АГ значением порядка 10 . В тех случаях, когда требуется более высокая стабильность частоты, в АГ применяются механические колебательные системы, из которых наиболее широкое распространение получили кварцевые резонаторы (КвР).

Существование прямого  и обратного пьезоэлектрического  эффектов в кварце, допускающего практически  полное преобразование электрической энергии в механическую и обратно, делает удобным использование КвР в качестве колебательной системы АГ.

В кварцевых резонаторах  может быть возбуждено несколько  видов механических колебаний, а  в пределах данного вида возможны колебания на основной частоте и на механических гармониках. Поэтому электрическая эквивалентная схема КвР (рис. 1.2, а) может быть представлена в виде параллельного соединения емкости кварцедержателя и, в общем случае, бесконечного числа – контуров, резонансные частоты которых совпадают с частотами механических колебаний кварцевой пластины. Так как КвР является высокодобротной колебательной системой, при построении эквивалентной схемы, справедливой для узкого диапазона, вблизи каждой из частот гармоник можно пренебречь влиянием всех последовательных контуров, кроме одного, настроенного на эту частоту.

                        а                                                               б

Рис. 1.2

 

К основным параметрам эквивалентной  схемы КвР, приводимым в справочных данных, относятся: динамические индуктивность  и емкость , емкость кварцедержателя , сопротивление потерь , добротность резонатора и частота последовательного резонанса в динамической ветви .

При анализе и проектировании кварцевых АГ кварцевый резонатор  удобно представить в виде последовательного соединения резистивного и реактивного двухполюсников (см. рис. 5.2,б), т. е. , где

;                                      (5.10)

,                                (5.11)

где - обобщенная расстройка; .

Анализ выражения (5.11) показывает, что эквивалентное сопротивление  резонатора носит индуктивный характер в диапазоне относительных расстроек от до . За пределами этой области КвР имеет емкостный характер эквивалентного сопротивления. Крутизна фазочастотной характеристики КвР с учетом (5.10) и (5.11)

достигает максимального значения, равного 1 ( ) при = 0. При a = 0,76 падает в два раза, а при = 0,95 – в три раза, что необходимо учитывать при выборе резонатора, исходя из заданной частоты генерируемых колебаний.

Характерным свойством  КвР является старение, приводящее к необратимому изменению резонансной  частоты  . Скорость старения максимальна в начале срока эксплуатации резонатора и пропорциональна рассеиваемой в нем мощности. Поэтому КвР первоначально подвергают “тренировке”, т. е. работе с повышенной мощностью рассеивания ( ).

5.4 Расчет автогенератора  с кварцевым резонатором в  контуре

 

Уравнение стационарного  режима для АГ, выполненного по схеме рис. 1.6, имеет вид

= – 1,                            (5.12)

где ; ; ; – эквивалентное сопротивление КвР с учетом шунтирующего действия (см. п. 1.3.1); ; . Поскольку   существенно больше собственного сопротивления потерь в контуре, последнее в расчетах не учитывается.

Крутизна резонатора,  зашунтированного  резистором , равна и достигает максимального значения при . Следовательно, для обеспечения максимальной стабильности частоты частота генерируемых колебаний должна быть практически равна частоте последовательного резонанса КвР. Заменив в условии стационарности (1.20) на и выделив отдельно мнимую и вещественную части равенства, нетрудно получить