4.7. Расчет автогенераторов

Из приведенного выше материала следует, что существует большое число схем автогенераторов на устройствах ПАВ. В зависимости от функционального назначения подход к построению того или иного автогенератора может быть разным. Это особенно очевидно, например, при сравнении генераторов непрерывных колебаний и радиоимпульсных. Подход к решению вопроса о построении автогенератора с повышенной механической прочностью будет существенно отличаться от подхода к проектированию автогенератора с существенной стабильностью частоты колебаний. Поэтому и расчет автогенераторов на ПАВ разного назначения будет различным.

Дать общий, но в то же время и достаточно конкретный порядок расчета в подобной ситуации, думается, очень сложно. Положение усложняется и тем, что разработано большое число устройств на ПАВ. Это и ЛЗ ПАВ, и одновходовые, и двухвходовые резонаторы. Как следует из приведенного выше материала, их основные расчетные формулы существенно различаются. Поэтому для каждого конкретного устройства на ПАВ должен быть свой подход при расчете автогенератора, учитывающий его специфику. Существенным препятствием на пути разработки надежных расчетных методик является относительно слабое экспериментальное исследование генераторных устройств на ПАВ. В имеющейся литературе очень мало сведений о предельных возможностях практических генераторов. Совершенно открытым является вопрос о взаимосвязи между рассеиваемой в устройстве на ПАВ мощностью и стабильностью колебаний. Не совсем понятно, на какие предельные мощности рассеивания в устройстве на ПАВ можно ориентироваться при расчете автогенератора. Эти мощности существенно больше, чем у кварцевых генераторов. Однако практических результатов для целого ряда генераторных устройств, прошедших всестороннюю экспериментальную проверку, в литературе нет.

Следует указать на возможность существования двух разных подходов к задаче о проектировании какого-то конкретного автогенератора с устройством на ПАВ. Действительно, на практике обычно разрабатывают автогенератор под данное конкретное устройство на ПАВ, которое есть в наличии у разработчика. В этом случае активный элемент и все остальные элементы схемы подбирают и рассчитывают под это устройство. Подобный расчет (особенно для одновходовых резонаторов ПАВ) подобен расчету обычных кварцевых генераторов.

Однако в настоящее время все более настойчиво проявляет себя тенденция создания устройства на ПАВ с заданными электрическими и механическими свойствами под разрабатываемый автогенератор. Это объясняется тем, что такой подход может дать существенное улучшение параметров автогенератора без применения сложных согласующих цепей. В то же время простота создания нужной топологии электрической части устройства на ПАВ дает возможность уже в настоящее время производить отработку этого устройства в рамках подразделений, занимающихся разработкой автогенераторов в целом. Понятно, что подобное совмещение было невозможно в производстве обычных кварцевых генераторов из-за существенных технологических отличий в производстве кварцевых объемных резонаторов и электрической части автогенератора.

Ориентируясь на практические потребности разработчиков и на их реальные возможности, попытаемся решить стоящую задачу применительно к генераторам непрерывных колебаний. Остановимся вначале на расчете автогенераторов с ЛЗ ПАВ или на двухвходовых резонаторах.

Самым грубым, но пока достаточно распространенным на практике расчетом автогенератора на ПАВ является расчет его усилителя, обеспечивающего компенсацию переходных потерь устройства на ПАВ. Например, если потери в ЛЗ ЛАВ составляют 20 дБ, то усилитель должен обеспечить в линейном режиме усиление 26-30 дБ для обеспечения необходимого запаса по самовозбуждению. Расчет цепей смещения и питания производится из тех соображений, что в режиме с отсечкой усилитель должен обеспечивать усиление 20 дБ, точно равное потерям в ЛЗ ПАВ. Для обеспечения работы усилителя с наименьшими уровнями побочных гармонических составляющих необходимо обеспечить работу усилителя в недонапряженном или в соответствующем ему в области СВЧ доотараметрическом режиме. Подобного рода расчет несложен. Его можно выполнить, используя большой выбор имеющейся литературы.

Вторым по сложности вопросом является необходимость согласования устройств на ПАВ с активным элементом. Сюда же относится и необходимость компенсации статической емкости преобразователя. Подобная необходимость диктуется тем, что на практике даже у двухвходовых резонаторов переходное затухание получается достаточно большим и поэтому целесообразно не наращивать усиление активного элемента автогенератора, так как это связано с возможностью паразитных колебаний, а увеличить коэффициент передачи устройства на ПАВ. Понятно, что этого проще всего можно достичь компенсацией статических емкостей преобразователей устройства на ПАВ или дополнительным согласованием его входных и выходных проводимостей с соответствующими проводимостями активного элемента.

Расчет компенсирующих индуктивностей прост. Средняя частота автоколебаний известна, поэтому, зная статическую емкость преобразователя, нетрудно вычислить необходимую компенсирующую индуктивность (см. § 2.6). Можно одновременно решить задачу компенсации и согласования, применяя известные согласующие цепи [131]. В качестве примера на рис. 4.28 изображена одна из таких схем. Она обеспечивает согласование выходной проводимости АЭ y_а.э с входной проводимостью ЛЗ ПАВ Y_ПАВ. Если по каким-либо соображениям схема согласования на рис. 4.28 не удовлетворяет, то можно использовать, например, схему на рис. 4.29 или другие [131]. Преимуществом схемы на рис. 4.29 является то, что она лучше фильтрует высшие гармонические составляющие колебания. Подобная же фильтрация, но несколько более худшая, осуществляется и в схеме на рис. 4.28. Эта особенность ряда согласующих цепей весьма полезна для автогенераторов с устройствами на ПАВ, так как в них AЭ работает на слабо фильтрующую нагрузку. Это особенно справедливо, если автогенератор собран на ЛЗ ПАВ.

Рис. 4.28. Согласующая цепь

Рис. 4.29. Вариант согласующей цепи

Если необходимо провести более детальный расчет генератора с устройством на ПАВ, то необходимо пользоваться уравнениями (2.20). Нахождение коэффициентов уравнений (2.20), связанных с устройством на ПАВ и его цепями согласования, рассмотрено в гл. 2. Однако для практического использования уравнений (2.20) необходимо знать и коэффициенты, определяемые активным элементом автогенератора. Покажем, как это можно сделать для биполярного транзистора. Используя [131-133], нетрудно записать выражения для собственных и взаимных проводимостей линейной части активного элемента:

где

T_k = r_бС_к.а; t⁰_п - температура перехода; β - статический коэффициент передачи тока; С_к.а - емкость коллекторного перехода; r_б - сопротивление тела базы; S - статическая крутизна тока коллектора; ω - рабочая частота.

Для повышения стабильности частоты генератора рекомендуется недоиспользовать транзистор по току и выбирать максимальное значение тока коллектора, исходя из соотношения

где I_к.макс - максимально допустимое значение тока коллектора.

При вычислении значения крутизны по переходу S_п в (4.3) целесообразно брать i_к = i_к.м/2.

Нелинейные токовые коэффициенты уравнений (2.20), учитывая изложенное, можно записать в виде

где θ_ω - высокочастотный угол отсечки; γ₁ - коэффициент разложения косинусоидального импульса [132, 133].

Для определения высокочастотного угла отсечки необходимо знать низкочастотный угол отсечки θ, который в свою очередь определяется из выражения

где Е_b - напряжение смещения, Е' - напряжение запирания тока коллектора.

Связь между θ_ω и θ при разных a = ω/ω_S задается графиком на рис. 4.30. Зависимость γ₁(θ_ω) представлена на рис. 4.31.

Рис. 4.30. Зависимость между высокочастотным и низкочастотным углами отсечки

Рис. 4.31. Зависимость коэффициента разложения γ₁ от высокочастотного угла отсечки

При выводе (4.4) предполагалось, что фаза первой гармоники тока коллектора транзистора не зависит от θ.

Формулы (4.3) и (4.4) являются приближенными. Они получены для случая, когда реакция коллектора на входную цепь транзистора достаточно мала, когда входное и выходное напряжения транзистора можно считать синусоидальными. Применительно к выходному напряжению это далеко не всегда справедливо, особенно, если в качестве устройства применяется ЛЗ ПАВ. Фильтрация высших гармоник в выходной цепи АЭ осуществляется при этом в основном лишь за счет статической емкости преобразователя ЛЗ ПАВ. Ситуация существенно улучшается при наличии согласующих цепей.

Следует также отметить, что в нашем рассмотрении не учитываются нелинейная составляющая проводимости Y₂₂ транзистора, зависящая от амплитуды колебаний. Однако, учитывая существенный разброс параметров транзистора, можно считать, что сделанные выше пренебрежения оправданы на практике существенной простотой расчетных формул.

Существенным для расчета является определение углов отсечки θ_ω и θ. Так как начальные смещения в автогенераторе являются открывающими, то понятно, что уменьшение эквивалентной крутизны АЭ осуществляется за счет уменьшения высокочастотного угла отсечки θ_ω. Причем, как видно из (4.4), величина γ₁(θ_ω) в стационарном режиме показывает реальный запас по самовозбуждению. На практике обычно стараются сделать γ₁(θ_ω) = 0,3 - 0,5. Это необходимо для надежной работы автогенератора. Зная θ_ω или θ, нетрудно по формуле (4.5) рассчитать необходимую величину смещения в стационарном режиме E_b, а следовательно, и провести расчет всей цепи автосмещения.

Как уже указывалось выше, работу автогенератора необходимо обеспечивать в недонапряженном режиме. Этому соответствует выполнение соотношения

где i_м - максимальное значение тока коллектора, соответствующее максимальному напряжению на базе E_b + U₁, S_кр - крутизна линии критического режима; U_ост - остаточное напряжение на коллекторе, равное разности между напряжением питания Е_к и амплитудой высокочастотных колебаний на коллекторе U₂. Чем лучше выполняется соотношение (4.6), тем менее напряженный режим автогенератора.

При расчете автогенератора необходимо следить за тем, чтобы не превышались предельно допустимые значения напряжений и мощностей для транзистора; эти значения указываются в справочниках.

Для обеспечения стабильности частоты автогенераторов необходимо предусмотреть достаточно слабую связь с нагрузкой. Это соответствует тому, что мощность, рассеиваемая в нагрузке, должна составлять малую долю мощности, отдаваемой АЭ. При этом расчет автогенератора можно проводить без учета нагрузки. Получающийся при этом малый КПД автогенератора является платой за стабильность частоты колебаний.

Грубый расчет автогенераторов на одноовходовых резонаторах может быть выполнен на основе имеющихся методик расчета обычных кварцевых генераторов. Для более детального расчета необходимо пользоваться материалом данного параграфа и гл. 3.