|
Вступ
Дуже важливе значення в радіоелектроніці мають коливальні системи, що генерують електромагнітні коливання. Таку систему, або пристрій з самозбудженням, називають динамічною системою, перетворюючої енергію джерела постійного струму в енергію незатухаючих коливань, причому основні характеристики коливань (амплітуда, частота, форма коливань, гармонійний склад і т.д.) визначається, в основному, параметрами самої системи . Процес отримання сигналів необхідної форми і частоти називають генеруванням електричних коливань. З точки зору математичних моделей коливальні системи поділяють на лінійні та нелінійні, автономні і неавтономні. Особливий клас представляють автоколивальні системи або автогенератори.
У радіопередавачах систем зв'язку автогенератори застосовують часто в якості каскадів, створюють електромагнітні коливання несучої частоти (рис.1). Основна вимога - це висока стабільність частоти, що генерується і ККД. У СВЧ-діапазоні автогенератори часто використовують в якості вихідних каскадів передавачів. Вимоги до таких автогенераторах аналогічні вимогам до підсилювачів потужності - забезпечення потужних коливань при високому ККД, вихідної потужності і стабільності частоти.
1. Вибір схеми для проектування
Виберемо за основу для проектування LC-генератора Хартлея на МОП транзисторі з індукованим каналом схему на рис.1
Введемо навантажувальний резистор в ланцюг стоку і приберемо мікрофон і антену. Отримана схема приведена на рис.2.
Рис.2 Схема для проектування генератора.
У вибраній схемі рис.2 опір R1 є времязадающей для плавності наростання напруги паралельного коливального контуру, який складається з конденсаторів С1 С2, варикапа VD1 і індуктивної котушки L з трьома висновками (на схемі показані дві ідуктівності). Варикап також забезпечує розв'язку контуру по постійному струму.
2. Підбір активного елементу - МОП транзистора для генератора
МОП транзистор повинен бути високочастотним
f max> 12 МГц
Максимальний струм стоку транзистора визначимо, враховуючи що транзистор у відкритому стані має падіння напруги приблизно 1В:
Ic = (E n-1) / R H тобто Ic = 11/300 = 37 мА (1)
Також максимальна потужність транзистора визначається з виразу:
P max = Ic * E n = 37 * 12 = 444 мВт (2)
Напруга стік витік:
U СІ> 12B;
За цими параметрами підбираємо високочастотний МОП транзистор фірми Philips типу BSD214. Його параметри:
f max = 15 МГц;
Потужність Р = 1,2Вт;
Граничне напруги U 3І = 1B;
Допустима напруга стік-витік транзистора U СІдоп = 25В;
Допустима напруга стік-затвор транзистора U СЗдоп = 30;
Допустима напруга затвор-витік транзистора U ЗІдоп = 30;
Максимальний струм стоку транзистора I доп = 50мА.
Даний тип транзистора працює тільки в режимі збагачення каналу при малому пороговому напрузі і великому резонансному напрузі контуру, тому можна вважати режим його роботи ключовим.
3. Розрахунок спектра вихідного сигналу генератора
Оскільки режим роботи транзистора ключовий, мале порогове напруга і синусоїдальна напруга коливального контуру має амплітуду вище Еn> 12B, то
шпаруватість проходження імпульсів буде дорівнює S = 2, форма вихідного сигналу будуть прямокутні імпульси з періодом проходження:
Т = 1 / f P = 1/12000000 = 83нс (3)
Час проходження імпульсу:
t і = T / S = 83/2 = 41,5 нс (4)
Оскільки транзистор у відкритому стані має падіння напруги приблизно 1В, то вихідна напруга буде як на рис.3.
U, B
Рис.3 Напруга на навантаженні в сталому режимі генератора.
Максимальна напруга в навантажувальними резисторами U m = E n = 12B, а мінімальне дорівнює приблизно падіння напруги на відкритому транзисторі U min = 1,0B.
Визначимо ширину спектра сигналу і знайдемо значення постійної складової по формулі:
 (5)
Амплітуда першої, основної, гармоніки f = 12МГц буде:
U m1 = (2U m / sin (1 / S) = (2 * 12 / 3.14) * sin (1 * 3.14 / 2) = 7,64 В (6)
Амплітуда другої гармоніки f = 2 * 12 = 24 МГц і інших парних дорівнюють нулю.
Амплітуда третин гармоніки f = 3 * 12 = 36 МГц буде:
U m3 (2U m / 3sin (3 * / S) = (2 * 12 / (3 * 3.14)) * sin (3 * 3.14 / 2) = 2,55 В (7)
Амплітуда п'ятої гармоніки f = 5 * 12 = 60 МГц буде:
U m4 = (2U m / 5sin (5 * / S) = (2 * 12 / (5 * 3.14)) * sin (5 * 3.14 / 2) = 1,53 В (8)
Амплітуда сьомий гармоніки f = 7 * 12 = 84 МГц буде:
U m7 = (2U m / 7sin (7 * / S) = (2 * 12 / (7 * 3.14)) * sin (7 * 3.14 / 2) = 1,09 В (9)
Амплітуда дев'ятої гармоніки f = 9 * 12 = 108 МГц буде:
U m7 = (2U m / 7sin (7 * / S) = (2 * 12 / (9 * 3.14)) * sin (9 * 3.14 / 2) = 0,85 В (10)
За результатами розрахунків побудуємо діаграму, що показує ширину спектра вихідного сигналу на навантажувальними резисторами генератора (рис.4).
Рис.4.
4. Розрахунок елементів коливального контуру
Вибираємо котушку з індуктивністю L = 51мкГн c третім висновком в1мкГн щодо загальної точки схеми. Така велика різниця щодо третьої точки дозволяє довести амплітуду вихідного сигналу до максимуму - 11,0В.
З формули для визначення резонансної частоти контуру знайдемо загальну ємність коливального контуру:
 (11)
Тут нехтуємо шунтувальним дією малої місткості p-nперехода затвор - витік (2пФ).
Приймаємо варікап з малою ємністю типу FMMV2101 виробник ZETEX його параметри:
- ємність С В = 14пФ;
- максимальне зворотне напруга U обр = 45В;
- максимальний прямий струм I пр = 200мА.
Приймаємо опір времязадающего резистора R1 = 1кОм. Ємність времязадающего конденсатора С1 визначається з умови, що постійна часу повинна бути рівною часу імпульсу - t і = 41,5 нс і тоді:
С1 = t і / R1 = 41,5 * 10 -9 / 1000 = 41,5 пФ (12)
Приймаємо найближче стандартне значення С1 = 43пФ.
Тепер визначимо ємність С2 як послідовно з'єднану з З У і С1 за формулою:
 (13)
Приймаємо стандартне значення С2 = 6,8 пФ при цьому загальна ємність контуру буде
 = 4,1 пФ.
Для обмеження струму контуру введемо в нього опір, який визначається за умови:
R> E n / I пр = 12 / 0,2 або R> 60 Ом (14)
Приймаємо R2 = 200Ом - це оптимальне значення, тому що надмірне збільшення цього опору призведе до зменшення шпаруватості вихідного напруги.
5. Побудова АЧХ
АЧХ підсилювача повторює АЧХ коливального контуру. Спростимо коливальний контур і замість варикапа VD1 і двох конденсаторів С1 і С2 введемо один = 4,1 пФ, тоді отримаємо еквівалентну схему рис.5
Рис.5 Еквівалентна схема коливального контуру генератора.
Зображення по Лапласу передавальної функція ланцюга рис.5 одно:
H (p) =  (15)
Замінимо у формулі (15) р = jwі отримаємо залежність передавальної функції від кругової частоти:
Н (jw) =  (16)
Виділимо з (16) дійсну частину і, з огляду на що w = 2fполучім формулу для побудови АЧХ:
 (17)
На рис.6 за виразом (17) побудована АЧХ підсилювача де амплітуда в відносних одиницях від вхідного сигналу E n = 12B.
Рис.6 АЧХ генератора.
6. Розрахуємо основні параметри схеми
Максимальний споживаний струм:
I max = I c + E n / R1 = 37+ 12/1000 = 49мА (18)
Максимальна (пікова) споживана генератором потужність:
Рпот = I max E n = 49 * 12 = 588мВт (19)
Найменший ККД генератора:
 (20)
Оскільки транзистор працює в ключовому режимі, генератор має високий значенням ККД в сталому режимі  -> 99%.
Перевіримо роботу схеми в віртуальної лабораторії за допомогою програми Multisim8.0
Рис.7. Віртуальний аналіз спроектованої індуктивної трехточка на МОП транзисторі.
З віртуальної осцилограми рис.7 видно, що період імпульсів Т = 83нс їх шпаруватість S = 2 (синя осциллограмма). Червона осциллограмма є графіком напруги на затворі транзистора і, отже, коливального контуру.
7. Опис роботи схеми індуктивного трехточка
Котушка індуктивності L паралельного коливального контуру має третій висновок, з якого знімається сигнал зворотного зв'язку, що співпадає по фазі з вхідним сигналом на затворі транзистора VT1, тобто утворюється контур позитивного зворотного зв'язку. При позитивній напівхвилі синусоїдальної напруги, після досягнення напруги затвор- витік в один вольт (порогове напруга транзистора), відбувається відкривання транзистора і додавання синфазной електроенергії в коливальний контур, що робить коливання незатухающими. Вихідна напруга, що знімається з резистора навантаження R H, знаходиться в протифазі з напругою затвор - витік транзистора (підсилювач із загальним витоком).
Список використаних джерел
1. Опадчій Ю.Ф., Глудкін О.П., Гуров А.І. Аналогова і цифрова електроніка. - М .: Гаряча лінія-Телеком, 2005.
2. Малишева І.А. «Технологія виробництва інтегральних мікросхем», М., Радіо і зв'язок 1991.
3. Нефьодов В.І. Основи радіоелектроніки та зв'язку. -М .: Вища. Школа 2009.
|