Материал: Радиотехнические цепи и сигналы для дистанционного обучения. Останков А.В

Расчёт динамических колебательных характеристик проводить с учётом того, что:

1)амплитуда коллекторного напряжения в недонапряжённом режиме определяется амплитудой первой гармоники выходного тока: UK ≈ IK 1 RK;

2)проницаемость транзистора в недонапряжённом режиме пренебрежимо

мала (D ≈ 0), так что его динамические и статические характеристики эквива-

лентны: IK 1 = IK 1 СТ;

3) в недонапряжённом режиме амплитуда первой гармоники коллекторного тока IK 1 СТ определяется средней по первой гармонике крутизной SСТ 1 проходной статической ВАХ транзистора: IK 1 СТ = SСТ 1 UБ; зависимости средней по первой гармонике крутизны SСТ 1 проходной статической ВАХ транзистора от амплитуды напряжения на базе при разных значениях сопротивления RЭ приведены на рис. 55;

4) в перенапряжённом режиме амплитуда коллекторного напряжения неизменна и определяется величиной напряжения источника питания: UK = ξ ЕK, где ξ ≈ 0.9 — коэффициент использования коллекторного напряжения.

Заметим, что при использовании рис. 55 следует предусмотреть масштабирование значения крутизны SСТ 1, определяемой непосредственно по приведённым графикам. Коэффициент, на который следует умножить полученную по графику крутизну, обратно пропорционален величине заданного сопротивления RЭ в цепи эмиттера и составляет 100/RЭ.

8.4.3. Определить критические значения коэффициентов обратной связи, необходимые для возникновения βВОЗ и срыва βСР колебаний, по колебательным характеристикам, рассчитанным для напряжения смещения 0.6 и 1 В.

Расчёт производить по формуле β = p UБ/ UK, непосредственно вытекающей из выражения (58), где p = 1. Амплитуды напряжений UБ и UK определяются координатами точки пересечения колебательной характеристики и прямой, проведённой из начала координат касательно начальному участку характеристики (при расчёте βВОЗ) или участку перехода автогенератора в перенапряжённый режим (βСР). Результаты расчёта βВОЗ и βСР отразить в табл. 26. Сопоставить полученные значения β с результатами, полученными в п. 8.4.1.

100

8.4.4. Полагая, что напряжение смещения UБ 0 = 1 В, а коэффициент обратной связи β в 1.5 раза превышает критическую величину βКР (табл. 24), необходимую для самовозбуждения автоколебаний, рассчитать и изобразить временную диаграмму нарастающих автоколебаний генератора от момента его включения до перехода в установившийся режим. Для расчета использовать формулу (59), в которой отношение UК УСТ /UК 0 положить равным 103. На временной диаграмме допускается не выдерживать истинное значение частоты автоколебаний.

Рассчитать зависимость времени установления tУСТ амплитуды автоколебаний по формуле (60) от величины коэффициента обратной связи β, полагая, что последний меняется в пределах от 1.2 βКР до 3 βКР. Результаты расчета tУСТ отразить в табл. 27 и графически.

Таблица 27

8.4.5. По приведенным в табл. 23 исходным данным рассчитать эквивалентную добротность нагрузочного контура автогенератора QЭ ≈ RK / ρ, где ρ — характеристическое сопротивление контура. Рассчитать полосу захвата ПЗ автогенератора для единичного отношения амплитуды внешней ЭДС EС к амплитуде автоколебаний UБ на базе транзистора.

Применительно к полученной полосе захвата построить график зависимости частоты биений (f0 – fС) от частоты внешнего синхронизирующего источника fС.

8.5Задания и указания к их выполнению

8.5.1.Исследование условий самовозбуждения

Подготовить установку к исследованиям.

Загрузить схемный файл «Self-excited oscillator.ewb».

Установить заданные в табл. 23 (по вариантам) величину сопротивления RЭ в цепи эмиттера (Rе на рис. 53) и параметры элементов колебательного контура: резонансное сопротивление (Rk), ёмкость (Ck) и индуктивность (Lk). Поскольку функцию катушки индуктивности контура исполняет первичная обмотка линейного трансформатора (Тр на рис. 53), следует двойным щелчком мышки по иконке трансформатора активировать меню «Transformer Properties», нажать кнопку «Edit» применительно к выделенной по умолчанию модели «Ideal», в появившемся окне «Transformer Model 'Ideal'» установить требуемую величину индуктивности (Magnetizing Inductance) в Гн.

101

Переключатели должны находиться в следующих положениях: «О» — в верхнем (обратная связь включена); «G» — в левом (внешний источник отключен); «В» — в верхнем (сигнал на базе транзистора не регистрируется).

Установить постоянное напряжение смещения на базе используемого транзистора 1 В (источник Ес на рис. 53).

Установить коэффициент обратной связи в 1.5 раза больше критической величины βКР (см. табл. 24), необходимой для самовозбуждения автоколебаний. Для этого вновь активировать меню трансформатора «Transformer Model 'Ideal'»

иустановить величину коэффициента трансформации (Primary-to-secondary turns ratio) равной 1/β, где β — требуемый коэффициент обратной связи.

Запустить моделирование. Наблюдать, используя осциллограф, процесс появления и нарастания автоколебаний. Дождаться установления автоколебаний. Оценить по осциллографу частоту автоколебаний, результат внести в отчёт

исравнить с расчётным значением.

Исследовать условия самовозбуждения колебаний при фиксированном смещении и вариации коэффициента обратной связи.

Уменьшать последовательно коэффициент обратной связи β (увеличивая коэффициент трансформации) до тех пор, пока автогенератор перестанет самовозбуждаться. Обратить внимание на то, что с уменьшением коэффициента обратной связи время, необходимое для установления автоколебаний неизменной амплитуды, существенно возрастает. Внести в табл. 24 полученную экспериментальным путем критическую величину коэффициента обратной связи, при которой самовозбуждение автогенератора ещё происходит. Зарисовать осциллограмму процесса нарастания и установления автоколебаний при критической величине обратной связи.

Установить напряжение смещения 0.6 В, а коэффициент обратной связи в 1.5 раза больше расчётной критической величины βКР (табл. 24), необходимой при таком смещении для самовозбуждения автоколебаний. Последовательно уменьшая коэффициент обратной связи до тех пор, пока автогенератор перестанет самовозбуждаться, определить экспериментально критическую величину коэффициента обратной связи, при которой самовозбуждение автогенератора ещё происходит. Внести полученное значение в табл. 24. Зарисовать осциллограмму нарастания и установления автоколебаний при критической обратной связи.

Сформулировать вывод. В нем объяснить, почему для каждого смещения величина коэффициента обратной связи разная. Указать, чем определяется её значение. Пояснить, почему с уменьшением напряжения смещения критический коэффициент обратной связи возрастает.

Исследовать условия самовозбуждения колебаний при фиксированной обратной связи и вариации смещения.

102

Установить коэффициент обратной связи в 1.5 раза больше расчётной критической величины βКР (табл. 24), необходимой при смещении в 1 В для самовозбуждения автоколебаний. Установить сопротивление в цепи эмиттера R'Э и напряжение смещения UБ 0 КР в соответствии с расчётом, проведенным в первом подготовительном задании.

Незначительно увеличивая, а затем уменьшая напряжение смещения относительно исходной величины, определить экспериментально фактическое смещение, при котором в автогенераторе возбуждаются колебания. Сравнить его с расчётным значением. Сделать вывод.

По результатам исследования сформулировать окончательный вывод о практической реализации амплитудного условия возбуждения автоколебаний.

8.5.2. Исследование мягкого и жёсткого режимов самовозбуждения автогенератора

Исследовать мягкий режим самовозбуждения.

Установить постоянное напряжение смещения на базе транзистора 1 В, а коэффициент обратной связи равным экспериментально найденной критической величине βКР (табл. 24).

Изменяя β как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, убедиться в «мягкости» возникающих колебаний по совпадению коэффициентов обратной связи, при которых колебания возбуждаются и срываются.

Разомкнуть обратную связь, переведя переключатель «О» в нижнее положение. Ко входу усилителя (базе транзистора) подключить внешний генератор «Functional Generator» (переведя переключатель «G» в правое положение) и установить на его выходе амплитуду гармонического напряжения 20 мВ, частоту, равную резонансной частоте колебательного контура f0.

Снять колебательную характеристику нелинейного усилителя (автогенератора с разомкнутой обратной связью), фиксируя амплитуду напряжения на коллекторе UK в установившемся режиме при разных значениях амплитуды напряжения на базе UБ. Амплитуду входного напряжения UБ следует изменять в пределах от 20 мВ до 1 В с шагом 50-100 мВ. Особенно тщательно (с меньшим шагом) следует снять начальный участок характеристики. Результаты измерений занести в табл. 28.

Таблица 28

103

Изобразить колебательную характеристику в отчёте. Сопоставить с расчётной характеристикой. Сделать выводы. По форме начального участка колебательной характеристики убедиться в том, что характеристика соответствует именно мягкому режиму возбуждения.

На график колебательной характеристики нанести семейство прямых обратной связи, описываемых выражением (58), для разных значений коэффициента обратной связи β. Располагая точками пересечения колебательной характеристики и прямых обратной связи, построить графически зависимость амплитуды автоколебаний UК УСТ от величины β.

Переключателем «О» включить обратную связь, переключателем «G» отключить внешний генератор колебаний. Снять экспериментальную зависимость амплитуды генерируемых колебаний UК УСТ в установившемся режиме от величины обратной связи β (не менее 10-ти точек). Внести экспериментальные результаты в табл. 29, построить график. Сопоставить результаты с ранее полученными данными. Сделать выводы. Экспериментальные значения βВОЗ = βСР отразить в табл. 26.

Таблица 29

Исследовать жёсткий режим самовозбуждения.

Уменьшить напряжение смещения UБ 0 до величины 0.6 В, а коэффициент обратной связи установить равным экспериментально найденной критической величине βКР (табл. 24).

Изменяя β как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, убедиться в наличии жёсткого режима возбуждения колебаний по отличию величины обратной связи, при которой колебания возбуждаются и срываются. Учесть, что для оценки степени связи, при которой в жёстком режиме наблюдается срыв колебаний ( βСР < βКР), автогенератор следует запускать принудительно, кратковременно подключая к базе транзистора внешний генератор (клавишей «G») и вновь отключая. Необходимость принудительного запуска связана с прерыванием генерации при изменении коэффициента обратной связи.

Зафиксировать коэффициенты обратной связи βСР и βВОЗ, соответствующие срыву и возбуждению колебаний. Внести полученные значения в табл. 26, сравнить с расчётными значениями. Сделать выводы.

Разомкнуть обратную связь, ко входу усилителя подключить внешний генератор. Снять колебательную характеристику автогенератора с разомкнутой обратной связью, фиксируя амплитуду напряжения на коллекторе UK в установившемся режиме при разных значениях амплитуды напряжения на базе UБ. Особенно тщательно снять начальный участок. Результаты занести в табл. 30.

104