При изменении температуры окружающего пространства соответствующим образом изменяются как индуктивность катушки, так и емкость конденсатора, входящих в состав резонансного контура, что приводит к изменению его резонансной частоты. Температурные зависимости параметров элементов характеризуются соответствующими температурными коэффициентами. Например, значение индуктивности катушки при положительном температурном коэффициенте увеличивается с возрастанием температуры. Поэтому в некоторых случаях рекомендуется компенсировать влияние положительного температурного коэффициента катушки использованием конденсатора с соответствующим отрицательным температурным коэффициентом.
В транзисторных микропередатчиках напряжение питания высокочастотных генераторов транзисторных микропередатчиков обычно не отличается от напряжения питания остальных каскадов. Однако в некоторых схемотехнических решениях с целью обеспечения высокой стабильности частоты питание генератора осуществляется меньшим напряжением, которое формируется специальным стабилизатором. В результате при снижении напряжения элемента питания значение напряжения, подаваемого на высокочастотный генератор, остается неизменным.
Существуют и другие способы повышения стабильности частоты ВЧ-генератора, например, использование термостата, специальных фильтров в цепи питания и т. д. Необходимую информацию заинтересованные читатели могут найти в специализированной литературе и в сети Интернет.
3.2. Генераторы с резонансными LC-контурами
В так называемых LC-генераторах в качестве селективного элемента используется резонансный контур, образованный включенными параллельно катушкой индуктивности и конденсатором. Отличительной особенностью этого типа генераторов является минимальный уровень искажений формируемого сигнала, поскольку резонансный контур подавляет частотные составляющие высших гармоник даже в том случае, когда активный элемент работает в нелинейном режиме.
При разработке малогабаритной транзисторной радиопередающей аппаратуры профессионалы и любители используют различные схемотехнические решения высокочастотных генераторов с резонансными LC-контурами, основу которых составляет активный элемент, выполненный на биполярном или полевом транзисторе.
В зависимости от схемы подключения резонансного контура к активному элементу LC-генераторы делятся на генераторы с индуктивной связью, с емкостной связью и трехточечные генераторы. В генераторах с индуктивной связью цепь положительной обратной связи образована индуктивной ПОС между входным и выходным электродами транзистора, а в генераторах с емкостной связью – емкостной цепью ПОС. В трехточечных ВЧ-генераторах, часто называемых трехточками, резонансный контур подключен к активному элементу в трех точках. В зависимости от особенностей схемотехнического решения трехточки могут быть индуктивными или емкостными.
В связи с ограниченным объемом данной книги в следующих разделах будут рассмотрены лишь некоторые из наиболее популярных схемотехнических решений высокочастотных LC-генераторов, применяемые при разработке миниатюрных транзисторных радиопередающих устройств.
LC-генераторы с индуктивной связью
Отличительной особенностью LC-генераторов с индуктивной связью, отраженной в их названии, является цепь положительной обратной связи, которая обеспечивает индуктивную связь между входом и выходом активного элемента. Схемотехнические решения таких генераторов высокочастотных колебаний, хотя и редко, но применяются в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках и радиомикрофонов.
Первый LC-генератор с индуктивной обратной связью создал немецкий изобретатель Александр Мейсснер (Alexander Meissner) в 1913 году. В его ламповой конструкции для обеспечения положительной обратной связи использовались две катушки с встречным включением обмоток (так называемое трансформаторное включение). Поэтому в специализированной литературе для обозначения такого схемотехнического решения часто используются названия «схема Мейсснера» или «схема с трансформаторной индуктивной связью». В генераторе по схеме Мейсснера резонансный контур подключен к цепи управляющей сетки лампы, включенной по схеме с общим катодом. Конечно же, за прошедшие годы данное схемотехническое решение неоднократно усовершенствовалось, в том числе и вследствие появления и применения новой элементной базы. Тем не менее, схемы транзисторных LC-генераторов с индуктивной обратной связью, по-прежнему называются схемами Мейсснера.
В высокочастотных генераторах миниатюрных радиопередатчиков широкое распространение получило схемотехническое решение, в котором резонансный контур включен в цепь коллектора транзистора активного элемента. Принципиальная схема простого LC-генератора с индуктивной положительной обратной связью, выполненного на биполярном транзисторе по схеме Мейсснера, приведена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Принципиальная схема простого LC–Cгенератора с индуктивной обратной связью (вариант 1)
В данной схеме при включении питания в коллекторной цепи транзистора VT1 начинает протекать ток, инициирующий возникновение свободных колебаний в параллельном резонансном контуре, образованном конденсатором С1 и катушкой L1. Частота этих колебаний определяется параметрами элементов контура. С катушкой L1 индуктивно связана катушка L2, входящая в состав цепи положительной обратной связи. За счет контурного тока вокруг катушки L1 формируется переменное магнитное поле, под действием которого в катушке связи L2 возникает ЭДС взаимоиндукции, приложенная к участку база-эмиттер транзистора VT1. Напряжение смещения на базу транзистора подается через резистор R1.
Катушка связи L2 включена таким образом, что фаза сигнала, подаваемого на базу транзистора VT1, отличается на 180є от фазы сигнала, формируемого на его коллекторе. В результате сигнал, поступающий базу транзистора через цепь обратной связи, оказывается в фазе с исходным сигналом, то есть выполняется условие баланса фаз, необходимое для возникновения устойчивой генерации.
ЭДС взаимоиндукции, приложенная к участку база-эмиттер транзистора VT1, инициирует соответствующие изменения коллекторного тока транзистора. В результате в составе коллекторного тока транзистора VT1 формируется переменная составляющая с частотой колебаний в контуре. Именно эта переменная составляющая коллекторного тока обеспечивает восполнение потерь энергии в контуре.
Колебания, возникающие при включении питания в параллельном резонансном контуре, образованном конденсатором С1 и катушкой L1, являются затухающими вследствие потерь энергии в контуре. Для получения незатухающих колебаний следует подать в контур колебания, совпадающие по фазе с первоначально возникшими свободными колебаниями, которые к тому же должны иметь достаточную мощность для компенсации потерь энергии в контуре, то есть необходимо выполнить условие баланса амплитуд. Такие колебания формируются активным элементом генератора (транзистор VT1) за счет усиления колебаний, подаваемых на базу транзистора через цепь положительной обратной связи, в состав которой входят катушка L2 и разделительный конденсатор С2. Для того чтобы усиленные колебания имели требуемый фазовый сдвиг и поддерживали колебания в резонансном контуре, а не заглушали их, необходимо правильно включить катушку L2. В рассматриваемой схеме переменные напряжения на базе и на коллекторе транзистора VT1 должны быть в противофазе. При соблюдении указанных условий амплитуда колебаний в резонансном контуре будет постоянной, то есть в контуре будут существовать незатухающие колебания.
В специализированной литературе и в сети Интернет можно найти большое количество конструкций, в состав которых входят транзисторные LC-генераторы с индуктивной обратной связью. Упрощенная принципиальная схема еще одного из вариантов схемотехнического решения LC-генератора с индуктивной ОС, выполненного на биполярном транзисторе, приведена на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Упрощенная принципиальная схема LC-генератора с индуктивной обратной связью (вариант 2)
Как и в рассмотренном ранее схемотехническом решении, в данной конструкции селективный элемент представляет собой параллельный колебательный контур, подключенный в коллекторную цепь транзистора VT1, по постоянному и переменному току включенного по схеме с общим эмиттером. Следует отметить, что для снижения влияния транзистора на резонансный контур, подключение часто осуществляется с помощью дополнительного вывода, то есть с меньшим реактивным сопротивлением. Однако на параметры генератора это не оказывает особого влияния, за исключением глубины обратной связи.