Разберем некоторые, наиболее распространенные схемы LC - генераторов высокой частоты, которых существует достаточно, а, учитывая разные, иногда трудноузнаваемые начертания схем, так более, чем достаточно.
Основой любого генератора является схема с отрицательным сопротивлением или такой элемент (например, лямда диод и его аналоги), и частотоизбирательный элемент, в качестве которого может выступать колебательный контур или кварцевый резонатор (не во всех схемах генераторов). Давайте рассмотрим конкретные схемы.
1. Емкостная трехтонка (генератор Колпитца) .
В основе схемы — LC-контур: катушка индуктивности (L1) и конденсатор (C1), а также конденсаторы С3 и C4, соединённые последовательно и работающие как ёмкостный делитель напряжения в цепи ПОС (из цепи эмиттера в цепь базы).
В схеме генератора Колпитца транзистор действительно можно рассматривать как элемент, создающий отрицательное сопротивление — но с важным уточнением: это не внутреннее свойство самого транзистора, а эффект, который возникает из-за взаимодействия транзистора с остальными элементами схемы (в первую очередь с ёмкостным делителем и контуром). Суть в том, что транзистор в такой схеме действует как активный элемент: он не просто усиливает сигнал, а за счёт обратной связи формирует в цепи эффект, похожий на отрицательное сопротивление.
Как это работает? При включении питания в схеме возникают случайные шумы. Они запускают процесс: конденсаторы начинают заряжаться и разряжаться через катушку. Так как на резонансной частоте контур имеет высокое сопротивление, то именно на этой частоте затухание в нем минимально и колебание на этой частоте поддерживаются за счет положительной обратной связи.
От температурной стабильности элементов контура, как и в остальных генераторах, зависит стабильность всего генератора, а от его добротности зависит чистота спектра.
Емкость конденсатора С2 должна быть минимально возможная, чтобы уменьшить влияние остальной схемы на частоту контура.
А вот влияние С3 и С4 на работу генератора весьма неоднозначно. Конденсатор С3 передает часть напряжения из цепи эмиттера транзистора в цепь базы, осуществляя ПОС. Чем емкость С3 больше, тем больше глубина ПОС. Значение конденсатора С4 двояко: он входит вместе с С3 в емкостной делитель и определяет глубину ПОС вместе с С3, а с другой стороны С4 входит в цепь обратной связи в эмиттерной цепи транзистора. И действие С4 таково: с увеличением его емкости его емкостное сопротивление падает, а это ведет к уменьшению ПОС (уменьшается амплитуда колебаний в контуре), но одновременно уменьшается и глубина ООС, что ведет к увеличению усиления схемы.
Смоделируем эту схему:
Генератор работает на частоте около 6 МГц. Емкость С2 всего 5 пФ, а емкость С1 - 200 пФ, т.е. влияние С2 и всей схемы генератора на контур очень мало. Форма сигнала как в контуре. так и на эмиттере транзистора строго синусоидальны, а амплитуда сигнала на эмиттере, откуда его обычно снимают, 1,5 В.
Увеличиваю емкость С3 вдвое.
Величина сигнала и в контуре, и на эмиттере транзистора возросла, а на эмиттере наступило его ограничение. Увеличиваю в два раза емкость С4, чтобы уменьшить ПОС.
ПОС- то уменьшилась, но усиление увеличилось. Результат: размах сигнала на контуре достиг почти 100 В, а на эмиттере сигнал еще более ограниченным.
Отсюда вывод: чтобы получить хорошую форму сигнала на эмиттере, нужно здорово постараться, подбирая С3 и С4, а также подключить эмиттерный повторитель, чтобы не шунтировать эмиттерную цепь. Другой выход - снимать сигнал оттуда, где он заведомо синусоидальный, т.е. с контура через небольшую емкость и эмиттерный повторитель, или с небольшой части витков катушки. Вот как-то так:
Но при этом теряется одно из основных свойств этой схемы - катушка без отвода.
Иногда в интернете встречаются схемы таких генераторов, работающих в ГПД приемников, но вызывающие вопросы. Вот одна из них.
Схема гетеродина обведена пунктиром. Я попробовал ее смоделировать для диапазона 21 МГц.
Не будем говорить о форме сигнала, но размах колебаний на входе микросхемы 5 В! Обычно в микросхемах, где используются транзисторные смесители (ячейки Гилберта), амплитуда сигнала гетеродина не превышает 0,5 В, т.е. на порядок меньше.
А вот в этом приемнике все по уму.
Здесь и сигнал в катушке связи правильной формы и его амплитуду легко подобрать, изменяя место подключения отвода к катушке.
2. Генератор с индуктивной трёхточкой (генератор Хартли)
Это LC‑генератор, в котором частота колебаний задаётся резонансным контуром, а обратная связь обеспечивается отводом от катушки (индуктивный делитель напряжения).
Схема вроде и проще, чем емкостная трехточка, но катушка с отводом. А, главное, нужно правильно найти место отвода. Рекомендуют делать отвод примерно от 1/10 витков, считая от заземленного конца. Делитель R1,R2 устанавливает режим транзистора по постоянному току. Ток транзистора должен быть невелик - около 1 мА.
Размах синусоидальных колебаний на контуре 600 В, но это, конечно в реальности вряд ли будет из-за потерь в нем. Отвод примерно от 1/10 части основной катушки. И видно, что в эмиттерной цепи транзистора присутствует возбуждение на частоте, определяемой катушкой L2.
Убрать это возбуждение можно , включив в цепь эмиттера резистор, который создаст ООС по постоянному и переменному току, снизив усиление каскада.
Как видите, никакого возбуждения, а форма сигнала на отводе близка к синусоиде.
Есть мнение, что протекание тока через катушку ведет к ее нагреванию и ухода частоты генератора. Интересно, сколько тепла выделится одном -двух витков катушки, намотанной проводом 0.8 мм при протекании тока 1 мА? Думаю, не много :)). Но есть вариант и без постоянного тока через катушку.
Резисторы R3,R4 - это подстроечный резистор, с помощью которого можно регулировать глубину ПОС и амплитуду сигнала. Все хорошо, но синусоида не идеальна. О. мы забыли о конденсаторе С2. Он должен быть как можно меньше.
Синусоиды без выбросов, сигнал можно снимать как с эмиттера транзистора, так и с отвода катушки, амплитуда сигнала около 2 В, подойдут для любого смесителя.
Генератор Франклина.
Его ключевое преимущество в том, что он изначально строится так, чтобы минимизировать влияние усилительных каскадов на задающий элемент. В схеме два инвертирующих усилителя, а частоту задаёт отдельный избирательный элемент — высокодобротный LC-контур или, что ещё лучше для стабильности, кварцевый резонатор. Чтобы усилители не «размывали» частоту, их связь с избирательным элементом делают минимальной. Поэтому при грамотной реализации генератор Франклина способен показать заметно более высокую стабильность, чем трёхточки. Вот его модель.
Хоть стабильность этого генератора и выше, но снимать колебания можно только с катушки или ее части, да и сложнее он как по схеме, так и по налаживанию.
Генератор на аналоге лямбла - диода.
Такие генераторы работают за счет наличия на вольт-амперной характеристике (ВАХ) лямбда - диода или его аналога участка с отрицательным сопротивлением. А отрицательное сопротивление лямбда‑диода — это дифференциальное свойство, проявляющееся на определённом участке ВАХ. Оно возникает из‑за взаимного влияния двух полевых транзисторов и позволяет использовать схему в генераторах, усилителях и других устройствах, где нужна положительная обратная связь или компенсация потерь.
Подробности - в статье в журнале Радио №5 за 1996 год.
У этой простой схемы есть ряд недостатков: ограниченный частотный диапазон (до десятков мегагерц) из‑за инерционности полевых транзисторов; зависимость параметров от температуры и разброса характеристик транзисторов, и, соответственно желателен подбор комплементарной пары транзисторов (N‑ и P‑канальных).
Конечно, все перечисленные типы генераторов необходимо питать от стабилизированных источников питания, поэтому лучше рассчитывать генераторы на питание от 5 В, тогда, при общем напряжении питания приемника 12 В, можно использовать две ступени стабилизации: 9 В и 5 В.
Эти четыре типа генераторов не исчерпывают все их многообразие, как говориться, есть варианты.
Всем здоровья и успехов!