Расчет задающего генератора на биполярном транзисторе с кварцевым резонатором

6. Расчет задающего генератора.

Главное требование, предъявляемое к задающему генератору – это высокая стабильность частоты, поэтому выбор типа возбудителя определяется исходя из заданной стабильности частоты. Возбудитель с кварцевым эталоном частоты могут обеспечить относительную нестабильность порядка 10^-6-10^-8 , а при использовании вакуумированных и термостатированных кварцевых генераторов – до 10^-10. Их выходная мощность оценивается величинами порядка единиц милливатт на частотах, не превышающих единиц мегагерц. При использовании таких возбудителей между ними  и первым усилителем СВЧ включается ряд умножителей частоты и усилителей мощности.

В качестве задающего генератора в данной работе используется автогенератор на биполярном транзисторе с кварцевым резонатором. Его структурная схема представлена на рис.6.1.

Рис.6.1.

Назначение согласующей цепи – создание обратной связи; обеспечение оптимального режима активного элемента (АЭ); преобразование последовательного резонанса кварца в параллельный резонанс на выходах АЭ, имеющего динамическую выходную ВАХ, для обеспечения устойчивого стационарного режима; селекция механических гармоник кварцевого резонатора. Желательно, чтобы колебания существовали только при наличии кварцевого резонатора и отсутствовали при его отключении или выходе из строя. Согласующая цепь должна удовлетворять и этому требованию.

В нашем случае, кварцевый резонатор вынесен в цепь обратной связи автогенератора. Частота колебаний, формируемых генератором, равна или близка к частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора. Он может иметь как индуктивное, так и емкостное сопротивление. Данная схема (рис.6.2.) используется для возбуждения КР как на основной, так и на нечетных механических гармониках. В этом случае элементы С_1К, С_2К, С_3К, L_К настраиваются на частоту выбранной гармоники. Мощность в нагрузке составляет 1..2 мВт.

Исходными данными для расчета задающего генератора являются:

мощность в нагрузке                                            1мВт;

частота последовательного резонанса КР           50МГц.

Параметры кварцевого резонатора:

нормированная статическая емкость                   65пФ;

частота КР                                                             17МГц.

мощность, рассеиваемая на КР                            2мВт.

Рис.6.2.

В качестве активного элемента  используем транзистор КТ311Г с параметрами:

граничная частота усиления                                          900МГц;

коэффициент передачи ОЭ                                            50;

объемное сопротивление базы                                       6Ом;                              

максимальная мощность рассеивания на коллекторе  0.15Вт;

максимальное допустимое напряжение U_КЭ                 15В;

максимальный допустимый ток коллектора                 20мА.

Зная все параметры можно приступить к расчету автогенератора.

Расчет электрического режима.

γ(θ) = 0,2;             θ = 60;                  cos(θ)=0,5;

α₀(θ)=0,22;           α₁(θ)=0,39;           P_КВ=2мВт.

Сопротивление кварцевого резонатора:

R_КВ=r_К=50 Ом;

Х_СВ = - r_К τ₀ = -50∙0,1= - 5 Ом.                                                           (6.1)

Ток через кварцевый резонатор:

(6.2)

Высота импульса коллекторного тока:

I_К1= α₁(θ)∙i_кm;        I_К= α₀(θ)∙i_кm;

(6.3)

Аппроксимированные параметры транзистора:

(6.4)

(6.5, 6.6)

(6.7)

Расчет параметров контура:

(6.8)

(6.9)

Коэффициент  æ=R/R_Х=X₂/X₁=C₁/C₂=120/136=1,33.

Здесь

(6.10)

По условию æ=0,2..2,2, что удовлетворяет последнему.

Наш автогенератор возбуждается на пятой гармонике кварца ω_К=320,4МГц, тогда выберем параметры контура исходя из этого условия.

Выбираем L_К=0,4мкГн, при этом индуктивное сопротивление

ω_КL_К = 320,4∙10⁶∙0,4∙10^-6=128Ом.                        (6.11)

Добротность контура выберем

Q_К= 50.

Сопротивление потерь в контуре:

(6.12)

Сопротивление потерь ветвей в контуре:

(6.13)

                                Х₂= æ Х₁ =1,133∙(-16,9) = - 21,5Ом;                            (6.14)

Х₃ = ξ ∙ r_К – Х1- Х₂ = - 0,15∙2,56-(-16,9)-(-21,5) = 37,5Ом.   (6.15)

Учитывая, что комплексное сопротивление контура                                 

(6.16)

где С_К – суммарная емкость контура, находим емкостное сопротивление контура:

1/(ω_К ∙С_К)= ω_К ∙ L_К – Х₃ = 90,8Ом.

Отсюда суммарная емкость контура:

С_К=1/(ω_К ∙90,8) =1/(320,4∙10⁶∙90,8) = 35∙10^-12 Ф.         (6.17)

Зададимся величинами С_1К = 140 пФ и С_2К = 180 пФ и определим величину емкости С_3К.

Проверим условие возникновения поразитных колебаний:

(6.18)

В нашем случае R=120ОМ,

Неравенство выполняется, следовательно поразитные колебания не возникают.

Проверим условие возникновения поразитных колебаний на частотах низших гармоник:

(6.19)

Поскольку КР возбуждается на частоте 5-ей гармоники, то частотой