Транзисторные генераторы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное  
учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Е. Н. Сидоренко, А. С. Махно, А. В. Шлома

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Учебное пособие
по специальному лабораторному практикуму  
«Радиофизическая электроника»
(специальность 03.03.03 Радиофизика)

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета

2021

УДК 621.373.1(075.8)
ББК 32.847.2я73
С 34

Печатается по решению кафедры радиофизики  
физического факультетаЮжного федерального университета 
(протокол № 19 от 19 февраля 2019 г.)

Рецензенты:

доктор физико-математических наук,  
заведующий кафедрой радиофизики  
Южного федерального университета Г. Ф. Заргано 
доктор физико-математических наук,  
профессор кафедры «Связь на железнодорожном транспорте»  
Ростовского государственного университета  
путей сообщения В. Н. Таран

Сидоренко, Е.Н.
Транзисторные генераторы : учебное пособие / 
Е. Н. Сидоренко, А. С. Махно, А. В. Шлома ; Южный феде-
ральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Изда-
тельство Южного федерального университета, 2021. – 150 с.

ISBN 978-5-9275-3819-5

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по 
направлению подготовки 03.03.03 Радиофизика по дисциплине «Радио-
физическая электроника», и содержит теоретические основы и рекомен-
дации по выполнению лабораторных работ по изучению принципа дей-
ствия, параметров и характеристик транзисторных генераторов, а также 
их практического применения.

ISBN 978-5-9275-3819-5 
УДК 621.373.1(075.8)
ББК 32.847.2я73

© Южный федеральный университет, 2021 
© Сидоренко Е. Н., Махно А. С., Шлома А. В., 2021
© Оформление. Макет. Издательство 
Южного федерального университета, 2021

Оглавление

Введение ................................................................................................................7

Тема 1.  ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ  
LC-ГЕНЕРАТОРА ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ .......8

1.1. Краткая теория.......................................................................9
1.1.1. Электронные генераторы и их классификация ......9
1.1.2. Основные узлы автогенератора  
и его структурные схемы ............................................................10
1.1.3. Принцип действия автогенератора ...........................14
1.1.4. Условия самовозбуждения генератора ....................15
1.1.5. Схема автогенератора с трансформаторной 
связью на биполярном транзисторе .....................................17
1.1.6. Дифференциальное уравнение автогенератора .22
1.1.7. Анализ дифференциального уравнения 
автогенератора ................................................................................25
1.1.8. Стационарный режим работы автогенератора ....28
1.1.9. Колебательная характеристика  
квазилинейной системы .............................................................34
1.1.10. Определение стационарной амплитуды 
колебания графическим методом ..........................................35
1.1.11. Мягкий и жесткий режимы самовозбуждения 
автогенератора ................................................................................37
1.1.12. Переходный режим автогенератора .......................41
1.1.13. Метод фазовой плоскости ............................................42
1.2. Краткая характеристика исследуемого макета ......44
1.3. Порядок выполнения лабораторной работы .......46
1.3.1. Исследование режимов самовозбуждения 
генератора .........................................................................................46
1.3.2. Исследование колебательных характеристик 
автогенератора ................................................................................49
1.3.3. Исследование переходного режима работы 
автогенератора ................................................................................51

1.3.4. Получение фазового портрета напряжения 
автогенератора ................................................................................52
Контрольные вопросы к теме 1 ..........................................53
Литература к теме 1 ...................................................................54

Тема 2.  ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ RC-ГЕНЕРАТОРА  
НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ...............................................55

2.1. Краткая теория.....................................................................56
2.1.1. Электронные генераторы и их классификация ....56
2.1.2. Структурная схема автогенератора ...........................57
2.1.3. Условия самовозбуждения генератора ....................58
2.1.4. Принцип работы автогенератора ...............................61
2.1.5. RC-генератор с фазосдвигающей RС-цепью ...........63
2.1.6. Транзисторный RС-автогенератор  
с последовательно-параллельной фазовращающей 
цепью обратной связи .................................................................67
2.1.7. Метод фазовой плоскости ..............................................72
2.2. Краткая характеристика исследуемого макета ....74
2.3. Порядок выполнения лабораторной работы ...76
2.3.1. Подготовка к работе ..........................................................76
2.3.2. Возбуждение генератора ................................................77
2.3.3. Проверка условий баланса амплитуд  
и баланса фаз ....................................................................................77
2.3.4. Стационарный режим работы генератора .............80
2.3.5. Генератор релаксационных колебаний  
и его исследование .......................................................................81
2.3.6. Переходный режим работы RC-генератора ...........81
2.3.7. Фазовый портрет напряжения RC-генератора .....81
Контрольные вопросы к теме 2 ..........................................82
Литература к теме 2 ...................................................................83

Тема 3.  ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ LC-ГЕНЕРАТОРА  
С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ..............................................85

3.1. Краткая теория.....................................................................86

3.1.1. Общие сведения о генераторах  
с внешним возбуждением  .........................................................86
3.1.2. Регенеративное усиление ...............................................87
3.1.3. Регенеративный приемник ............................................97
3.1.4. Синхронизация (захват частоты) ..............................101
3.1.5. Деление частоты ..............................................................104
3.2. Краткое описание исследуемого макета ...........109
3.3. Порядок выполнения лабораторной работы ....110
3.3.1. Исследование вольтамперной  
характеристики (ВАХ) полевого транзистора ................110
3.3.2. Определение критического значения  
взаимной индуктивности Мкр ................................................111
3.3.3. Изучение генератора в недонапряженном 
режиме. Регенеративное усиление ....................................112
3.3.4. Определение значения коэффициента 
регенерации генератора в недонапряженном  
режиме .............................................................................................113
3.3.5. Исследование амплитудной характеристики 
регенеративной схемы .............................................................114
3.3.6. Сравнение частотных характеристик 
регенерированного контура без и при наличии  
цепи обратной связи .................................................................115
3.3.7. Исследование генератора в жестком  
режиме .............................................................................................116
Контрольные вопросы к теме 3 .......................................117
Литература к теме 3 ................................................................118

Тема 4.  ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ  
ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ .......................................119

4.1. Краткая теория..................................................................120
4.1.1. Типы генераторов прямоугольных импульсов ..120
4.1.2. Режимы работы биполярных транзисторов .......125
4.1.3. Схема мультивибратора на биполярных 
транзисторах с коллекторно-базовыми связями .........127

4.1.4. Принцип действия мультивибратора  
на биполярных транзисторах  ...............................................128
4.1.5. Работа мультивибратора  .............................................131
4.1.6. Ждущий мультивибратор (одновибратор):  
схема и принцип действия ......................................................136
4.1.7. Работа ждущего мультивибратора ..........................137
4.1.8. Формирователь импульсов  
для запуска одновибратора ...................................................139
4.2. Лабораторная установка.............................................141
4.3. Порядок выполнения лабораторной работы ....143
4.3.1. Работа с мультивибратором .......................................143
4.3.2. Работа с дифференциальной цепочкой ................146
4.3.3. Работа с одновибратором............................................146
Контрольные вопросы к теме 4 .......................................148
Литература к теме 4 ................................................................148

Введение

Данное учебное пособие предназначено для студентов фи-
зического факультета. В сборнике содержится краткая теория, 
описание макетов и практические рекомендации для выполнения 
четырех лабораторных работ, которые включены в спецпракти-
кумы по курсам лекций «Радиофизическая электроника», «Ос-
новы радиофизической электроники» и «Схемотехника телеком-
муникационных систем». В 2008 г. небольшим тиражом вышли 
три раздельных методических пособия для лабораторных работ: 
«Изучение режимов работы LC-генератора гармонических коле-
баний», «Изучение работы RC-генератора на полевых транзисто-
рах» и «Изучение работы LC-генератора с внешним возбужде-
нием». А в 2015 г. было издано методическое пособие «Изучение 
работы генераторов прямоугольных импульсов». Каждый год 
более 80 студентов кафедры радиофизики, квантовой радиофи-
зики, теоретической физики и астрофизики ЮФУ выполняют 
лабораторные работы, используя эти пособия. Наряду с лекцион-
ными курсами, эти методические разработки способствуют по-
вышению уровня теоретических знаний студентов в области ра-
диоэлектроники и схемотехники, а также помогают приобретать 
практические навыки в работе с радиоаппаратурой и измеритель-
ными приборами. В данном учебном пособии за основу приняты 
вышеуказанные пособия, в которых устранены опечатки, добав-
лена теория, подкорректированы схемы и порядок выполнения 
лабораторных работ. 

Тема 1.  ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ LC-ГЕНЕРАТОРА 
ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Как и в механике, в радиоэлектронике легко получить колеба-
тельные системы. Простейшей из них является параллельный ко-
лебательный LC-контур, где возможно колебание электрических 
зарядов и напряжений на пластинах конденсатора, напряженности 
электрического поля и его энергии в конденсаторе, силы тока в контуре, 
индукции магнитного поля и его энергии в катушке индуктивности. 
Как и в механике, для возникновения колебаний в радиоэлектронике 
необходим источник энергии. Как энергия источника 
постоянного напряжения в колебательном LC-контуре превращается 
в энергию незатухающих гармонических колебаний – подробно 
рассматривается в данном модуле методического пособия. 
Цели работы:
1. 
Изучение принципа работы и устройства LC-автогенераторов 
гармонических колебаний.
2. 
Изучение структурных и принципиальных схем LC-генераторов 
на транзисторах.
3. 
Изучение теории самовозбуждения, стабильного и переходного 
режимов работы автогенератора.
4. 
Изучение особенностей мягкого и жесткого режимов работы 
автогенератора.
5. 
Дифференциальное уравнение LC-генератора на транзисторе, 
его анализ и следствия.
Задачи:
1. 
Овладение навыками измерения частоты автоколебаний с 
помощью частотомера и осциллографа, а также напряжения с 
помощью осциллографа и электронного вольтметра.
2. 
Овладение навыками самостоятельного получения вольтам-
перной и колебательной характеристик автогенератора.
3. 
Исследование работы генератора в мягком и жестком режимах.
4. 
Получение фазового портрета напряжения автогенератора.

Изучение режимов работы LC-генератора гармонических колебаний

1.1. Краткая теория

1.1.1. Электронные генераторы и их классификация

Электронный генератор – это устройство, в котором осуществляется 
преобразование энергии постоянного тока в энергию 
переменного тока требуемой амплитуды, частоты, формы и 
мощности. Электронный генератор – необходимое и очень часто 
применяемое устройство [5]. Он может применяться для различных 
целей как самостоятельный электронный прибор, но чаще является 
частью более сложных современных устройств. Генераторы 
обязательно входят в состав радиоприемников, радиопередатчиков, 
осциллографов, частотомеров, мультиметров, ЭВМ, калькуляторов 
и других жизненно необходимых нам устройств [6]. 
Различают два принципиально разных режима работы электронных 
генераторов – вынужденный и автоколебательный. 
В вынужденном режиме колебания в выходных цепях генератора 
возникают только при поступлении сигналов от внешнего 
устройства. В автоколебательном режиме колебания происходят 
без подведения внешнего переменного напряжения – такое 
устройство называют автогенератором или генератором с самовозбуждением [
5]. 
В зависимости от формы генерируемого сигнала различают 
генераторы:
 –
гармонических колебаний (они вырабатывают напряжение, амплитуда 
которого изменяется по закону синуса или косинуса);
 –
релаксационные (или импульсные) генераторы, вырабатывающие 
напряжение несинусоидальной формы.
В общем виде генерация синусоидальных колебаний представляет 
собой процесс, связанный с преобразованием частотного 
спектра (рис. 1), так как при генерации энергия источника 
постоянного тока преобразуется в энергию высокочастотных колебаний.

Тема 1

 

U
U

0
0 
 
0 


б) 
 
а) 

Рис. 1. Преобразование спектра при генерации:  
а) исходный спектр; б) спектр после преобразования

В зависимости от частоты генерируемых колебаний различают 
генераторы:
 –
низкочастотные (НЧ), вырабатывающие колебания в диапа-
зоне частот 20 Гц, 100 кГц;
 –
высокочастотные (ВЧ) – в диапазоне частот 100 кГц, 100 МГц;
 –
сверхвысокочастотные (СВЧ) – в диапазоне частот от 100 МГц 
и выше.
Являясь первоисточником электрических колебаний, автогенераторы 
широко используются в радиопередающих и радиоприемных 
устройствах, измерительной аппаратуре, электронных вычислительных 
машинах, устройствах телеметрии и т. д. В данной 
работе рассмотрен LC-автогенератор гармонических колебаний 
на полевом транзисторе [6]. 

1.1.2. Основные узлы автогенератора  
и его структурные схемы
Основным узлом большинства автогенераторов гармонических 
колебаний является колебательный контур, а генераторы, 
его содержащие, называются автогенераторами LC-типа. Вторым 
необходимым узлом автогенератора является источник энергии, 
который должен пополнять запасы энергии в колебательном  
контуре.
Однако непосредственное подключение источника постоянного 
тока к контуру не приводит к возникновению незату-

Изучение режимов работы LC-генератора гармонических колебаний

хающих колебаний, так как 
для поддержания колебаний в 
контуре энергию необходимо 
подавать отдельными порция-
ми синхронно с колебаниями 
тока в контуре. Для того чтобы 
в контур поступала пульсиру-
ющая энергия, требуется еще 
одно устройство – клапан (или 
регулятор), управляющий по-
ступлением энергии от источ-
ника постоянного тока в ко-
лебательный контур. Причем 
поступление энергии должно 
происходить синхронно с коле-
баниями электронов в контуре. 
Упрощенная схема такого ав-
тогенератора представлена на 
рис. 2 [4]. 
Рассмотрим типичный механизм автоколебаний, возникаю-
щий в схеме. При кратковременном замыкании цепи с помощью 
клапана К LC-контур соединяется с источником напряжения Е и 
конденсатор С заряжается до напряжения источника. При раз-
мыкании цепи теперь уже в изолированном LC-контуре возни-
кают свободные колебания электронов с собственной частотой 

0
1
LC
ω =
.
Однако так как в цепи имеется активное сопротивление 
катушки и подводящих проводов, то колебания будут затуха-
ющими, т. е. амплитуда напряжения (или тока) уменьшается 
со временем из-за неизбежных потерь энергии. Для получе-
ния незатухающих колебаний необходимо пополнение энергии 
LC-контура от источника напряжения. Для этого через некото-
рое время t = T (T – период колебания электронов в LC-кон-

K

E 

C 
L 

Рис. 2. Схема для рассмотрения 
процессов незатухающих колебаний  
в автогенераторе LC-типа:  
LC – параллельный колебательный 
контур, в котором возникают 
колебания электронов; E – источник 
постоянного напряжения; К – клапан, 
регулирующий подачу энергии  
от источника Е в колебательный 
контур

Тема 1

туре) с помощью клапана необходимо вновь кратковременно 
подключить источник к контуру и дозарядить конденсатор до 
напряжения источника. Далее процесс многократно повторяет-
ся [7]. 
Наиболее совершенными клапанами-регуляторами являются 
электронные лампы и транзисторы. Их работой управляет цепь 
обратной связи. Структурная схема LC-автогенератора гармони-
ческих колебаний представлена на рис. 3.

Колебательный 
контур
Регулятор

Источник 
постоянного 
напряжения

Цепь обратной связи

Рис. 3. Структурная схема LC-автогенератора гармонических колебаний

Схемы автогенераторов гармонических колебаний в боль-
шинстве случаев строятся на базе узкополосных усилителей с 
положительной обратной связью. Обобщенная схема генератора 
в этом случае может быть представлена в виде двух четырехпо-
люсников (рис. 4):
1. Усилитель с коэффициентом усиления 

 

вых

вх

,
U
U
K
U





   
(1)

где: 
U
K
 – комплексный коэффициент усиления усилителя по на-
пряжению; 
вх
U
  и 
вых
U
  – входное и выходное комплексные напря-
жения усилителя соответственно.
2. Четырехполюсник обратной связи с коэффициентом пере-
дачи 

 

ос

вых

,
U
U
 




   
(2)

где: 
ос
U
  – комплексное напряжение обратной связи.

Изучение режимов работы LC-генератора гармонических колебаний

Рис. 4. Обобщенная схема автогенератора

Часть этой схемы, относящейся к усилителю, иногда называ-
ют К-цепью, а часть схемы, относящейся к цепи обратной связи, – 
β-цепью. 
В свою очередь, узкополосный усилитель можно представить 
как устройство, состоящее из широкополосного усилительного 
элемента и избирательного по частоте четырехполюсника. Тог-
да более подробную структурную схему автогенератора можно 
представить в виде каскадного соединения трех четырехполюс-
ников (рис. 5) [7]. 

Рис. 5. Структурная схема автогенератора в виде трех четырехполюсников

Тема 1

Усилительный элемент представляет собой нелинейный че-
тырехполюсник – электронную лампу, транзистор, операцион-
ный усилитель и т. д. Амплитудная характеристика усилитель-
ного элемента U2 = f(U1) (зависимость выходного напряжения от 
входного) линейна лишь в области малых значений входных на-
пряжений.
В качестве избирательных по частоте четырехполюсников 
могут быть использованы: колебательный LC-контур, объемные 
резонаторы, пьезорезонаторы, RC-цепочки с резонансной зави-
симостью комплексного коэффициента передачи от частоты и др.
В данной работе в качестве усилительного элемента исполь-
зуется полевой транзистор, а в качестве избирательного четырех-
полюсника – параллельный колебательный LC-контур.

1.1.3. Принцип действия автогенератора
Механизм возникновения колебаний можно упрощенно 
трактовать следующим образом. В момент включения автогене-
ратора в колебательной системе самопроизвольно возникают сла-
бые свободные колебания, обусловленные включением источни-
ков питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжений 
в усилительном приборе и т. д. Благодаря специально введенной 
цепи положительной обратной связи часть энергии колебаний, 
возникающих на выходе усилителя, поступает на его вход. Ввиду 
наличия узкополосной (обязательно высокодобротной) колебательной 
системы все описанные процессы происходят только на 
одной частоте ω0 и резко затухают на других частотах.
Вначале, после включения питания автогенератора, усиление 
сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста 
амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные 
свойства усилительного элемента. В результате амплитуда 
выходных колебаний автогенератора достигает некоторого 
установившегося уровня и потом становится практически неизменной. 
Энергия, отбираемая усилителем у источника постоян-