Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Транзисторные генераторы

Покупка
Новинка
Основная коллекция
Доступ онлайн
225 ₽
В корзину
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 03.03.03 Радиофизика по дисциплине «Радиофизическая электроника», и содержит теоретические основы и рекомендации по выполнению лабораторных работ по изучению принципа действия, параметров и характеристик транзисторных генераторов, а также их практического применения.
Сидоренко, Е. Н. Транзисторные генераторы : учебное пособие / Е. Н. Сидоренко, А. С. Махно, А. В. Шлома ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. - 150 с. - ISBN 978-5-9275-3819-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1894434 (дата обращения: 09.12.2022). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
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 федеральный 
университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
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 «Радиофизическая 
электроника», и содержит теоретические основы и рекомендации 
по выполнению лабораторных работ по изучению принципа действия, 
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 физического 
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», «Основы 
радиофизической электроники» и «Схемотехника телекоммуникационных 
систем». В 2008 г. небольшим тиражом вышли 
три раздельных методических пособия для лабораторных работ: 
«Изучение режимов работы LC-генератора гармонических колебаний», «
Изучение работы RC-генератора на полевых транзисторах» 
и «Изучение работы LC-генератора с внешним возбуждением». 
А в 2015 г. было издано методическое пособие «Изучение 
работы генераторов прямоугольных импульсов». Каждый год 
более 80 студентов кафедры радиофизики, квантовой радиофизики, 
теоретической физики и астрофизики ЮФУ выполняют 
лабораторные работы, используя эти пособия. Наряду с лекционными 
курсами, эти методические разработки способствуют повышению 
уровня теоретических знаний студентов в области радиоэлектроники 
и схемотехники, а также помогают приобретать 
практические навыки в работе с радиоаппаратурой и измерительными 
приборами. В данном учебном пособии за основу приняты 
вышеуказанные пособия, в которых устранены опечатки, добавлена 
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 колебательные 
системы. Простейшей из них является параллельный колебательный 
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 диапазоне 
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 порциями 
синхронно с колебаниями 
тока в контуре. Для того чтобы 
в контур поступала пульсирующая 
энергия, требуется еще 
одно устройство – клапан (или 
регулятор), управляющий поступлением 
энергии от источника 
постоянного тока в колебательный 
контур. Причем 
поступление энергии должно 
происходить синхронно с колебаниями 
электронов в контуре. 
Упрощенная схема такого автогенератора 
представлена на 
рис. 2 [4]. 
Рассмотрим типичный механизм автоколебаний, возникающий 
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 размыкании 
цепи теперь уже в изолированном LC-контуре возникают 
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 затухающими, 
т. е. амплитуда напряжения (или тока) уменьшается 
со временем из-за неизбежных потерь энергии. Для получения 
незатухающих колебаний необходимо пополнение энергии 
LC-контура от источника напряжения. Для этого через некоторое 
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 повторяется [
7]. 
Наиболее совершенными клапанами-регуляторами являются 
электронные лампы и транзисторы. Их работой управляет цепь 
обратной связи. Структурная схема LC-автогенератора гармонических 
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 большинстве 
случаев строятся на базе узкополосных усилителей с 
положительной обратной связью. Обобщенная схема генератора 
в этом случае может быть представлена в виде двух четырехполюсников (
рис. 4):
1. Усилитель с коэффициентом усиления 

 

вых

вх

,
U
U
K
U





   
(1)

где: 
U
K
 – комплексный коэффициент усиления усилителя по напряжению; 

вх
U
  и 
вых
U
  – входное и выходное комплексные напряжения 
усилителя соответственно.
2. Четырехполюсник обратной связи с коэффициентом передачи 

 


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 называют 
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. Тогда 
более подробную структурную схему автогенератора можно 
представить в виде каскадного соединения трех четырехполюсников (
рис. 5) [7]. 

Рис. 5. Структурная схема автогенератора в виде трех четырехполюсников
Тема 1

Усилительный элемент представляет собой нелинейный четырехполюсник – 
электронную лампу, транзистор, операционный 
усилитель и т. д. Амплитудная характеристика усилительного 
элемента U2 = f(U1) (зависимость выходного напряжения от 
входного) линейна лишь в области малых значений входных напряжений.

В качестве избирательных по частоте четырехполюсников 
могут быть использованы: колебательный LC-контур, объемные 
резонаторы, пьезорезонаторы, RC-цепочки с резонансной зависимостью 
комплексного коэффициента передачи от частоты и др.
В данной работе в качестве усилительного элемента используется 
полевой транзистор, а в качестве избирательного четырехполюсника – 
параллельный колебательный LC-контур.

1.1.3. Принцип действия автогенератора
Механизм возникновения колебаний можно упрощенно 
трактовать следующим образом. В момент включения автогенератора 
в колебательной системе самопроизвольно возникают слабые 
свободные колебания, обусловленные включением источников 
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-
  • document_id: 415216
  • product_id: 1894434
  • ins_time: 2022-06-09 00:55:11
  • upd_time: 2022-06-09 00:55:11
  • upp_upd_date: 2022-06-08
  • Full PDF: WARN Путь не доступен (не определен) /mnt/znanium_fullpdf/booksfull/done/1894/1894434.pdf
  • PDF pages: WARN Количество страниц документа (150) не соответствует физическому наличию (151). Путь /mnt/resources/resources/1894/1894434/pdf
  • XML pages: WARN Количество страниц документа (150) не соответствует физическому наличию (151). Путь: /mnt/resources/resources/1894/1894434/xml
  • text *.idx: WARN idx файл отсутствует. Текст страниц не доступен (Не смог создать вычищенный текст -- отсутствует необработанный)
  • Full text: OK /mnt/resources/resources/1894/1894434/txt/1894434.txt
  • Оглавления: OK Путь /mnt/resources/resources/1894/1894434/txt/1894434.toc.txt
Доступ онлайн
225 ₽
В корзину