ГЕНЕРАТОР СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1994 года по МПК H03B7/02 

Изобретение относится к устройствам для генерирования электрических колебаний, в частности к устройствам, генерирующим колебания при помощи активных элементов, обладающих отрицательным дифференциальным сопротивлением, и может быть использовано в качестве задающих генераторов радиопередатчиков, гетеродинов радиоприемников, а также в различных радиоизмерительных устройствах, например генераторных измерителях.

Известны генераторы синусоидальных колебаний, содержащие активный элемент, обладающий отрицательным дифференциальным сопротивлением, и колебательный контур, в котором при выполнении условия по самовозбуждению генератора устанавливаются синусоидальные колебания (см. , например, Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М. : Радио и связь, 1986, с. 291. . . 293). В качестве активного элемента в таких генераторах наиболее часто используют туннельные диоды (см. , например, Лукес Ю. Х. Схемы на полупроводниковых диодах. Пер. c нем. М. : Энергия, 1972, с. 234, рис. 8-1, с. 318, рис. 14-4, 14-5, 14-6) или электронные устройства, построенные на полупроводниковых приборах, включенных так, что вольт-амперная характеристика этих устройств имеет падающий участок (см. , например, Гота Кано, Хитоо Иваза, Хиромицу Такаги, Ивао Терамото. Лямбда-диод - многофункциональный прибор с отрицательным сопротивлением. Электроника, 1975, N 13, с. 48. . . 53, рис. 5а).

Недостатком генераторов, построенных с использованием туннельных диодов, является низкий уровень выходного напряжения, не превышающий долей вольта, при этом ток, потребляемый туннельными диодами, составляет несколько десятков миллиампер (см. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / Под общ. ред. . Н. Н. Горюнова, М. : Энергоатомиздат, 1983, с. 324. . . 331), вследствие чего такие генераторы имеют невысокий коэффициент полезного действия. Генераторы второго типа, в которых используются эквиваленты приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением (см. , например, И. Нечаев. Лямбда-диод и его возможности. Радио, 1984, N 2, с. 54, рис. 3), могут иметь существенно более низкий, чем в предыдущем случае, уровень потребляемого тока, однако для их работы требуется и более высокое напряжение питания.

Известен генератор синусоидальных колебаний, выбранный в качестве прототипа (см. авт. св. СССР N 1695486, кл. H 03 B 7/02, опублик. 30.11.91), содержащий активную часть, к выходу которой подключен колебательный контур, между выходом активной части и ее управляющим входом включены последовательно соединенные амплитудный детектор и усилитель постоянного тока на транзисторе, активная часть выполнена на полевом и биполярном транзисторах, резисторе и диоде, при этом затвор полевого транзистора соединен с коллектором биполярного транзистора и шиной питания, сток полевого транзистора соединен с базой биполярного транзистора, резистор включен между затвором и истоком полевого транзистора, а диод включен между истоком полевого транзистора и эмиттером биполярного транзистора, при этом управляющим входом активной части является источник полевого транзистора.

В данном генераторе с определенного уровня напряжения питания выходная дифференциальная проводимость активной части становится отрицательной и при выполнении условия по самовозбуждению в генераторе устанавливаются синусоидальные колебания, которые благодаря отрицательной обратной связи по напряжению автоматически поддерживаются на стационарном уровне. В этом генераторе достигается высокий коэффициент полезного действия за счет уменьшения тока потребления по управляющему входу активной части.

Однако напряжение питания данного генератора относительно амплитуды генерируемых колебаний достаточно высоко, так как в этом генераторе получение отрицательной дифференциальной проводимости активной части генератора основано на работе диода активной части в области обратной ветви вольт-амперной характеристики диода, при этом высокое значение обратного напряжения, приложенного к диоду, обеспечивает более существенное приращение обратного тока диода, а следовательно, и более высокое значение абсолютной величины выходной отрицательной дифференциальной проводимости активной части генератора, что улучшает условия его самовозбуждения. Относительно высокое значение напряжения питания, снижающее коэффициент полезного действия, является недостатком данного генератора.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия генератора синусоидальных колебаний. Положительный эффект от использования изобретения заключается в снижении потребляемой мощности аппаратурой, в которой используется генератор, что позволит повысить ее экономичность, надежность, время непрерывной работы, уменьшить массу и габариты источников питания.

Поставленная цель достигается тем, что в генератор синусоидальных колебаний, содержащий активную часть, которая выполнена на полевом транзисторе, первом биполярном транзисторе и первом резисторе, который включен между истоком и затвором полевого транзистора, усилитель постоянного тока, который выполнен на втором биполярном транзисторе, база которого через цепь, состоящую из параллельно соединенных второго резистора и первого конденсатора, подключена к общей шине, при этом эмиттер первого биполярного транзистора подключен к общей шине через катушку индуктивности, коллектор второго биполярного транзистора соединен с истоком полевого транзистора, затвор полевого транзистора соединен с коллектором первого биполярного транзистора и подключен к шине питания, сток полевого транзистора соединен с базой первого биполярного транзистора, эмиттер которого является выходом генератора синусоидальных колебаний, введены третий резистор, который включен между базой второго биполярного транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, и второй конденсатор, который включен между затвором и истоком полевого транзистора.

Соответствие заявляемого генератора синусоидальных колебаний критерию "существенные отличия" обусловлено наличием существенных признаков, заключающихся в введении новых элементов, и образованием совокупности новых связей между ними, а именно: введение третьего резистора, который включен между базой второго биполярного транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, и второго конденсатора, который включен между затвором и истоком полевого транзистора.

На чертеже представлена электрическая принципиальная схема генератора синусоидальных колебаний.

Генератор синусоидальных колебаний содержит активную часть 1, которая выполнена на полевом транзисторе 2, первом биполярном транзисторе 3 и первом резисторе 4, который включен между истоком и затвором полевого транзистора 2, усилитель постоянного тока, который выполнен на втором биполярном транзисторе 5, база которого через цепь, состоящую из параллельно соединенных второго резистора 6 и первого конденсатора 7, подключена к общей шине 8. Эмиттер первого биполярного транзистора 3 подключен к общей шине 8 через катушку индуктивности 9. Коллектор второго биполярного транзистора 5 соединен с истоком полевого транзистора 2, затвор полевого транзистора 2 соединен с коллектором первого биполярного транзистора 3 и подключен к шине питания 10. Сток полевого транзистора 2 соединен с базой первого биполярного транзистора 3, эмиттер которого является выходом 11 генератора синусоидальных колебаний. Третий резистор 12 включен между базой второго биполярного транзистора 5 и эмиттером первого биполярного транзистора 3. Второй конденсатор 13 включен между затвором и истоком полевого транзистора 2. На шину питания 10 относительно общей шины 8 подается напряжение положительной полярности.

Генератор синусоидальных колебаний работает следующим образом.

При включении напряжения питания от шины питания 10 к общей шине 8 через первый биполярный транзистор 3, третий резистор 12 и второй резистор 6 протекает ток, создающий на втором резисторе 6 падение напряжения, приложенное между базой и эмиттером второго биполярного транзистора 5. При малом значении напряжения питания падение напряжения на втором резисторе 6 не достаточно для открывания второго биполярного транзистора 5, поэтому данный транзистор закрыт. При этом затвор и исток полевого транзистора 2 находятся под напряжением питания, поэтому полевой транзистор 2 открыт и от шины питания 10, через первый резистор 4, участок исток-сток полевого транзистора 2 протекает ток базы первого биполярного транзистора 3, поддерживающий этот транзистор в открытом состоянии. Дальнейшее увеличение питающего напряжения сопровождается ростом тока, протекающего через первый биполярный транзистор 3, второй 6 и третий 12 резисторы. Однако, начиная с некоторого порогового уровня питающего напряжения, рост тока, протекающего через первый биполярный транзистор 3, прекращается и начинается его спад, так как падение напряжения на втором резисторе 6 достигает уровня, достаточного для открывания второго биполярного транзистора 5. В результате открывания этого транзистора увеличивается падение напряжения на первом резисторе 4, а следовательно, и напряжение, приложенное между истоком и затвором полевого транзистора 2, поэтому полевой транзистор 2 начинает запираться, при этом уменьшается ток базы первого биполярного транзистора 3, а следовательно, и ток коллектора этого транзистора. Дальнейшее увеличение питающего напряжения приводит к еще большему уменьшению тока коллектора первого биполярного транзистора 3, в результате чего дифференциальная проводимость активной части 1 становится отрицательной.

Напряжение питания, при котором дифференциальная проводимость активной части 1 отрицательна, является pабочим напряжением генератора, и дальнейшее его функционирование происходит при данном уровне питающего напряжения. Уровень порогового напряжения, начиная с которого дифференциальная проводимость активной части 1 генератора отрицательна, определяется характеристиками делителя напряжения, образованного вторым 6 и третьим 12 резисторами, величиной сопротивления первого резистора 4 и напряжением отсечки полевого транзистора 2. В результате того, что напряжение, достаточное для открывания второго биполярного транзистора 5, составляет величину порядка 0,6. . . 0,8 В, напряжение отсечки полевого транзистора 2 в зависимости от его конкретного типа лежит в пределах от долей вольта до нескольких единиц вольт, пороговое напряжение питания генератора не превышает нескольких вольт.

Напряжение между истоком и затвором полевого транзистора 2 является одновременно и напряжением, приложенным к второму конденсатору 13, который заряжается током, протекающим от шины питания 10 к общей шине 8 через второй биполярный транзистор 5. Поэтому после отпирания второго биполярного транзистора 5 полевой транзистор 2 ускоренно запирается вследствие заряда второго конденсатора 13, результатом чего является снижение уровня порогового напряжения, при котором дифференциальная проводимость активной части 1 генератора становится отрицательной, так как при этом не требуется увеличения тока, протекающего через первый резистор 4, включенный между истоком и затвором полевого транзистора 2, а следовательно, и напряжения питания генератора.

Колебательный контур генератора образован катушкой индуктивности 9 и вторым конденсатором 13. Если абсолютная величина отрицательного дифференциального сопротивления, вносимого в этот колебательный контур, станет равна его резонансному сопротивлению, то в генераторе установятся синусоидальные колебания стационарной амплитуды. Второй биполярный транзистор 5, второй 6 и третий 12 резисторы, первый конденсатор 7 образуют цепь автоматической стабилизации амплитуды генерируемых колебаний. Постоянная времени заряда первого конденсатора 7, определяемая величиной сопротивления третьего резистора 12, выбрана меньше постоянной времени его разряда, задаваемой величиной сопротивления второго резистора 6, постоянная времени разряда первого конденсатора 7 выбрана больше периода генерируемых колебаний, поэтому колебания, поступающие с выхода 11 генератора, преобразуются цепью, состоящей из второго 6 и третьего 12 резисторов, первого конденсатора 7, в постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде генерируемых колебаний. Это напряжение поступает на базу второго биполярного транзистора 5. Увеличение или уменьшение амплитуды генерируемых колебаний вызывает соответствующее изменение коллекторного тока второго биполярного транзистора 5, а следовательно, и напряжения, приложенного между истоком и затвором полевого транзистора 2. В результате этого абсолютная величина отрицательного дифференциального сопротивления активной части 1 генератора изменяется до тех пор, пока амплитуда генерируемых колебаний не установится на первоначальном уровне.

Таким образом, данный генератор синусоидальных колебаний имеет высокий коэффициент полезного действия, достигнутый за счет снижения величины порогового напряжения питания, при котором дифференциальная проводимость активной части генератора становится отрицательной. Это позволит уменьшить величину напряжения питания генератора, повысить его экономичность. Применение такого генератора в радиоэлектронной аппаратуре позволит уменьшить потребляемую его мощность, повысить надежность, время непрерывной работы, уменьшить массу и габариты источников питания.

Использование: задающее генераторы радиопередатчиков, гетеродины радиоприемников, радиоизмерительные устройства. Сущность изобретения: генератор синусоидальных колебаний содержит активную часть 1, в которую входят полевой транзистор 2, первый биполярный транзистор 3 и первый резистор 4, биполярный транзистор 5, второй резистор 6, конденсаторы 7, 13, общую шину 8, катушку индуктивности 9, шину питания 10, выходную шину 11, третий резистор 12. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия генератора. 1 ил.

ГЕНЕРАТОР СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ, содержащий активную часть, которая выполнена на полевом транзисторе, первом биполярном транзисторе и первом резисторе, который включен между истоком и затвором полевого транзистора, усилитель постоянного тока, который выполнен на втором биполярном транзисторе, база которого через цепь, состоящую из параллельно соединенных второго резистора и первого конденсатора подключена к общей шине, при этом эмиттер первого биполярного транзистора подключен к общей шине через катушку индуктивности, коллектор второго биполярного транзистора соединен с истоком полевого транзистора, затвор полевого транзистора соединен с коллектором первого биполярного транзистора и подключен к шине питания, сток полевого транзистора соединен с базой первого биполярного транзистора, эмиттер которого является выходом генератора синусоидальных колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия, введены третий резистор, который включен между базой второго биполярного транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, и второй конденсатор, который включен между затвором и истоком полевого транзистора.