Автогенератор в виде контура с отрицательным дифференциальным сопротивлением (туннельный диод)

Второй идеей получения незатухающих колебаний является внесение в колебательный контур отрицательного дифференциального сопротивления. Свободные колебания в контуре описываются выражением . При добавлении в контур последовательного сопротивления R _д R _экв= r _к+ R _д, где r _к – собственное сопротивление контура (сопротивление индуктивности). Если R _д<0 и | R _д|³ r _к, то R _экв £0 и колебание в контуре затухать не будут.

Рис.6.8.

При параллельном дифференциальном сопротивлении и при R _д<0 и также R _экв £ 0. В качестве дифференциального сопротивления применяют туннельные диоды, лавинно – пролётные диоды (ЛПД) и диоды Ганна (ДГ). Схемы генераторов на туннельных диодах приведены на рис.6.8. Изменением напряжения питания диод устанавливается на середину падающего участка характеристики (точка U ₀).

Генераторы на туннельных диодах используются в сверхвысокочастотной области. Анализ показывает, что генератор на усилителе с положительной обратной связью также можно трактовать как генератор в виде контура с отрицательным дифференциальным сопротивлением, которым является транзистор или лампа с положительной обратной связью. (Увеличение коллекторного тока в транзисторе сопровождается увеличением напряжения на базе и соответственно уменьшением коллекторного напряжения).

6.4 Стабилизация частоты в автогенераторах.

Наиболее важным требованием, предъявляемым к автогенераторам, является высокая стабильность частоты выходных колебаний. Это связано с тем, что во время работы автогенератора частота колебаний может изменяться под воздействием различных дестабилизирующих факторов: изменений температуры, влажности и напряжения питания, наличия внешних электромагнитных полей, механических воздействий, что проявляется в изменениях величин индуктивностей, емкостей и сопротивлений, входящих в состав колебательных контуров и частотно- избирательных RC -цепей.

Относительная нестабильность частоты определяется коэффициентом нестабильности D f' / f_p или D f '/ f_k. При расчете коэффициентов нестабильности используют следующие формулы:

для LC -генераторов D f' / f_p =-0.5(D L / L +D C / C); для RC -генераторов D f'/f_k =(D R / R +D C / C).

Здесь параметры D L, D C, D R — величины изменений индуктивностей, емкостей и сопротивлений от номинальных значений. В схемах автогенераторов гармонических (часто и импульсных) колебаний применяют два основных способа стабилизации частоты: параметрический и кварцевый.

Параметрический способ стабилизации частоты заключается в ослаблении влияния дестабилизирующих факторов и подборе высокочастотных и прецизионных элементов колебательных контуров автогенераторов. Для исключения влияния температуры на параметры усилительных элементов автогенераторы в отдельных случаях помещают в термостаты. Уменьшение влияния механических воздействий обеспечивает применение печатного монтажа и проводов индуктивностей, вжигаемых в керамику. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10^-5 (уход частоты на D f ' =10 Гц при частоте генерируемых колебаний f = 1 МГц).

Кварцевая стабилизация частоты основана на применении в электрических схемах вместо LC -контуров кварцевого резонатора, что позволяет снизить нестабильность частоты колебаний автогенератора до 10^-7 (отклонение частоты на D f' =0,1 Гц при частоте генерируемых колебаний f=1 МГц). Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержатель тонкую пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла и металлизированы тонким слоем серебра. Известно, что при воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему, по эквивалентной схеме совпадающую с обычным колебательным LC -контуром (рис.6.9.а).

Рис.6.9.

Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колебательного контура она не превышает 300...400. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обусловливают достаточно высокую стабильность частоты кварцевых резонаторов. При расчетах кварцевый резонатор представляют эквивалентной схемой, в которой элементы L _Q, C _Q и R _Q характеризуют, соответственно, индуктивность, емкость и омические потери собственно кварца. Емкость С _ок отражает наличие кварцедержателя. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты x (f) приведена на рис.6.9.б). Она имеет два резонанса: последовательный на частоте f ₁ и параллельный на частоте f ₂. Последовательный резонанс обеспечивают элементы L _Q и С _Q отражающие резонансную частоту кварца . Параллельный резонанс в устройствах с кварцевым резонатором практически не используется.