RU2012124C1

RU2012124C1 - Sine oscillator

Info

Publication number: RU2012124C1
Authority: RU
Inventors: О.П. Ильин
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Мифотекс"
Priority date: 1991-03-05
Filing date: 1991-03-05
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: oscillator has active portion 1, which includes field transistor 2, the first bipolar transistor 3 and the first resistor 4, bipolar transistor 5, the second resistor 6, capacitors 7 and 13, common bus 8, inductance coil 9, power supply bus 10, output bus 11, the third resistor 12. EFFECT: higher oscillator efficiency. 1 dwg

Description

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. The invention relates to devices for generating electrical oscillations, in particular to devices generating oscillations using active elements having negative differential resistance, and can be used as master generators of radio transmitters, local oscillators of radio receivers, as well as in various radio measuring devices, for example, generator meters.

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). Generators of sinusoidal oscillations are known, containing an active element having negative differential resistance, and an oscillatory circuit in which, when the conditions for self-excitation of the generator are satisfied, sinusoidal oscillations are established (see, for example, I. Gonorovsky, Radio engineering circuits and signals. M.: Radio and Svyaz, 1986, p. 291. ... 293). As the active element in such generators, tunnel diodes are most often used (see, for example, Lukes Yu. Kh. Semiconductor diode circuits. Transl. From German: Energia, 1972, p. 234, Fig. 8-1, p. 318, Fig. 14-4, 14-5, 14-6) or electronic devices built on semiconductor devices that are turned on so that the current-voltage characteristic of these devices has a falling section (see, for example, Gota Kano, Hitoo Iwaza, Hiromitsu Takagi, Iwao Theramoto, Lambda diode - a multifunctional device with negative resistance. Electronics, 1975, N 13, p. 48.. 53, Fig.5a).

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. The disadvantage of generators built using tunnel diodes is the low level of output voltage not exceeding a fraction of a volt, while the current consumed by tunnel diodes is several tens of milliamps (see Semiconductor devices: diodes, thyristors, optoelectronic devices. Reference / Under general. Edited by N.N. Goryunov, M.: Energoatomizdat, 1983, p. 324. ... 331), as a result of which such generators have a low efficiency. Generators of the second type, which use equivalents of devices with negative differential resistance (see, for example, I. Nechaev. Lambda diode and its capabilities. Radio, 1984, N 2, p. 54, Fig. 3), can have significantly more low than in the previous case, the level of current consumption, but for their work requires a higher supply voltage.

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. A known generator of sinusoidal oscillations, selected as a prototype (see ed. St. USSR N 1695486, class H 03 B 7/02, published. 30.11.91), containing the active part, the output of which is connected to the oscillating circuit, between the output of the active part and its control input includes a series-connected amplitude detector and a DC amplifier on the transistor, the active part is made on field and bipolar transistors, a resistor and a diode, while the gate of the field-effect transistor is connected to the collector of the bipolar transistor and the power bus , the drain of the field-effect transistor is connected to the base of the bipolar transistor, the resistor is connected between the gate and the source of the field-effect transistor, and the diode is connected between the source of the field-effect transistor and the emitter of the bipolar transistor, while the control input of the active part is the source of the field-effect transistor.

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. In this generator, from a certain level of supply voltage, the output differential conductivity of the active part becomes negative, and when the self-excitation condition is met, sinusoidal oscillations are established in the generator, which are automatically maintained at a stationary level due to negative voltage feedback. This generator achieves a high efficiency by reducing the current consumption at the control input of the active part.

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. However, the supply voltage of this generator relative to the amplitude of the generated oscillations is quite high, since in this generator the negative differential conductivity of the active part of the generator is based on the diode of the active part in the region of the reverse branch of the current-voltage characteristic of the diode, while the high value of the reverse voltage applied to the diode , provides a more significant increment of the reverse current of the diode, and therefore a higher value of the absolute value of the output negative differential conductivity of the active part of the generator, which improves the conditions for its self-excitation. The relatively high value of the supply voltage, which reduces the efficiency, is the disadvantage of this generator.

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. The aim of the invention is to increase the efficiency of the generator of sinusoidal oscillations. The positive effect of the use of the invention is to reduce the power consumption of the equipment in which the generator is used, which will increase its efficiency, reliability, continuous operation time, reduce the weight and dimensions of the power sources.

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. This goal is achieved by the fact that in the generator of sinusoidal oscillations containing the active part, which is made on the field effect transistor, the first bipolar transistor and the first resistor, which is connected between the source and the gate of the field effect transistor, a DC amplifier, which is made on the second bipolar transistor, the base of which through a circuit consisting of a second resistor and a first capacitor connected in parallel, connected to a common bus, while the emitter of the first bipolar transistor is connected to a common bus through the inductor, the collector of the second bipolar transistor is connected to the source of the field-effect transistor, the gate of the field-effect transistor is connected to the collector of the first bipolar transistor and connected to the power line, the drain of the field-effect transistor is connected to the base of the first bipolar transistor, the emitter of which is the output of the third sinusoidal oscillator, the input which is connected between the base of the second bipolar transistor and the emitter of the first bipolar transistor, and the second capacitor, which is on chen between the gate and source of the FET.

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. The compliance of the claimed generator of sinusoidal oscillations with the criterion of "significant differences" is due to the presence of essential features consisting in the introduction of new elements, and the formation of a set of new connections between them, namely the introduction of a third resistor, which is connected between the base of the second bipolar transistor and the emitter of the first bipolar transistor, and a second capacitor that is connected between the gate and the source of the field effect transistor.

На чертеже представлена электрическая принципиальная схема генератора синусоидальных колебаний. The drawing shows an electrical circuit diagram of a generator of sinusoidal oscillations.

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. The sine wave generator contains the active part 1, which is made on the field effect transistor 2, the first bipolar transistor 3 and the first resistor 4, which is connected between the source and the gate of the field effect transistor 2, a DC amplifier, which is made on the second bipolar transistor 5, the base of which is through a circuit consisting of a second resistor 6 and a first capacitor 7 connected in parallel is connected to a common bus 8. The emitter of the first bipolar transistor 3 is connected to a common bus 8 through an inductor 9. Collectively p of the second bipolar transistor 5 is connected to the source of the field-effect transistor 2, the gate of the field-effect transistor 2 is connected to the collector of the first bipolar transistor 3 and connected to the power bus 10. The drain of the field-effect transistor 2 is connected to the base of the first bipolar transistor 3, the emitter of which is the output 11 of the sine wave generator . The third resistor 12 is connected between the base of the second bipolar transistor 5 and the emitter of the first bipolar transistor 3. The second capacitor 13 is connected between the gate and the source of the field-effect transistor 2. A positive polarity voltage is applied to the power bus 10 relative to the common bus 8.

Генератор синусоидальных колебаний работает следующим образом. The sine wave generator operates as follows.

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. When you turn on the supply voltage from the power bus 10 to the common bus 8 through the first bipolar transistor 3, the third resistor 12 and the second resistor 6, a current flows, creating a voltage drop on the second resistor 6 applied between the base and the emitter of the second bipolar transistor 5. At a low voltage value power supply, the voltage drop across the second resistor 6 is not enough to open the second bipolar transistor 5, so this transistor is closed. In this case, the gate and source of the field-effect transistor 2 are energized, so the field-effect transistor 2 is open and from the power bus 10, through the first resistor 4, the source-drain section of the field-effect transistor 2 flows the base current of the first bipolar transistor 3, which supports this transistor in the open state . A further increase in the supply voltage is accompanied by an increase in the current flowing through the first bipolar transistor 3, the second 6 and the third 12 resistors. However, starting from a certain threshold level of the supply voltage, the growth of current flowing through the first bipolar transistor 3 stops and begins to decline, since the voltage drop at the second resistor 6 reaches a level sufficient to open the second bipolar transistor 5. As a result of opening this transistor the voltage drop across the first resistor 4 increases, and consequently, the voltage applied between the source and the gate of the field-effect transistor 2, therefore, the field-effect transistor 2 starts to lock, when this m decreases the base current of the first bipolar transistor 3, and hence the collector current of this transistor. A further increase in the supply voltage leads to an even greater decrease in the collector current of the first bipolar transistor 3, as a result of which the differential conductivity of the active part 1 becomes negative.

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. The supply voltage at which the differential conductivity of the active part 1 is negative is the operating voltage of the generator, and its further operation occurs at a given supply voltage level. The threshold voltage level, starting from which the differential conductivity of the active part 1 of the generator is negative, is determined by the characteristics of the voltage divider formed by the second 6 and third 12 resistors, the resistance value of the first resistor 4 and the cut-off voltage of the field-effect transistor 2. As a result, the voltage is sufficient to open the second bipolar transistor 5 is a value of the order of 0.6. . . 0.8 V, the cut-off voltage of the field-effect transistor 2, depending on its specific type, ranges from fractions of a volt to several units of volts, the threshold voltage of the generator does not exceed several volts.

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. The voltage between the source and gate of the field-effect transistor 2 is also the voltage applied to the second capacitor 13, which is charged by the current flowing from the supply bus 10 to the common bus 8 through the second bipolar transistor 5. Therefore, after the second bipolar transistor 5 is unlocked, the field-effect transistor 2 is rapidly locked due to the charge of the second capacitor 13, the result of which is a decrease in the threshold voltage level at which the differential conductivity of the active part 1 of the generator becomes negative noy, since it does not require increasing the current flowing through the first resistor 4 connected between the source and gate of the FET 2, and, consequently, the supply voltage generator.

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. The oscillatory circuit of the generator is formed by an inductor 9 and a second capacitor 13. If the absolute value of the negative differential resistance introduced into this oscillatory circuit becomes equal to its resonant resistance, then the oscillator will establish sinusoidal oscillations of stationary amplitude. The second bipolar transistor 5, the second 6 and the third 12 resistors, the first capacitor 7 form a circuit for automatically stabilizing the amplitude of the generated oscillations. The charge time constant of the first capacitor 7, determined by the resistance value of the third resistor 12, is selected less than the discharge time constant specified by the resistance value of the second resistor 6, the discharge time constant of the first capacitor 7 is selected longer than the period of generated oscillations, therefore, the oscillations coming from the output of the generator 11 are converted a circuit consisting of a second 6 and a third 12 resistors, a first capacitor 7, into a constant voltage proportional to the amplitude of the generated oscillations. This voltage is supplied to the base of the second bipolar transistor 5. An increase or decrease in the amplitude of the generated oscillations causes a corresponding change in the collector current of the second bipolar transistor 5, and hence the voltage applied between the source and gate of the field-effect transistor 2. As a result, the absolute value of the negative differential resistance of the active part 1 of the generator is changed until the amplitude of the generated oscillations is not established at the initial level.

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. Thus, this generator of sinusoidal oscillations has a high efficiency achieved by reducing the threshold supply voltage at which the differential conductivity of the active part of the generator becomes negative. This will reduce the voltage supply of the generator, increase its efficiency. The use of such a generator in electronic equipment will reduce its power consumption, increase reliability, continuous operation time, reduce the mass and dimensions of power supplies.

Claims

A sinusoidal oscillator containing an active part that is made on a field-effect transistor, a first bipolar transistor and a first resistor that is connected between a source and a gate of a field-effect transistor, a DC amplifier, which is made on a second bipolar transistor, the base of which is through a circuit consisting of parallel-connected the second resistor and the first capacitor is connected to a common bus, while the emitter of the first bipolar transistor is connected to a common bus through an inductor, a collector of the second bipolar transistor is connected to the source of the field-effect transistor, the gate of the field-effect transistor is connected to the collector of the first bipolar transistor and connected to the power bus, the drain of the field-effect transistor is connected to the base of the first bipolar transistor, the emitter of which is the output of a sinusoidal oscillator, characterized in that, in order to increase of efficiency, a third resistor is introduced, which is connected between the base of the second bipolar transistor and the emitter of the first bipolar transistor, and a second capacitor that is connected between the gate and the source of the field effect transistor.