Главная » Статьи » Радиоэлектроника » Феномены

Иммитансная высокочастотная аномалия эмиттерного повторителя и двухполюсник отрицательного сопротивления на её основе
 

Иммитансная высокочастотная аномалия эмиттерного повторителя и радиоимпульсно-регенеративный двухполюсник отрицательного сопротивления на её основе — альтернатива традиционному применению транзистора   Смирнов Владимир Фёдорович, Россия, Тверская обл., г. Кимры, E–mail: svfru@ya.ru, Web-sait: smirnov.ucoz.com





Теоретически эмиттерный повторитель (ЭП) не может самовозбудиться, ведь коэффициент его усиления меньше 1. А значит, согласно критерию устойчивости Найквиста, ЭП должен обладать абсолютной устойчивостью – все точки пересечения годографа T(jω) c вещественной осью ReT никогда не пересекут критическую точку (+1, + j0) [1, рис. 8–128, а]. Или, говоря иначе, в ЭП для всех частот выполняется условие небаланса амплитуд |T(jωo)| < 1 [1, с. 287], когда самовозбуждение невозможно.

Банальной причиной самовозбуждения ЭП является недостаточная развязка по питанию [2, с. 121–125]. Импеданс в цепи коллектора Zк, включающий паразитную индуктивность шин питания, увеличивается с частотой, а импеданс в цепи эмиттера Zэ с частотой уменьшается из–за ёмкостной нагрузки. Поэтому на высоких частотах коэффициент усиления напряжения по коллекторной цепи транзистора будет велик: Ku ≈ Zк / Zэ. Чтобы исключить влияние паразитной индуктивности провода питания, необходимо между коллектором и общим проводом включить блокирующий конденсатор, ёмкостью много большей ёмкости в цепи эмиттера. Данный конденсатор (Сб на рис. 3) необходимо подключить как можно ближе к корпусу транзистора. Это явится гарантией того, что на высоких частотах коэффициент усиления транзистора со стороны коллектора всегда будет меньше единицы.

Иммитансная1высокочастотная аномалия ЭП [3, с. 197–201] заключается в том, что при некоторых сдвигах фаз в цепи нагрузки и в транзисторе вещественная часть входного импеданса может стать отрицательной. При этом если вход ЭП подключить к линии, имеющей индуктивную составляющую выходного импеданса, то схема будет генерировать на частоте, определяемой индуктивностью линии и входной ёмкостью ЭП при условии, что эта частота лежит в диапазоне частот аномалии 100 ‒ 750 МГц. Последствия, вызываемые аномалией, обычно представляются загадочными и необъяснимыми. Например, в области звуковых частот аномалия может проявляться инерционными, колебательными, нелинейными феноменами или как упорное нежелание той или иной схемы с ЭП правильно работать. В области цифровой техники аномалия – это "лишние" импульсы на фронтах. Для инструментального исследования аномалии требуются приборы с соответствующей частотной досягаемостью и, что крайне важно(!), имеющие ёмкость измерительного щупа не более единиц пикофарад.

Механизм возникновения иммитансной высокочастотной аномалии ЭП. На рис. 1 представлена эквивалентная схема ЭП. Далее: α0 – коэффициент усиления в схеме с общей базой (ОБ) на постоянном токе; α, β – коэффициенты усиления, соответственно, в схемах с общей базой (ОБ) и общим эмиттером на переменном токе; ωα – граничная частота транзистора в схеме с ОБ, когда α = 0,707 от α0.
Согласно рис. 1 сопротивление нагрузки ЭП

входное напряжение распределится:

Учитывая, что входной ток iвх= i б, обозначив Y = ωRC, входной импеданс ЭП:

По определению [3, рис. 4.31] частотная зависимость
Последовательно выполнив подстановки этих частотных зависимостей в множитель (1 + β) выражения (1), получим:

Обозначив в нём получим (1 + β) = (А – jВ).

Подставив этот результат в выражение (1), получим:

Второй член вещественной составляющей выражения (2):

Мнимая составляющая выражения (2):
Итоговое выражение (2) для входного импеданса:
Данное выражение записано в форме RjXси полностью совпадает с выражением, представленным в [3, c. 198].
Отметим, что первый и третий члены вещественной части уравнения (4) содержат значения сопротивлений базы и эмиттера и всегда положительны, однако числитель второго члена может быть отрицательным, если


На частотах, где отрицательное сопротивление второго члена вещественной части уравнения (4) превышает по величине сумму положительных сопротивлений первого и третьего членов, входной импеданс ЭП будет иметь отрицательную вещественную часть. Пример графика амплитудно-фазовой зависимости входного импеданса Zвх ЭП от частоты представлен на рис. 2.

В диапазоне от постоянного тока (ω = 0) и до частоты ω1 Zвх положительно, достигая максимума при ω = 0. В диапазоне от ω1 до ω2 вещественная часть Zвх отрицательна, а на частотах ω1 и ω2 равна нулю. Таким образом, иммитансная аномалия будет наблюдаться в диапазоне частот от ω1 до ω2, где ЭП со стороны вывода базы будет представлять собой двухполюсник с отрицательным вещественным сопротивлением. При этом в области частот аномалии, согласно критерию Найквиста, ЭП будет абсолютно устойчив, т. к. эти частоты близки к граничной частоте усиления транзистора, где его коэффициент усиления и подавно меньше 1.



Использование иммитансной аномалии ЭП. Если к базе ЭП (рис. 3) подключить линию L1, имеющую индуктивную составляющую выходного импеданса, то схема будет генерировать на частоте ω0, определяемой индуктивностью линии и входной ёмкостью ЭП, при условии, что эта частота лежит в диапазоне частот аномалии. Объясняется это тем, что согласно иммитансному критерию устойчивости [1, с. 288] резонансная цепь — линия L1 и входная ёмкость ЭП — теряет абсолютную устойчивость, если на частоте генерации ω0 будет происходить взаимная компенсация импедансов источника сигнала (линия L1 и входная ёмкость ЭП) и цепи с обратной связью (ЭП):

Zи( 0) + Zвх.цос( 0) = 0.

Это условие может быть записано в виде соответствующей системы уравнений реактивных и активных сопротивлений
Первое уравнение эквивалентно уравнению баланса фаз. Оно показывает, что ω0 представляет собой частоту последовательного резонанса индуктивности линии L1 с входной ёмкостью ЭП. Второе уравнение эквивалентно уравнению баланса амплитуд, и оно означает, что вся система не имеет абсолютной устойчивости, если на частоте последовательного резонанса ω0 во входном контуре происходит взаимная компенсация вещественных сопротивлений источника сигнала и цепи с обратной связью.

Эксперимент. По схеме рис. 3 соберём ЭП, который предположительно используется на звуковых частотах в составе усилителя постоянного тока между его предварительным и оконечным усилителями.

Назначение основных элементов. Блокировочная ёмкость Сб – устранение банальной причины самовозбуждения. Делитель R1, R2 – положение рабочей точки – эквивалент постоянного напряжения на выходе предварительного усилителя. С2 – эквивалент выходной ёмкости предварительного усилителя. L1 – эквивалент индуктивности линии, соединяющей выход предварительного усилителя с базой транзистора VT. С3, R5 – эквивалент входного импеданса оконечного усилителя.
Назначение элементов, поддерживающих чистоту эксперимента. C1 – предотвращает утечку тока на вход, R3 – устраняет влияние ёмкости входа, а R6 – выхода.
Подготовка. Номиналы элементов: линия L1 – 14 см провода ПЭВ 0,3 мм (в виде петли); С2 = 22 пикофарады; R4 – малогабаритный подстроечный резистор; С3 – подстроечный конденсатор на 6 ÷ 25 пикофарад. Подстроечные элементы С3 и R4 установим на минимум величины, R1 – на максимум, а R5 = 750 Ом. Для измерений необходим прибор с полосой в сотни мегагерц и щупом, входная ёмкость которого не превышает нескольких пикофарад.

Опыт 1: Самовозбуждение. Резистором R1 на эмиттере VT выставим половину напряжения питания. Проверим щупом наличие генерации на базе транзистора. Изменяя величину С3, R5 и R1 получим максимум напряжения колебаний самовозбуждения – десятые доли - единицы вольт. Частота первой гармоники обычно находится в области 130 ‒ 300 МГц. Резистором R1 можно симметрировать форму колебаний, а увеличением R4 – приблизить к синусоиде.

Опыт 2: Влияние самовозбуждения на полезный сигнал. Подключив к выходу самовозбуждающегося ЭП обычный осциллограф, подадим на вход тональный сигнал частотой 1 кГц, амплитуду которого будем постепенно увеличивать до тех пор, пока на вершинах синусоиды выходного сигнала ЭП не появятся искажения. Затем начнём увеличивать R4, чтобы нейтрализовать отрицательное входное сопротивление ЭП и сорвать генерацию в диапазоне частот аномалии ω1 ‒ ω2. При этом можно наблюдать, как исправляются вершины, и увеличивается размах синусоиды – вплоть до напряжения питания.
Уменьшив R4 до нуля, вновь восстановим самовозбуждение и, медленно вращая С3, станем наблюдать, как небольшие изменения этой ёмкости будут несоразмерно сильно (для частоты 1кГц) влиять на форму выходных колебаний. Такое влияние самовозбуждения на полезный сигнал можно объяснить взаимодействием нескольких сигналов в нелинейных цепях [4, с. 108].

Указанное явление необходимо учитывать в схемотехнике высококачественных усилителей звуковой частоты, так как оно является одной из причин «транзисторного» звучания.

Нейтрализовать отрицательное вещественное сопротивление ЭП можно одним из известных способов [3, рис. 4–33], наиболее простым из которых является подключение базы транзистора через безиндукционный резистор – подобно R4 на рис. 3. Ещё очень важно, чтобы длина линии L1 была минимально возможной – достигается рациональными компоновкой и монтажом.

Экспериментально было установлено, что когда ЭП самовозбуждается, то между точками A и B возникает двухполюсник с инвариантным (свободным для использования) отрицательным вещественным сопротивлением, начинающимся с нулевой частоты.
Для объяснения феномена к точкам A и B самовозбуждающегося (Опыт 1) ЭП была подключена последовательная внешняя (низкочастотная) LC-цепь, в которой почему-то возникла генерация на собственной резонансной частоте. Уточнив подстройки удалось получить почти синусоидальные колебания. С помощью прибора для исследования АЧХ типа Х1-42 было установлено, что спектр колебаний на базе транзистора характеризуется составляющими вида 0 ± 0, где ω0 частота высокочастотного самовозбуждения2, Ω0частота внешней резонансной LC-цепи, n и mкоэффициенты: 1,2,3…N. Из чего стало ясно – самовозбуждение носит условный (зависящий от уровня входного сигнала ЭП) характер, а подкачка энергии в LC-цепь происходит периодически в определённые моменты фазы радиоимпульсами с частотой заполнения ω0.
Внешнюю LC- цепь, присоединённую к точкам A и B, замыкают элементы L1, R4 и переход база-эмиттер транзистора, который обладает диодной нелинейностью. Данная схема представляет собой амплитудный детектор, сигнал на который поступает с линии L1, а интегрирующей (низкочастотной) нагрузкой является внешняя резонансная LC- цепь. В результате выпрямления колебаний тока, потенциал точки B начнёт расти в сторону питающего напряжения по резонансной кривой внешней цепи. В конце линейного участка амплитудной характеристики транзистора отрицательное сопротивление уменьшится, самовозбуждение прекратится, начнётся обратный процесс – резонансная отдача реактивной энергии из внешней цепи, что временно продолжит рост потенциала точки B. После исчерпания реактивной энергии ток внешней цепи изменит направление – начнётся падение потенциала точки B. Когда потенциал достигнет линейной области, вновь начнётся подкачка энергии. Падение потенциала точки B начнёт замедляться, остановится, и сменится ростом. Процесс станет периодическим – с частотой внешней резонансной цепи. Таким образом, механизм переноса отрицательного сопротивления в область нулевой частоты определяется явлением, которое можно охарактеризовать как радиоимпульсная регенерация.

На основе данного полезного продукта аномалии можно создать:
  1. LC-генератор и умножитель добротности.
  2. Кварцевый генератор. Получается, если к точкам A и B вместо LC- цепи присоединить кварцевый резонатор. При этом, согласно иммитансному критерию устойчивости, колебания возникнут на частоте последовательного резонанса кварца при компенсации его сопротивления потерь отрицательным вещественным сопротивлением двухполюсника. Кварцевый резонатор должен иметь частоту, значительно меньшую нижней частотной границы аномалии, чтобы входное сопротивление ЭП было наибольшим, и он мог выполнять свою обычную функцию усилителя тока. Генератор был испытан с кварцевыми резонаторами, имевшимися в наличии: 115 кГц – 8 МГц. Налаживание – с помощью обычного осциллографа с открытым входом, подключенного к выходу ЭП. Резистором R1 – установим половину напряжения питания. Регулируя R5, C3 ("величина отрицательного сопротивления”) и R1 ("симметрия формы”) получим ограниченную по максимуму синусоиду. Увеличивая R4 ("баланс амплитуд”), уменьшим размах колебаний до устранения ограничений синусоиды3. С высокодобротными кварцами может потребоваться увеличить величину R4 до 270 Ом. Или можно поступить иначе. Дискретно ‒ примерно на 10 % за каждый раз ‒ укорачивать длину линии L1, повторяя при этом подстройку элементов. При этом длина линии L1 может снизиться до нескольких сантиметров, а частота самовозбуждения ω0 – увеличиться в
    несколько раз. Настройку можно считать законченной, когда синусоида имеет максимальный размах и едва заметную асимметрию. Характерной особенностью данного генератора является "нежный” характер возбуждения кварцевого резонатора и стабильность, свойственная ЭП.
  3. Гармониковый кварцевый генератор (не испытан). Генератор (п. 2) двухчастотный, а значит, условия возникновения колебаний двух частот взаимозависимы. Таким образом, если частоту самовозбуждения ω0 в области аномалии выбрать такую, чтобы она была кратна основной (или нечётной) частоте кварца, то должен возникнуть режим радиоимпульсного умножения частоты. При этом один период кварцованной частоты будет вызывать появление N периодов частоты ω0 самовозбуждения. Радиоимпульсы можно снимать с базы транзистора через ёмкость в единицы пикофарад. В качестве линии L1 лучше, видимо, использовать спиральный резонатор, отрезок коаксиальной или полосковой линии.
  4. Генераторы инфранизкой и звуковой частоты. К точкам A и B и общему проводу присоединить цепь, показанную на рис. 4. Величина R7 здесь влияет и на частоту и на амплитуду колебаний. Если С5 = С6 = 2 микрофарады, то частота – единицы герц. Съём колебаний с ёмкости С6 выгодно отличается дополнительным подавлением колебаний самовозбуждения. При меньших ёмкостях конденсаторов С5 и С6 данный генератор работоспособен в звуковом диапазоне частот.
  5. Сенсорный датчик. Если линию L1 генератора звуковой частоты (п. 4) выполнить в виде плоской катушки или бухточки из изолированного провода, то прикосновение к ней пальцем можно идентифицировать по срыву генерации.
  6. Естественное отрицательное входное сопротивление ЭП в диапазоне частот аномалии, видимо, можно использовать в антенной технике.

Испытания показали, что устройства на основе иммитансной неустойчивости отличаются высокой повторяемостью, надёжностью и долговременной стабильностью.
Существенный недостаток – паразитное радиоизлучение и необходимость экранирования.


Литература
  1. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. Под ред. Б. Х. Кривицкого. В 2-х т. Т. 2, М., "Энергия", 1977.
  2. Г. Отт. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. Пер. с англ. Б. Н. Бронина. Под редакцией канд. техн. наук М. В. Гальперина. М., "Мир”, 1979.
  3. Справочник по полупроводниковой электронике. Под ред. Л. П. Хантера. Сокращённый пер. с англ. Под ред. д–ра техн. наук С. П. Шаца и канд. техн. наук И. И. Литвинова. М., "Машиностроение”, 1975.
  4. Андреев В. С. Теория нелинейных электрических цепей: Учебное пособие для вузов.М.: Радио и связь, 1982.



1. Иммитанс – обобщённое понятие проводимости или сопротивления. В [3, с. 197–201] речь идёт о том, что «При использовании эмиттерных повторителей в логических схемах или в качестве мощных возбудителей в них иногда возникает генерация или искажения выходного сигнала...». Тема настоящей статьи — исследование указанного вредного явления, защита от него и попытка воспользоваться им для создания ряда полезных устройств. «Иммитансная высокочастотная аномалия ЭП» — формулировка, наиболее точно и ёмко выражающая суть явления.

2. Находится в области частот аномалии.

3. Возможно, учитывая взаимозависимость регулировок, придётся вернуться к началу и повторить настройку.

 
Категория: Феномены | Добавил: Инсайт (20.11.2010) | Автор: Смирнов Владимир Фёдорович E W
Просмотров: 3256 | Теги: транзисторное звучани, искажения в усилителях, двухполюсник отрицательного сопроти, иммитансная высокочастотная аномали | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Copyright MyCorp © 2019 Бесплатный конструктор сайтов - uCoz