Генератору Хартли не нужны связанные катушки индуктивности

Изучите традиционные схемы генератора Хартли, и вы заметите их отличительную черту: катушку индуктивности с отводом, которая определяет частоту колебаний и обеспечивает обратную связь, поддерживающую колебания. Хотя рассчитать общую индуктивность, необходимую для данной частоты, можно легко, определение коэффициента связи k сопряжено с техническими трудностями и может потребовать экспериментальной оптимизации, иными словами, метода «проб и ошибок». В этой статье представлена альтернативная эквивалентная схема, позволяющая смоделировать схему перед созданием прототипа.

Рисунок 1.	Резонансный контур традиционного генератора Хартли состоит из катушки индуктивности с отводом и конденсатора (а). При учете взаимной связи между обмотками получается эквивалентная схема с отрицательной индуктивностью (б). Замена отрицательной индуктивности конденсатором дает легко моделируемую эквивалентную схему (в).

На Рисунке 1 показаны эквивалент настроенной схемы генератора Хартли и номиналы компонентов для частоты 18 МГц. Взаимная индуктивность равна

Формулы для эквивалентной схемы имеют вид:

и

Остальные формулы для эквивалентной схемы таковы:

и

К сожалению, истинно эквивалентная схема требует отрицательной индуктивности L_A. Однако для частот, близких к резонансной частоте f₀, отрицательную индуктивность можно заменить конденсатором, как на Рисунке 1в, где C_A заменяет L_A. Обратите внимание, что в эквивалентной схеме не были учтены паразитные сопротивления и емкости обмоток.

На Рисунке 2 показаны генератор и выходной буфер, построенные на основе эквивалентной схемы. Собранный макет схемы в целом работал так, как ожидалось после первоначального моделирования в Spice. Во время тестирования номиналы нескольких компонентов потребовали коррекции, и несколько итераций анализа в Spice в итоге привели к окончательной схеме.

Рисунок 2.	В этом 18-мегагерцовом генераторе с буферизованным выходом используется резонансный контур, работа которого не зависит от взаимной связи катушек индуктивности.

Резонансный контур схемы состоит из элементов L_B, L_C, C₄ и C₅, а также включает в себя емкость делителя напряжения C₆, C₇ и C₈ – примерно 6 пФ, включая входные емкости транзисторов Q₁ и Q₂ и некоторую паразитную емкость. Общая емкость контура 66 пФ приблизительно соответствует расчетному значению 67 пФ. Конденсаторы, подключаемые к резонансному контуру, должны иметь керамический диэлектрик с температурным коэффициентом NP0.

Катушки L_B и L_C намотаны на каркасе без сердечника; их оси расположены под прямым углом друг к другу, чтобы свести к минимуму паразитную связь. Однако на их индуктивности влияет вибрация, и в окончательной конструкции обе катушки должны быть намотаны либо на диэлектрических сердечниках, либо на тороидальных, если температурные коэффициенты индуктивности катушек на тороидальных сердечниках приемлемы для предполагаемого применения.

Описание конструкций обеих катушек можно найти в [1]; там же показано, как регулировкой расстояния между витками настроить генератор точно на 18 МГц. При более строгом подходе к конструированию можно измерить индуктивности катушек перед установкой, но паразитные эффекты могут потребовать некоторой дополнительной регулировки.

Емкостной делитель напряжения C₆, C₇ и C₈ обеспечивает нужные уровни сигналов, подаваемых на транзисторы Q₁ и Q₂. Поскольку эффективная емкость делителя, «видимая» колебательным контуром, составляет всего 6 пФ, оставшиеся 60 пФ, состоящие из C₄ и C₅, можно заменить конденсатором переменной емкости, если конструкция требует возможности перестройки частоты генератора. В этом примере выходной каскад, состоящий из транзистора Q₃ и связанных с ним компонентов, потребует модификации для расширения полосы пропускания, если диапазон перестройки генератора должен превышать ±2 МГц.

Положительная обратная связь, создаваемая конденсатором C₃, включенным между затвором 2 транзистора Q₁ и его истоком, обеспечивает дополнительное усиление и снижает и без того низкую входную емкость затвора 1 до значения, равного примерно 2.1 пФ [2]. Катушка L₂ индуктивностью 8.3 мкГн с сопротивлением постоянному току менее 2 Ом, включенная в исток транзистора Q₁, имеет относительно высокий импеданс на частоте 18 МГц и обеспечивает путь для постоянного тока от истока Q₁ к земле через резистор R₃. На частоте 18 МГц импеданс L₂ состоит из индуктивного сопротивления порядка 940 Ом и параллельного сопротивления около 3.5 кОм, что образует дроссель с очень низкой добротностью. При условии, что его индуктивность и реактивное сопротивление приблизительно соответствуют первоначальным значениям L₂, можно заменить L₂ дросселем физически меньшего размера. Свойства дросселя L₁ менее критичны, но он должен иметь низкую добротность от 4 до 6 и сопротивление постоянному току примерно 5 Ом или меньше. В качестве L₁ можно использовать стандартный дроссель, если он соответствует этим требованиям.

Истоковый повторитель Q₂ управляет выходным каскадом, в котором для преобразования выходной нагрузки 50 Ом в 285 Ом на коллекторе Q₃ используется П-образная согласующая цепь. Увеличение напряжения на затворе 2 транзистора Q₂ на половину выходного напряжения каскада с помощью конденсатора C₁₁ увеличивает усиление и динамический диапазон истокового повторителя, а также уменьшает его входную емкость.

Для регулировки уровня выходного сигнала схемы в примерном диапазоне от 0.9 В пик-пик до 1.5 В пик-пик при нагрузке 50 Ом можно использовать потенциометр R₁₅. При постоянной комнатной температуре около 23 °C частота остается стабильной, а схема, управляющая уровнем выходного сигнала, сохраняет устойчивость даже при отсутствии нагрузки на выходе. Для приложений с фиксированной частотой нагруженная добротность выходной цепи, равная 4, обеспечивает достаточную полосу пропускания, чтобы исключить необходимость перенастройки при небольших изменениях частоты.

Чтобы установить безопасный максимум уровня выходного сигнала, нужно подключить к выходу нагрузку 50 Ом, а затем настроить выходное напряжение равным 1.5 В пик-пик. Напряжение, приложенное между стоком и истоком транзистора Q₁, останется на безопасном уровне при любых нагрузках от 50 Ом до холостого хода, даже если уровень выходного напряжения увеличивается по мере увеличения сопротивления нагрузки. Чтобы не превысить максимально допустимое напряжение 12 В между стоком и истоком транзистора Q₁, установленное выходное напряжение при нагрузке 50 Ом не должно быть больше 1.5 В. Обратите внимание, что стабилитрон D₁ снижает напряжение на стоке Q₁, чтобы обеспечить дополнительный запас надежности.

В предыдущей статье [3] усиление генератора устанавливалось операционным усилителем и диодным выпрямителем, которые вырабатывали управляющее напряжение, подаваемое на затвор 2 транзистора Q₁. В данной конструкции той же цели служит простая пассивная цепь. Часть сигнала с коллектора транзистора Q₃ подается на удвоитель напряжения, состоящий из элементов D₂, D₃, C₂₀ и C₂₁. Часть отрицательного выходного напряжения удвоителя подается в точку соединения R₁₈ и C₁₉ – узел управляющего напряжения, куда через резистор R₁₇ также приходит положительное напряжение от потенциометра R₁₅, и результирующее напряжение задает уровень выходного сигнала. При включении схемы на затворе 2 транзистора Q₁ присутствует только положительное напряжение, и благодаря максимальному усилению Q₁ генератор легко запускается. По достижении установившегося режима управляющее напряжение уменьшается и поддерживает амплитуду колебаний, установленную регулятором выходного уровня.

Ссылки

1. Reed, Dana G, Editor, "Calculating Practical Inductors," ARRL Handbook for Radio Communications, 82nd Edition, American Radio Relay League, 2005, pg 4.32.
2. "Practical FET Cascode Circuits, Designing with Field-Effect Transistors," Siliconix Inc, 1981, pg 79.
3. Jim McLucas. Высокостабильный генератор гармонических колебаний 18 МГц с низкими искажениями и автоматической регулировкой уровня выходного сигнала.

Материалы по теме

1. Datasheet NXP BF998
2. Datasheet Vishay SD101C