Автогенератор класу е

Реферат: Автогенератор класу Е містить активний елемент (транзистор), що працює в ключовому режимі, один вивід транзистора включений до загального проводу, до другого виводу підключені захисний діод і два опори, один приєднано до джерела живлення, інший - до загального проводу, і на цей вивід (затвор або базу) подається сигнал зворотного зв'язку. До третього виводу (стоку або колектора) одним кінцем приєднані дросель, інший кінець дроселя підключений до джерела живлення, перша (що шунтує) ємність іншим виводом приєднана до загального проводу і вихідна ланка, у складі якої включені послідовно друга ємність і перша індуктивність, до другого кінця якої приєднані опір навантаження та третя ємність, до другого кінця якої підключені четверта ємність, другим виводом приєднана до загального проводу, і друга індуктивність. До другої індуктивності приєднані п'ята ємність, іншим кінцем приєднана до загального проводу, третя індуктивність, інший вивід якої приєднано до шостої ємності, яка другим виводом підключена до загального проводу, і четвертої індуктивності, інший вивід якої приєднано до другого виводу (входу) транзистора. UA 113374 U (54) АВТОГЕНЕРАТОР КЛАСУ Е UA 113374 U UA 113374 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі радіотехніки, конкретно до високочастотних і надвисокочастотних автогенераторів, що працюють в ключовому режимі при виконанні певних умов, які зв'язують параметри управління активним елементом, імпеданс вихідного ланцюга, що узгоджує, на частотах основної і вищих гармонік і активний опір навантаження - автогенераторів класу Е [1, 2]. Автогенератори класу Е побудовані на базі підсилювача потужності класу Е, який охоплено зворотнім зв'язком, до їх переваг відносять високий коефіцієнт корисної дії (ККД), простоту конструкції і точний опис роботи, що дозволяє конструювати автогенератори на основі точного алгоритму. Високий ККД автогенератора класу Е обумовлений виконанням режиму переключення при нульовій напрузі (ПНН), що істотно знижує комутаційні втрати [1, 2]. Одним із недоліків автогенераторів потужності класу Е є відносно низька стабільність частоти та підвищений рівень шумів вихідного сигналу, що обумовлено низькою добротністю коливальної системи автогенератора, зокрема кола зворотного зв'язку. Для підвищення стабільності частоти, яку генерують автогенератори, використовують високодобротні резонатори (коливальні контури), які стабілізують частоту генерації при їх включенні до кола зворотного зв'язку. Але використання таких контурів у автогенераторах класу Е ускладнюється потребою мати значний сигнал на вході активного елемента для забезпечення його роботи у ключовому режимі. Тому таке рішення не є оптимальним для автогенераторів класу Е. Іншим методом є використання як кола зворотного зв'язку відрізку лінії передачі [3, 4], яка з'єднує вихід підсилювача з його входом. Це рішення не може використовуватися на високих частотах на відміну від надвисокочастотних, тому що фізична довжина лінії буде значною. Для підвищення добротності коливальної системи автогенератора класу Е можна застосувати і інші схемні рішення, які призводять до підвищення добротності (Q) ланки зворотного зв'язку [5]. Найбільш близьким є пристрій, описаний у [2], який містить активний елемент (транзистор), що працює в ключовому режимі, один вивід транзистора включений до загального проводу, до другого виводу підключені захисний діод і два опори, один приєднано до джерела живлення, інший - до загального проводу, і на цей вивід (затвор або базу) подається сигнал зворотного зв'язку, до третього виводу (стоку або колектора) одним кінцем приєднані дросель, інший кінець дроселя підключений до джерела живлення, перша (що шунтує) ємність іншим виводом приєднана до загального проводу і вихідна ланка, у складі якої включені послідовно друга ємність і перша індуктивність, до другого кінця якої приєднані опір навантаження та третя ємність, до другого кінця якої підключені четверта ємність, другим виводом приєднана до загального проводу, і друга індуктивність, яка другим виводом приєднана до другого виводу транзистора. Перевагою цього автогенератора є високий ККД на центральній частоті. Недоліком цього пристрою є чутливість вихідної частоти до дестабілізуючих факторів: зміни напруги живлення, дії сторонніх сигналів та інше. У основу корисної моделі поставлена задача підвищення стабільності частоти потужного автогенератора класу Е з високим ККД шляхом удосконалення схеми - зміни кола зворотного зв'язку. Таке рішення буде корисне при побудові як енергетичних пристроїв, так і систем зв'язку, оскільки буде забезпечено зменшення рівня фазових шумів пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в автогенераторі класу Е, який містить активний елемент (транзистор), що працює в ключовому режимі, один вивід транзистора включений до загального проводу, до другого виводу підключені захисний діод і два опори, один приєднано до джерела живлення, інший до загального проводу, і на цей вивід (затвор або базу) подається сигнал зворотного зв'язку, до третього виводу (стоку або колектора) одним кінцем приєднані дросель, інший кінець дроселя підключений до джерела живлення, перша (що шунтує) ємність іншим виводом приєднана до загального проводу і вихідна ланка, у складі якої включені послідовно друга ємність і перша індуктивність, до другого кінця якої приєднані опір навантаження та третя ємність, до другого кінця якої підключені четверта ємність, другим виводом приєднана до загального проводу, і друга індуктивність, згідно з корисною моделлю, до другої індуктивності приєднані п'ята ємність, іншим кінцем приєднана з загальним проводом, третя індуктивність інший вивід якої приєднано до шостої ємності, яка другим виводом підключена до загального проводу, і четвертої індуктивності, інший вивід якої приєднано до точки з'єднання другого вивода (входу) транзистора. На фіг. 1 показана схема пристрою, що заявляється, на фіг. 2 - узагальнена схема автогенератора, визначення навантажувального імпедансу (а), його зміни при зміні частоти, та обчислення похідної від логарифмічного імпедансу (б), на фіг. 3 - експериментальні форми напруги на стоку транзистора та на навантаженні. 1 UA 113374 U 5 10 15 20 25 Пристрій містить активний прилад (транзистор) 1, одним виводом транзистор підключений до загального проводу, на другий вивід транзистору (вхід - затвор або базу) приєднано дільник з опорів 2 і 3 (приєднаних відповідно до блока живлення 4 та загального проводу) та захисний діод 5 і подається сигнал зворотного зв'язку, до третього виводу транзистора (стоку або колектора) підключені дросель живлення 6, другим кінцем підключений до блока живлення 4, перша ємність, що шунтує, 7, і перша індуктивність вихідної ланки 8, другим кінцем приєднана до другої ємності 9, до другого кінця якої приєднані опір навантаження 10 і друга ємність 11, до другого виводу якої приєднані четверта ємність 12, другим виводом підключена до загального проводу, і друга індуктивність 13, до іншого кінця якої приєднана п'ята ємність 14, іншим кінцем підключена до загального проводу, і третя індуктивність 15, до іншого кінця якої приєднані шоста ємність 16, другим виводом підключена до загального проводу, і четверта індуктивність 17, другим кінцем приєднана до другого виводу (входу) транзистора. Пристрій працює таким чином: при вмиканні джерела живлення внаслідок вибору опорів 2 та 3 активний елемент (транзистор) 1 опиняється у стані, коли скрізь нього протікає малий струм, та він може бути слабким сигналом переведений у стан відсічення або більш відкритий стан, внаслідок імпульсу при вмиканні джерела живлення у вихідній ланці з елементів 8 та 9 формується сигнал, який на вихідному опорі 10 має форму, наближену до синусоїдальної, цей сигнал через подільник з ємностей 11 та 12 подається у подовжене коло зворотного зв'язку, яке утворюють друга індуктивність 13, п'ята ємність 14, третя індуктивність 15, шоста ємність 16 та четверта індуктивність 17, подається на вхід транзистору 1, якщо зсув фази у колі зворотного зв'язку кратний 2 , у пристрої виникнуть автоколивання і він почне генерувати високочастотну потужність. Завдяки додаванню елементів 13, 14, 15 та 16 у склад автогенератора фактично введено фільтр нижніх частот, який виконує функцію лінії затримки, подовжуючи електричну довжину кола зворотного зв'язку на 2 , що сприяє підвищенню добротності кола зворотного зв'язку і веде до поліпшення стабільності частоти автогенератора класу Е та зменшенню рівня шуму у його вихідному сигналі. Згідно з одним з можливих визначень добротності Q для складного кола [5] 2 0 d   d   d  , ln Z  0     2 d 2  d   d  де 0 - у нашому випадку частота генерації, Z - навантажувальний опір транзистора, який Q 30 35 40 45 50 55 тоді Z  e  cos   j sin  ,   ln Z , ln Z     ,   Z  a tanIm Z / Re Z . Графічне пояснення наведено на фіг. 2. Розрахунки показують, що для запропонованої конструкції цей параметр (добротність) становить 15,8, тоді як для аналогічного генератору за класичною схемою [6, 7] він складає 7,75, що має свідчити про більшу стабільність запропонованого генератора. Експериментальні форми напруги на стоку та на навантаженні показані на фіг. 3, вони вказують на виконання умов класу Е. В експерименті отримано ККД 85 % на частоті 4,5 МГц при вихідній потужності 0,54 Вт. Ще один показник стабільності - це смуга захоплення части при синхронізації автогенератора зовнішнім сигналом. Для запропонованої конструкції він ставить 0,24 %, а для автогенератора [6, 7] - 0,4 %. Це відповідає відносним рівням добротності коливальних систем автогенераторів, що порівнюються. Таким чином, даний пристрій може бути використаний для генерації потужності з високим ККД з підвищеною стабільністю при незначному ускладнені його схеми та зі збереженням високих показників енергетичної ефективності. Джерела інформації: 1. Крыжановский В.Г. Транзисторные усилители с высоким КПД. - Донецк: Апекс, 2004. – 448 с. 2. М.К. Kazimierczuk, V.G. Krizhanovski, Ju. V. Rassokhina, D.V. Chernov, Class-E MOSFET Tuned Power Oscillator Design Procedure // IEEE Trans. On Circuits and Systems I. Regular PapersV. 52, №. 6-June 2005. - P. 1138-1147 (найближчий аналог). 3. Cantu H.I., Mury Т., Fusco V.F. Inverse Class E amplifier and oscillator phase noise characteristics /European Microwave Conf., 2007. - 9-12 Oct. 2007. - P. 740-742. 4. Крыжановский В.Г., Принцовский В.А. Автогенератор класса Е СВЧ диапазона //Изв. ВУЗов "Радиоэлектроника, 2006. - Т. 49. - № 11. - С. 43-51. 5. Т. Ohira, "What in the word Q?" Microwave Magazine, June 2016. - Р. 42-49. 6. Крыжановский В.В. Чернов Д.В. Экспериментальное исследование фазового шума ВЧ автогенератора класса Е // Вісник Донецького національного університету: Сер. А: Природничі науки, 2010. - Вип. 2. - С. 123-126. можна представити у вигляді 2 UA 113374 U 7. Krizhanovskii V.V. Experimental Study of Phase Noise in Synchronized HF Class E Oscillator / Vladimir V. Krizhanovskii // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and th Computer Science: XI Int. Conf. TCSET'2012, February 21-24, 2012: proc. - Lviv-Slavske, Ukraine, 2012. - P. 171. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Автогенератор класу Е, який містить активний елемент (транзистор), що працює в ключовому режимі, один вивід транзистора включений до загального проводу, до другого виводу підключені захисний діод і два опори, один приєднано до джерела живлення, інший - до загального проводу, і на цей вивід (затвор або базу) подається сигнал зворотного зв'язку, до третього виводу (стоку або колектора) одним кінцем приєднані дросель, інший кінець дроселя підключений до джерела живлення, перша (що шунтує) ємність іншим виводом приєднана до загального проводу і вихідна ланка, у складі якої включені послідовно друга ємність і перша індуктивність, до другого кінця якої приєднані опір навантаження та третя ємність, до другого кінця якої підключені четверта ємність, другим виводом приєднана до загального проводу, і друга індуктивність, який відрізняється тим, що до другої індуктивності приєднані п'ята ємність, іншим кінцем приєднана до загального проводу, третя індуктивність, інший вивід якої приєднано до шостої ємності, яка другим виводом підключена до загального проводу, і четвертої індуктивності, інший вивід якої приєднано до другого виводу (входу) транзистора. 3 UA 113374 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4