Осциллятор Хартли

Электронный генератор

Генератор Хартли представляет собой электронную схему генератора , в которой частота колебаний определяется настроенным контуром , состоящим из конденсаторов и катушек индуктивности , то есть LC-генератором. Схема была изобретена в 1915 году американским инженером Ральфом Хартли . Отличительной особенностью генератора Хартли является то, что настроенная схема состоит из одного конденсатора, включенного параллельно с двумя последовательно соединенными индукторами (или одного индуктора с отводом), а сигнал обратной связи , необходимый для генерации, берется из центрального соединения двух индукторов.

История

Оригинальный патентный рисунок

Генератор Хартли был изобретен Хартли, когда он работал в исследовательской лаборатории Western Electric Company . Хартли изобрел и запатентовал эту конструкцию в 1915 году, наблюдая за трансатлантическими испытаниями радиотелефонной связи Bell System; 26 октября 1920 года ему был присвоен патент номер 1 356 763. ^[1] Обратите внимание, что показанная ниже базовая схема с надписью «Цепь Хартли с общим стоком» по существу такая же, как на чертеже патента, за исключением того, что трубка заменена JFET . и что аккумулятор для отрицательного смещения сетки не нужен.

В 1946 году Хартли был награжден почетной медалью IRE «За ранние работы над колебательными цепями с использованием триодных ламп, а также за раннее признание и четкое объяснение фундаментальной взаимосвязи между общим количеством информации, которая может быть передана по системе передачи с ограниченным объемом информации». пропускную способность и необходимое время». ^[2] (Вторая половина цитаты относится к работе Хартли по теории информации, которая во многом схожа с работой Гарри Найквиста .)

Операция

Схема Хартли с общим стоком , использующая n-канальный JFET .

Генератор Хартли отличается емкостной схемой , состоящей из двух последовательно соединенных катушек (или, часто, катушки с отводом ) параллельно с конденсатором, с усилителем между относительно высоким сопротивлением по всему LC-резервуару и относительно низким напряжением. точка высокого тока между катушками. В оригинальной версии 1915 года в качестве усилительного устройства использовался триод с общим катодом , тремя батареями и отдельными регулируемыми катушками. В упрощенной схеме, показанной справа, используется полевой транзистор (в конфигурации с общим стоком ), схема бака LC (здесь используется одна обмотка) и одна батарея. Схема иллюстрирует работу генератора Хартли: ^{[ сомнительно – обсудить ]}

• выходной сигнал источника JFET ( эмиттер , если использовался BJT ; катод для триода) имеет ту же фазу , что и сигнал на его затворе (или базе), и примерно то же напряжение, что и его вход (который представляет собой напряжение на вся цепь бака), но ток усиливается , т.е. он действует как буфер тока или источник напряжения, управляемый напряжением .
• этот выходной сигнал с низким импедансом затем подается на отвод катушки, фактически в автотрансформатор , который повышает напряжение, требуя относительно высокого тока (по сравнению с тем, который доступен в верхней части катушки).
• при резонансе катушки конденсатора все частоты, кроме настроенной частоты, будут иметь тенденцию к поглощению (резервуар будет иметь сопротивление около 0 Ом вблизи постоянного тока из-за низкого реактивного сопротивления катушки индуктивности на низких частотах и ​​снова низкое на очень высоких частотах из-за конденсатора). ); они также будут сдвигать фазу обратной связи от 0°, необходимой для генерации на всех частотах, кроме настроенной.

Вариации простой схемы часто включают способы автоматического уменьшения коэффициента усиления усилителя для поддержания постоянного выходного напряжения на уровне ниже перегрузки; простая схема, приведенная выше, будет ограничивать выходное напряжение из-за того, что затвор проводит положительные пики, эффективно подавляя колебания, но не раньше, чем могут возникнуть значительные искажения ( паразитные гармоники ). Замена катушки с ответвлениями на две отдельные катушки, как в исходной патентной схеме, по-прежнему приводит к работе генератора, но теперь, когда две катушки не связаны магнитно, индуктивность и, следовательно, частота, расчет должны быть изменены (см. ниже), и объяснение механизма повышения напряжения сложнее, чем сценарий с автотрансформатором.

Совершенно другая реализация с использованием катушки с ответвлениями в схеме обратной связи с LC-резервуаром заключается в использовании каскада усилителя с общей сеткой (или с общим затвором, или с общей базой), ^[3] который по-прежнему не инвертирует, но обеспечивает усиление по напряжению вместо тока. прирост ; отвод катушки по-прежнему подключен к катоду (или истоку, или эмиттеру), но теперь это (низкоомный) вход усилителя; схема разделенного резервуара теперь снижает сопротивление по сравнению с относительно высоким выходным сопротивлением пластины (или стока, или коллектора).

Сравнение генератора Хартли и Колпитца

Генератор Хартли представляет собой монофонический генератор Колпитца , в котором используется делитель напряжения, состоящий из двух конденсаторов, а не двух индукторов. Хотя нет необходимости взаимной связи между двумя сегментами катушки, схема обычно реализуется с использованием катушки с отводом, а обратная связь снимается с отвода, как показано здесь. Оптимальная точка отвода (или соотношение индуктивностей катушек) зависит от используемого усилительного устройства, которым может быть биполярный переходной транзистор , полевой транзистор , триод или усилитель практически любого типа (в данном случае неинвертирующий, хотя возможны вариации схемы с заземленная центральная точка и обратная связь от инвертирующего усилителя или коллектора/стока транзистора также распространены), но часто используется переходной полевой транзистор (показан) или триод в качестве хорошей степени стабильности амплитуды (и, следовательно, уменьшения искажений ). быть достигнуто с помощью простой комбинации резистора и конденсатора утечки в сетке, включенных последовательно с затвором или сеткой (см. схему Скотта ниже) благодаря диодной проводимости на пиках сигнала, создающей достаточное отрицательное смещение для ограничения усиления.

Частота колебаний примерно равна резонансной частоте контура резервуара. Если емкость емкостного конденсатора равна C , а общая индуктивность катушки с ответвлениями равна L , то

${\displaystyle f={1 \over 2\pi {\sqrt {LC}}}\,}$

Если используются две несвязанные катушки индуктивностью L ₁ и L _{2 , то}

${\displaystyle L=L_{1}+L_{2}\,}$

Однако, если две катушки магнитно связаны, общая индуктивность будет больше из-за взаимной индуктивности k ^[4]

${\displaystyle L=L_{1}+L_{2}+k{\sqrt {L_{1}L_{2}}}\,}$

Фактическая частота колебаний будет немного ниже указанной выше из-за паразитной емкости катушки и нагрузки транзистора.

Преимущества генератора Хартли:

• Частоту можно регулировать с помощью одного переменного конденсатора, одна сторона которого может быть заземлена.
• Выходная амплитуда остается постоянной во всем диапазоне частот.
• Необходима либо катушка с ответвлениями, либо две фиксированные катушки индуктивности, а также очень мало других компонентов.
• Легко создать точную вариацию кварцевого генератора с фиксированной частотой , заменив конденсатор кварцевым кристаллом (с параллельным резонансом) или заменив верхнюю половину контура резервуара кварцевым резистором и резистором утечки в сетке (как в генераторе Tri-tet ). .

Недостатки:

• Выходной сигнал с высоким содержанием гармоник, если он берется из усилителя, а не напрямую из LC-цепи (если не используется схема стабилизации амплитуды).

Практический пример

Практический генератор Хартли с общим стоком и частотой колебаний ~10 МГц.

На схеме показан пример со значениями компонентов. ^[5] Вместо полевых транзисторов можно использовать другие активные компоненты, такие как транзисторы с биполярным переходом или электронные лампы , способные обеспечивать усиление на желаемой частоте.

Усилитель с общим стоком имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Поэтому вход усилителя подключен к высокоомной вершине LC-цепи C1, L1, L2, а выход усилителя подключен к низкоомному отводу LC-цепи. Утечки в сети C2 и R1 автоматически устанавливают рабочую точку посредством смещения утечки в сети . Меньшее значение C2 дает меньшие гармонические искажения , но требует большего нагрузочного резистора. Нагрузочный резистор RL является частью моделирования, а не частью схемы.

Смотрите также

• Оптоэлектронный генератор

Рекомендации

1. «Патент US1356763: Генератор колебаний» (PDF) . Патент ведомства США . Проверено 22 марта 2016 г.
2. "Ральф Хартли". Wiki по истории техники и технологий . 24 февраля 2016 г. Проверено 4 декабря 2021 г.
3. Коутс, Эрик. «Осциллятор Хартли». Узнайте об электронике . Проверено 22 марта 2016 г.
4. Джим МакЛукас, Генератор Хартли не требует связанных индукторов, EDN, 26 октября 2006 г. «Генератор Хартли не требует связанных индукторов - 26.10.2006 - EDN». Архивировано из оригинала 4 июля 2008 г. Проверено 10 декабря 2008 г.
5. Хейворд, Уэс (1994). «Рисунок 7.16 Практический генератор Хартли на полевом транзисторе». Введение в радиочастотный дизайн. США: ARRL. п. 285. ИСБН 0-87259-492-0.

Библиография

• Лэнгфорд-Смит, Ф. (1952), Справочник проектировщика радиотрона (4-е изд.), Сидней, Австралия: Amalgamated Wireless Valve Company Pty., Ltd.
• Рекорд, ФА; Стайлз, Дж. Л. (июнь 1943 г.), «Аналитическая демонстрация действия осциллятора Хартли», Proceedings of the IRE , 31 (6): 281–287, doi : 10.1109/jrproc.1943.230656, ISSN  0096-8390, S2CID  51643731
• Роде, Ульрих Л.; Поддар, Аджай К.; Бёк, Георг (май 2005 г.), Проектирование современных микроволновых генераторов для беспроводных приложений: теория и оптимизация , Нью-Йорк, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, ISBN 0-471-72342-8
• Венделин, Джордж; Павио, Энтони М.; Роде, Ульрих Л. (май 2005 г.), Проектирование микроволновых схем с использованием линейных и нелинейных методов , Нью-Йорк, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, ISBN 0-471-41479-4

Внешние ссылки

• Осциллятор Хартли, Integrated Publishing