Осциллятор Хартли

Генератор Хартли — это генератора электронная схема , в которой частота колебаний определяется настроенной цепью, состоящей из конденсаторов и катушек индуктивности , то есть LC- генератор. Схема была изобретена в 1915 году американским инженером Ральфом Хартли . Отличительной особенностью генератора Хартли является то, что настроенная цепь 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

В оригинальном чертеже патента 1915 года использовался триод (№5) для усиления с тремя батареями (№9 для смещения сетки , №10 для питания триода и №11 для нагрева катода ) и переменным конденсатором (№2) для настройки.

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 выдан патент № 1 356 763.

В 1946 году Хартли был награжден Института радиоинженеров Почетной медалью «за его ранние работы над колебательными контурами с использованием триодных ламп » и за его работу в области теории информации (которая во многом параллельна Гарри Найквисту ) о «фундаментальной взаимосвязи между общим объемом информации и который может быть передан по системе передачи с ограниченной полосой пропускания и требуемым временем».

Операция

Генератор Хартли, использующий с общим стоком n-канальный JFET вместо лампы.

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 использовался триод в качестве усилительного устройства с общим катодом , тремя батареями и отдельными регулируемыми катушками. Упрощенная принципиальная с общим стоком JFET схема использует резервуар LC (здесь используется одна обмотка) и одна батарея, но в остальном по существу такая же, как на патентном чертеже. Схема иллюстрирует работу генератора Хартли:

• JFET выходной сигнал источника ( эмиттер , если BJT использовался ; 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).
• катушки конденсатора при резонансе 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 LC-резервуара заключается в использовании каскада усилителя с общей сеткой (или с общим затвором, или с общей базой), который по-прежнему неинвертирует , но обеспечивает усиление по напряжению вместо усиления по току ; отвод катушки по-прежнему подключен к катоду (или истоку, или эмиттеру), но теперь это вход (низкоомный) 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 является двойником генератора Колпитца используются два конденсатора, а не две катушки индуктивности , в котором в качестве делителя напряжения . Хотя нет необходимости во 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 переходной полевой транзистор часто используется (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 диода на пиках сигнала. достаточной проводимости 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

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

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

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

Однако, если две катушки магнитно связаны, общая индуктивность будет больше из-за взаимной индуктивности k.

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

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

Осциллятор Хартли имеет ряд преимуществ:

• 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 резонатором и резистором утечки в сетке (как в генераторе Tri-tet ). .

Выходной сигнал богат гармониками, если он берется из усилителя, а не напрямую из LC-цепи (если не используется схема стабилизации амплитуды). Это можно считать преимуществом или недостатком.

Практический пример

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

На схеме показан пример со значениями компонентов. 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.

См. также

• Оптоэлектронный генератор

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