Транзисторные генераторы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное  
учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Е. Н. Сидоренко, А. С. Махно, А. В. Шлома

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Учебное пособие
по специальному лабораторному практикуму  
«Радиофизическая электроника»
(специальность 03.03.03 Радиофизика)

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета

2021

УДК 621.373.1(075.8)
ББК 32.847.2я73
С 34

Печатается по решению кафедры радиофизики  
физического факультетаЮжного федерального университета 
(протокол № 19 от 19 февраля 2019 г.)

Рецензенты:

доктор физико-математических наук,  
заведующий кафедрой радиофизики  
Южного федерального университета Г. Ф. Заргано 
доктор физико-математических наук,  
профессор кафедры «Связь на железнодорожном транспорте»  
Ростовского государственного университета  
путей сообщения В. Н. Таран

Сидоренко, Е.Н.
Транзисторные генераторы : учебное пособие / 
Е. Н. Сидоренко, А. С. Махно, А. В. Шлома ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 150 с.

ISBN 978-5-9275-3819-5

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по 
направлению подготовки 03.03.03 Радиофизика по дисциплине «Радиофизическая электроника», и содержит теоретические основы и рекомендации по выполнению лабораторных работ по изучению принципа действия, параметров и характеристик транзисторных генераторов, а также 
их практического применения.

ISBN 978-5-9275-3819-5 
УДК 621.373.1(075.8)
ББК 32.847.2я73

© Южный федеральный университет, 2021 
© Сидоренко Е. Н., Махно А. С., Шлома А. В., 2021
© Оформление. Макет. Издательство 
Южного федерального университета, 2021

Оглавление

Введение ................................................................................................................7

Тема 1.  ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ  
LC-ГЕНЕРАТОРА ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ .......8

1.1. Краткая теория.......................................................................9
1.1.1. Электронные генераторы и их классификация ......9
1.1.2. Основные узлы автогенератора  
и его структурные схемы ............................................................10
1.1.3. Принцип действия автогенератора ...........................14
1.1.4. Условия самовозбуждения генератора ....................15
1.1.5. Схема автогенератора с трансформаторной 
связью на биполярном транзисторе .....................................17
1.1.6. Дифференциальное уравнение автогенератора .22
1.1.7. Анализ дифференциального уравнения 
автогенератора ................................................................................25
1.1.8. Стационарный режим работы автогенератора ....28
1.1.9. Колебательная характеристика  
квазилинейной системы .............................................................34
1.1.10. Определение стационарной амплитуды 
колебания графическим методом ..........................................35
1.1.11. Мягкий и жесткий режимы самовозбуждения 
автогенератора ................................................................................37
1.1.12. Переходный режим автогенератора .......................41
1.1.13. Метод фазовой плоскости ............................................42
1.2. Краткая характеристика исследуемого макета ......44
1.3. Порядок выполнения лабораторной работы .......46
1.3.1. Исследование режимов самовозбуждения 
генератора .........................................................................................46
1.3.2. Исследование колебательных характеристик 
автогенератора ................................................................................49
1.3.3. Исследование переходного режима работы 
автогенератора ................................................................................51

1.3.4. Получение фазового портрета напряжения 
автогенератора ................................................................................52
Контрольные вопросы к теме 1 ..........................................53
Литература к теме 1 ...................................................................54

Тема 2.  ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ RC-ГЕНЕРАТОРА  
НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ...............................................55

2.1. Краткая теория.....................................................................56
2.1.1. Электронные генераторы и их классификация ....56
2.1.2. Структурная схема автогенератора ...........................57
2.1.3. Условия самовозбуждения генератора ....................58
2.1.4. Принцип работы автогенератора ...............................61
2.1.5. RC-генератор с фазосдвигающей RС-цепью ...........63
2.1.6. Транзисторный RС-автогенератор  
с последовательно-параллельной фазовращающей 
цепью обратной связи .................................................................67
2.1.7. Метод фазовой плоскости ..............................................72
2.2. Краткая характеристика исследуемого макета ....74
2.3. Порядок выполнения лабораторной работы ...76
2.3.1. Подготовка к работе ..........................................................76
2.3.2. Возбуждение генератора ................................................77
2.3.3. Проверка условий баланса амплитуд  
и баланса фаз ....................................................................................77
2.3.4. Стационарный режим работы генератора .............80
2.3.5. Генератор релаксационных колебаний  
и его исследование .......................................................................81
2.3.6. Переходный режим работы RC-генератора ...........81
2.3.7. Фазовый портрет напряжения RC-генератора .....81
Контрольные вопросы к теме 2 ..........................................82
Литература к теме 2 ...................................................................83

Тема 3.  ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ LC-ГЕНЕРАТОРА  
С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ..............................................85

3.1. Краткая теория.....................................................................86

3.1.1. Общие сведения о генераторах  
с внешним возбуждением  .........................................................86
3.1.2. Регенеративное усиление ...............................................87
3.1.3. Регенеративный приемник ............................................97
3.1.4. Синхронизация (захват частоты) ..............................101
3.1.5. Деление частоты ..............................................................104
3.2. Краткое описание исследуемого макета ...........109
3.3. Порядок выполнения лабораторной работы ....110
3.3.1. Исследование вольтамперной  
характеристики (ВАХ) полевого транзистора ................110
3.3.2. Определение критического значения  
взаимной индуктивности Мкр ................................................111
3.3.3. Изучение генератора в недонапряженном 
режиме. Регенеративное усиление ....................................112
3.3.4. Определение значения коэффициента 
регенерации генератора в недонапряженном  
режиме .............................................................................................113
3.3.5. Исследование амплитудной характеристики 
регенеративной схемы .............................................................114
3.3.6. Сравнение частотных характеристик 
регенерированного контура без и при наличии  
цепи обратной связи .................................................................115
3.3.7. Исследование генератора в жестком  
режиме .............................................................................................116
Контрольные вопросы к теме 3 .......................................117
Литература к теме 3 ................................................................118

Тема 4.  ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ  
ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ .......................................119

4.1. Краткая теория..................................................................120
4.1.1. Типы генераторов прямоугольных импульсов ..120
4.1.2. Режимы работы биполярных транзисторов .......125
4.1.3. Схема мультивибратора на биполярных 
транзисторах с коллекторно-базовыми связями .........127

4.1.4. Принцип действия мультивибратора  
на биполярных транзисторах  ...............................................128
4.1.5. Работа мультивибратора  .............................................131
4.1.6. Ждущий мультивибратор (одновибратор):  
схема и принцип действия ......................................................136
4.1.7. Работа ждущего мультивибратора ..........................137
4.1.8. Формирователь импульсов  
для запуска одновибратора ...................................................139
4.2. Лабораторная установка.............................................141
4.3. Порядок выполнения лабораторной работы ....143
4.3.1. Работа с мультивибратором .......................................143
4.3.2. Работа с дифференциальной цепочкой ................146
4.3.3. Работа с одновибратором............................................146
Контрольные вопросы к теме 4 .......................................148
Литература к теме 4 ................................................................148

Введение

Данное учебное пособие предназначено для студентов физического факультета. В сборнике содержится краткая теория, 
описание макетов и практические рекомендации для выполнения 
четырех лабораторных работ, которые включены в спецпрактикумы по курсам лекций «Радиофизическая электроника», «Основы радиофизической электроники» и «Схемотехника телекоммуникационных систем». В 2008 г. небольшим тиражом вышли 
три раздельных методических пособия для лабораторных работ: 
«Изучение режимов работы LC-генератора гармонических колебаний», «Изучение работы RC-генератора на полевых транзисторах» и «Изучение работы LC-генератора с внешним возбуждением». А в 2015 г. было издано методическое пособие «Изучение 
работы генераторов прямоугольных импульсов». Каждый год 
более 80 студентов кафедры радиофизики, квантовой радиофизики, теоретической физики и астрофизики ЮФУ выполняют 
лабораторные работы, используя эти пособия. Наряду с лекционными курсами, эти методические разработки способствуют повышению уровня теоретических знаний студентов в области радиоэлектроники и схемотехники, а также помогают приобретать 
практические навыки в работе с радиоаппаратурой и измерительными приборами. В данном учебном пособии за основу приняты 
вышеуказанные пособия, в которых устранены опечатки, добавлена теория, подкорректированы схемы и порядок выполнения 
лабораторных работ. 

Тема 1.  ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ LC-ГЕНЕРАТОРА 
ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Как и в механике, в радиоэлектронике легко получить колебательные системы. Простейшей из них является параллельный колебательный LC-контур, где возможно колебание электрических 
зарядов и напряжений на пластинах конденсатора, напряженности 
электрического поля и его энергии в конденсаторе, силы тока в контуре, индукции магнитного поля и его энергии в катушке индуктивности. Как и в механике, для возникновения колебаний в радиоэлектронике необходим источник энергии. Как энергия источника 
постоянного напряжения в колебательном LC-контуре превращается в энергию незатухающих гармонических колебаний – подробно 
рассматривается в данном модуле методического пособия. 
Цели работы:
1. 
Изучение принципа работы и устройства LC-автогенераторов гармонических колебаний.
2. 
Изучение структурных и принципиальных схем LC-генераторов на транзисторах.
3. 
Изучение теории самовозбуждения, стабильного и переходного режимов работы автогенератора.
4. 
Изучение особенностей мягкого и жесткого режимов работы 
автогенератора.
5. 
Дифференциальное уравнение LC-генератора на транзисторе, его анализ и следствия.
Задачи:
1. 
Овладение навыками измерения частоты автоколебаний с 
помощью частотомера и осциллографа, а также напряжения с 
помощью осциллографа и электронного вольтметра.
2. 
Овладение навыками самостоятельного получения вольтамперной и колебательной характеристик автогенератора.
3. 
Исследование работы генератора в мягком и жестком режимах.
4. 
Получение фазового портрета напряжения автогенератора.

Изучение режимов работы LC-генератора гармонических колебаний

1.1. Краткая теория

1.1.1. Электронные генераторы и их классификация

Электронный генератор – это устройство, в котором осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока требуемой амплитуды, частоты, формы и 
мощности. Электронный генератор – необходимое и очень часто 
применяемое устройство [5]. Он может применяться для различных целей как самостоятельный электронный прибор, но чаще является частью более сложных современных устройств. Генераторы 
обязательно входят в состав радиоприемников, радиопередатчиков, осциллографов, частотомеров, мультиметров, ЭВМ, калькуляторов и других жизненно необходимых нам устройств [6]. 
Различают два принципиально разных режима работы электронных генераторов – вынужденный и автоколебательный. 
В вынужденном режиме колебания в выходных цепях генератора возникают только при поступлении сигналов от внешнего 
устройства. В автоколебательном режиме колебания происходят без подведения внешнего переменного напряжения – такое 
устройство называют автогенератором или генератором с самовозбуждением [5]. 
В зависимости от формы генерируемого сигнала различают 
генераторы:
 –
гармонических колебаний (они вырабатывают напряжение, амплитуда которого изменяется по закону синуса или косинуса);
 –
релаксационные (или импульсные) генераторы, вырабатывающие напряжение несинусоидальной формы.
В общем виде генерация синусоидальных колебаний представляет собой процесс, связанный с преобразованием частотного спектра (рис. 1), так как при генерации энергия источника 
постоянного тока преобразуется в энергию высокочастотных колебаний.

Тема 1

 

U
U

0
0 
 
0 


б) 
 
а) 

Рис. 1. Преобразование спектра при генерации:  
а) исходный спектр; б) спектр после преобразования

В зависимости от частоты генерируемых колебаний различают генераторы:
 –
низкочастотные (НЧ), вырабатывающие колебания в диапазоне частот 20 Гц, 100 кГц;
 –
высокочастотные (ВЧ) – в диапазоне частот 100 кГц, 100 МГц;
 –
сверхвысокочастотные (СВЧ) – в диапазоне частот от 100 МГц 
и выше.
Являясь первоисточником электрических колебаний, автогенераторы широко используются в радиопередающих и радиоприемных устройствах, измерительной аппаратуре, электронных вычислительных машинах, устройствах телеметрии и т. д. В данной 
работе рассмотрен LC-автогенератор гармонических колебаний 
на полевом транзисторе [6]. 

1.1.2. Основные узлы автогенератора  
и его структурные схемы
Основным узлом большинства автогенераторов гармонических колебаний является колебательный контур, а генераторы, 
его содержащие, называются автогенераторами LC-типа. Вторым 
необходимым узлом автогенератора является источник энергии, который должен пополнять запасы энергии в колебательном  
контуре.
Однако непосредственное подключение источника постоянного тока к контуру не приводит к возникновению незату