Почему этот транзисторный генератор не работает на частоте 100 МГц?

Я думаю, что это распространенное непонимание характеристики «частоты перехода» транзисторов/операционных усилителей. Частота перехода 300 МГц не означает, что транзистор «работает» до 300 МГц. То есть выше 300 МГц он будет совершенно бесполезен (gain < 1, какой бы режим работы вы ни использовали).

Практические схемы предполагают, что транзисторы будут иметь усиление >> 1 (среди прочего), поэтому, если ваша конструкция не учитывает сильное ухудшение параметров, которое происходит по мере приближения к частоте перехода, вы должны ориентироваться на частоту, которая составляет по крайней мере порядок величины (т. е. 10 раз) меньше, чем частота перехода, а в приложениях с высоким коэффициентом усиления обычно используются части на 1/100 их частоты перехода.

Почему этот транзисторный генератор не работает на частоте 100 МГц?

В одном из ваших предыдущих вопросов я предложил вот такую ​​схему генератора на 100 МГц:

Как видите, L1 примерно в десять раз больше, чем вы используете, а C1 и C2 также намного меньше, чем вы предлагаете в своей схеме. Вам также необходимо использовать транзистор с приличным коэффициентом β в ГГц, возможно, BFR90, чтобы получить результаты, близкие к формулам.

В моей симуляции выше я получил 100,6 МГц, но это было с BC547. Теоретически она должна быть около 140 МГц (из памяти), и для этого вам понадобится гораздо лучший транзистор или смиритесь с несоответствием между реальностью и формулой.

1. Вы выбрали транзистор, который не имеет большого усиления на$100\mathrm{MHz}$, и
2. Характеристическое сопротивление вашей цепи резервуара слишком низкое.

У меня нет под рукой данных для 2N2222, но в техпаспорте, который у меня есть для 2N3904, указан$f_T$из$250\mathrm{MHz}$. Вы можете заставить транзистор колебаться на уровне или ниже его$f_T$, но все становится сложно, а качество генератора низкое.

Типичное эмпирическое правило заключается в использовании$f_T$это в 10 раз выше расчетной частоты. Это будет означать, что макет вашей платы не будет тривиальным ($1\mathrm{GHz}$-- eek!), но, конечно, для симуляции это должно работать*. Вы, вероятно, можете немного затенить это. Итак, найдите транзистор с$f_T \ge 500\mathrm{MHz}$.

Генератор колеблется, потому что вы подаете на него сигнал, он проходит по петле и выходит с точно такой же фазой и амплитудой. Чтобы заставить что-то колебаться, вам нужно усиление контура, которое значительно превышает 1 при нулевом фазовом сдвиге. Этого можно добиться множеством способов — для стандартного генератора Колпитца с маломощным транзистором это означает, что при вашей проектной частоте конденсаторы должны иметь$X_C \simeq 100\Omega$, и ваша катушка должна иметь$X_L \simeq 200\Omega$. Твой$250\mathrm{pF}$кепки есть$X_C \simeq 6.5\Omega$-- это просто не сработает**.

Итак, замените транзистор, обе крышки и катушку, и у вас будет что-то, что должно имитировать нормально. Затем, когда вы будете готовы выложить это, загляните сюда, потому что вы почти гарантированно ошибетесь.

* Для радиочастотной конструкции 1980-х годов, к которой я привык - с сквозными компонентами и транзисторами в корпусе TO-92 -$100\mathrm{MHz}$добирается до верхнего предела частот для созерцания, не прибегая к «микроволновым» методам. Со всеми деталями для поверхностного монтажа и плотной компоновкой вы, вероятно, можете использовать «традиционный» генератор Колпитца, но вам, возможно, придется использовать более «микроволновую» схему, где вы должны рассматривать каждую дорожку схемы как резонатор. Познакомиться с некоторыми последними разработками любительских радиостанций, вероятно, будет очень хорошей идеей.

** Может быть, для какого-нибудь приложения сверхвысокой мощности, где вы используете выходной ВЧ-транзистор, смещенный так, чтобы иметь усиление на такой низкоимпедансной нагрузке. Но не с малосигнальным транзистором.

Насколько я помню, «автономный» генератор имеет положительную обратную связь в цепи, и начало генерации зависит от усиления шума компонента. Шум и условия запуска в реальном мире нелегко воспроизвести в модели симулятора, поэтому может потребоваться применение советов и приемов для имитации генератора.

В этом справочнике описывается проблема запуска, как указано ниже, и в статье есть много других конкретных советов и приемов, которые могут относиться или не относиться к ответу на ваш конкретный вопрос:

https://docs.easyeda.com/en/Simulation/Chapter9-Initial-conditions-and-starting-up-circuits/index.html

Даже если схема представляет собой осциллятор, до t=0 предполагается, что она находится в стабильном неколебательном устойчивом состоянии. При t=0 схема запустится с этих начальных условий постоянного тока. Затем он либо продолжит оставаться в этом устойчивом неколебательном состоянии, либо будет медленно отклоняться от устойчивого состояния постоянного тока, и колебания будут нарастать.

Начальное состояние генераторов, основанных на настроенной схеме, такой как фазовый сдвиг, мост Вина и кварцевые генераторы, будет определяться их условиями смещения постоянного тока. Если в схеме нет источников шума (состояние по умолчанию для всех компонентов, если не указано иное, например, резисторы, определенные как вносящие шум), то нет ничего, что могло бы вывести схему из равновесия, и поэтому она может никогда не начать колебаться.

Хотя в большинстве случаев такие осцилляторы в конечном итоге запускаются из-за «скрытого» источника шума, который возникает просто из-за математического шума, создаваемого конечным разрешением и ошибками округления вычислений, выполняемых при запуске моделирования, это может занять очень много времени. время по сравнению со временем, необходимым для запуска генератора в стабильном колебательном состоянии в течение нескольких циклов. В частности, кварцевые генераторы могут запускаться и достигать стабильного состояния во много сотен тысяч раз больше периода генератора.

Чтобы свести к минимуму время моделирования, затрачиваемое на ожидание запуска генератора, полезно ввести некоторые начальные условия запуска, чтобы «запустить» схему в колебание.

Обратите внимание, что типичный микроконтроллер позволяет разработчику схемы указать задержку запуска, которая помогает обеспечить стабильный сигнал генератора перед выполнением программы после включения, отключения или сброса.