LC-генераторы, RC-генераторы

Генераторы синусоидальных колебаний выполняют с колебательным LC-контуром и частотно-зависимыми RC-цепями. LC-генераторы предназначены для генерирования сигналов высокой частоты (свыше нескольких десятков килогерц), а RC-генераторы используются на низких частотах (вплоть до единиц герц).

Генераторы LC-типа основаны на использовании избирательных LC-усилителей, обладающих узкой полосой пропускания. Условия для генерирования синусоидальных колебаний (8.1) и (8.2) создаются для частоты настройки f₀ колебательного контура, когда его сопротивление является чисто активным. Предпосылкой выполнения соотношения (8.1) для частоты f₀ служит изменение фазового сдвига j_у, вносимого усилителем при отклонении частоты от резонансной, так как сопротивление резонансного контура перестает быть активным и приобретает реактивный (индуктивный или емкостный) характер. Справедливость соотношения (38) для резонансной частоты обусловливается максимальным значением коэффициента усиления на частоте f₀.

Схемная реализация LC-генераторов достаточно разнообразна. Они могут отличаться способами включения в усилитель колебательного LC-контура и создания положительной обратной связи. Одна из схем LC-генераторов приведена на рис. 8.2.

Усилительный каскад выполнен на транзисторе VT, включенном по схеме ОЭ. Элементы R1, R2, R_э, С_э предназначены для задания режима покоя и температурной стабилизации. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора через разделительный конденсатор С_р2.

Параметрами колебательного контура являются емкость конденсатора С и индуктивность первичной обмотки w₁ трансформатора. Сигнал обратной связи снимается с вторичной обмотки w₂, индуктивно связанной с обмоткой w₁, и через разделительный конденсатор С_р1 подается на вход транзистора. Необходимая фазировка напряжения обратной связи достигается соответственным подключением концов вторичной обмотки. Соотношение чисел витков первичной и вторичной обмоток w₁/w₂ >1.

Если принять индуктивную связь М обмоток w₁ и w₂ идеальной, то для обеспечения баланса амплитуд необходимо, чтобы коэффициент передачи тока транзистора β в точке покоя удовлетворял соотношению β ≥ w₁/w₂.

Частота f генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура

.

Зависимость параметров L и С и параметров транзистора от температуры приводит к температурной зависимости частоты f. В условиях постоянства температуры нестабильность частоты вызвана изменением дифференциальных параметров транзистора от изменения положения точки покоя усилительного каскада.

Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности d_f = Df/f *100 %, где Df – абсолютное отклонение частоты от номинального значения f. Коэффициент относительной нестабильности частоты транзисторных LC-генераторов без принятия специальных добавочных мер стабилизации составляет единицы процента. Наибольшая стабильность частоты с коэффициентом d_f = (10^-3 ¸ 10^-5) % достигается при использовании в генераторах кварцевого резонатора.

Генераторы LC-типа реализуют в виде гибридных интегральных микросхем, в которых реактивные элементы L и C применяют в качестве навесных.

Генераторы на частоты ниже нескольких десятков килогерц строят с помощью частотно-зависимых RC-цепей. В качестве усилительного звена обычно используют операционные усилители в интегральном исполнении. Схемы генераторов на ОУ приведены на рис. 8.3.

Принцип работы простейшего RC-генератора синусоидальных колебаний (рис. 8.3, а) заключается в том, что на определенной частоте фазовый сдвиг трех звеньев RC-цепи составляет j_w = 180°.

Если такую цепь включить между выходом и инвертирующим входом ОУ, то общий фазовый сдвиг будет равен 360°, т.е. образуется положительная обратная связь. Частоту f₀, при которой угол j_w = 180°, называют квазирезонансной. С параметрами R и C (R1 = R2 = R3||R₀ = R, C1 = C2 = C3 = C) она связана соотношением

.

Такая цепочка ослабляет сигнал в 29 раз, поэтому для создания устойчивых колебаний необходимо, чтобы усилитель имел коэффициент усиления К ≥ 29. Тогда будет выполняться условие баланса амплитуд |Ќ||ẁ| ≥ 1. Эту задачу решают выбором сопротивлений резисторов R₀ и R_ос (К = R_ос/R₀ ≥ 29).

Из RC-цепей, не осуществляющих сдвига по фазе передаваемого сигнала на квазирезонансной частоте, наибольшее распространение получила схема моста Вина. Схема генератора синусоидальных колебаний на ОУ с мостом Вина показана на рис. 8.3, б. Звено частотно-зависимой обратной связи C1, R1, C2, R2 (мост Вина) включено между выходом и прямым входом ОУ. Элементы R₀ и R_ос предназначены для получения требуемого коэффициента усиления усилительного звена.

На частоте генерации f₀ коэффициент передачи моста Вина w = 1/3, поэтому самовозбуждение генератора возможно при К > 3. Для неинвертирующего усилителя, который применяется в данной схеме, это соответствует выбору R_ос /R₀ ≥ 3.

Частота генерации в схеме равна квазирезонансной частоте звена частотно-зависимой цепи (моста Вина) и определяется из соотношения

,

где R₁ = R₂ = R, C₁ = C₂ = C.

Необходимая амплитуда колебаний достигается корректировкой сопротивления R₀ или R_ос в процессе настройки схемы.

Применение ОУ с глубокой отрицательной обратной связью создает высокую стабильность параметров усилительного звена в RC-генераторах. В связи с этим температурная нестабильность частоты генераторов на операционных усилителях определяется преимущественно зависимостью от температуры параметров элементов RC-звена обратной связи. В зависимости от типа используемых элементов в таких генераторах d_f = ±(0,1 ¸ 0,3) %.