Автогенераторы

Автогенераторами называются устройства для генерации электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности за счет использования энергии источников питания. Они находят широкое применение в радиопередающих, радиоприемных и телевизионных устройствах, в измерительной технике, в системах многоканальной связи и др.

Как видно, автогенераторы реализуются на усили­телях, охваченных цепями ПОС и ООС. В качестве цепей, задающих частоту генерации, используют частотно-селектив­ные цепи (LC-контуры, RС-цепи и кварцы). Элементы, за­дающие частоту генерации, включаются в цепь либо ООС, либо ПОС.

В зависимости от формы генерируемых колебаний различают автогенераторы синусоидальных (гармонических) и импульсных сигналов. Ниже рассматриваются основные типы автогенераторов синусоидальных сигналов, реализованные на основе ОУ.

На рисунке 2.23, а приведена схема LC-автогенератора. По виду она напоминает схему узкополосного LC-фильтра, однако здесь используется более глубокая ПОС. Баланс фаз обеспечивается наличием в устройстве положительной обратной связи, обеспечиваемой подключением резисторов R₂, R₃ между выходом и неинвертирующим входом ОУ. Баланс амплитуд достигается правильным выбором сопротивлений резисторов R₂, R₃, чтобы выполнялось условие

.

Здесь под К_u подразумевается масштабный коэффициент усиления

К_u = R_Э/R₁,

где R_Э — сопротивление контура на частоте резонанса. Частота генерации определяется элементами LC-контура и рас­считывается по известной формуле

( .

Для анализа свойств описанного генератора можно воспользо­ваться соотношениями, представив ОУ высококачественным эквивалентом транзистора с коэффициентом усиления К_u и дифференциальной крутизной S_ОУ.

Избежать применения индуктивностей, что важно в низко­частотных автогенераторах, позволяет применение селективных RС-цепей. Наибольшее применение в RС-автогенераторах полу­чила так называемая полосовая фазирующая цепь, включенная между выходом и неинвертирующим входом ОУ. На частоте генерации ослабление, вносимое этой цепью A₀»3,3, а фазовый сдвиг j₀=0. Поэтому используемый способ подключения фазирующей цепи к ОУ обеспечивает выполнение баланса фаз.

Рисунок 2.28 – Генераторы на основе ОУ

Для выполнения условия баланса амплитуд усилитель должен скомпенсировать затухание, вносимое фазирующей цепью на частоте генерации. Это просто достичь выбором элементов цепи ООС (резисторов R₁ и R₂) при условии R₂/(R_l + R₂) = K_OOC = A₀. Нетрудно также обеспечить неравенство K_оос»A₀, что означает выполнение условия генерации одновременно для многих частот. В этом случае вместо генерации колебаний синусоидальной формы генерируется колебание сложной формы, близкое к прямоуголь­ной. Для обеспечения высокой точности равенства K_ООС >> А₀ схему генератора усложняют узлом автоматической регулировки усиле­ния ОУ.

Если вместо резисторов R фазирующей RС-цепи использовать управляемые напряжением сопротивления, то реализуется генера­тор с электронной перестройкой частоты. Схема RС-автогенератора с электронной перестройкой частоты приведена на рисунке 2.28, в. Здесь в качестве управляемых сопротивлений исполь­зуется сдвоенный ПТ, у которого проводимость канала G_K является линейной функцией управляющего напряжения:

.

Подставляя это выражение в фор­мулу для расчета частоты генерации, получаем:

.

При изменении постоянного управляющего напряжения про­исходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колеба­ние, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т. е. будет осуществляться частотная модуляция.

Для получения высокой стабильности частоты автогенераторов к элементам LC-контуров и RС-цепей предъявляются жесткие требования как по точности выбора элементов, так и по их температурной стабильности. Нестабильность частоты, достигаемая в обычных LC-генераторах, составляет от 10^-3 до 10^-4 °С, RC-генераторов — примерно на порядок ниже.

Гораздо лучшие показатели стабильности частоты обеспечивают кварцевые генераторы. Схема кварцевого генератора приведена на рисунке 2.23, г. Здесь кварц используется в качестве эквивалентной ин­дуктивности. Он образует с емкостью конденсатора С последова­тельный колебательный контур, имеющий на частоте резонанса ми­нимальное сопротивление. Следовательно, на этой частоте ПОС достигает максимума и возникает генерация. Для стабилизации режима усилитель охвачен глубокой ООС по постоянному напряжению. Для облегчения выполнения условия баланса амплитуд ООС на частоте генерации устраняется правильным выбором емкости конденсатора С₁. Для этого необходимо выполнение условия X_cl=1/(2pf₀C_l)<<R. В термостатированных кварцевых генераторах достигается нестабильность частоты порядка 10^-8 °С.