АВТОГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Автогенераторы синусоидальных колебаний по виду элементов, вхо­дящих в звенья обратной связи, подразделяются на автогенераторы LC-типа (высокочастотные) и автогенераторы RC-типа ( низкочастотные).

Автогенераторы LC-типа. Принцип действия автогенератора LC-типа рассмотрим на примере устройства, схема которого изображена на рис. 2, а. В этом автогенераторе усилитель собран на биполярном транзис­торе VT ивключен по схеме с общим эмиттером. Звеном обратной связи является резонансный контур L_БС_Б, включенный в базовую цепь тран­зистора. Катушка резонансного контура L_B индуктивно связана с катушкой L_K, включенной в коллекторную цепь транзистора. В свою очередь катушка L_K индуктивно связана с L_B, с которой снимается выходное напряжение.

Первоначально колебания в автогенераторе возникают из-за флуктуации тока в транзисторе, колебательном контуре или при подаче напряжения питания. По этим причинам появляются слабые колебания с частотой ω₀ = 1/√L_БС_Б , которые в отсутствие положительной обратной связи должны были бы прекратиться из-за

Рис. 2. Автогенератор LC–типа: а – схема; б – возникновение колебаний в автогенераторе; в – амплитудная характеристика усилителя

потерь энергии в контуре. Но при наличии положительной обратной связи этого не происходит. Действительно, появившееся на контуре напряжение u_б усиливается транзистором. Эти колебания через катушку L_K, индуктивно связаны с катушкой L_Б, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний быстро нарастает (см. рис. 2, б), что соответствует условию Кb > 1. По мере роста амплитуды напряжения в цепи базы транзистора из-за нелинейности амплитудной характеристики (участок ab на рис. 2,б) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение Кb становится равным единице. При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует установившемуся стационарному режиму автоколебаний.

Условие баланса амплитуд в автогенераторе сводится к тому, что на резонансной частоте ω₀ потери энергии в контуре компенсируются энергией, вносимой в колебательный контур источником питания E_К через катушку L_K. Отметим, что баланс амплитуд обусловливает не­изменную амплитуду стационарных колебаний.

Условие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осущес­твляется при сдвиге фаз выходного напряжения усилителя и звена обратной связи на 180°, что видно из (5): j =-y.

Практически это условие выполняется соответствующей намоткой индуктивных кату­шек L_K и L_Б (направления намотки витков катушек резонансного кон­тура и коллекторной цепи должны быть противоположными). Так же как и баланс амплитуд, баланс фаз поддерживается в автогенераторе автоматически. Каждый из сдвигов фаз в условии (5) зависит от частоты по-разному, но для появления колебаний существует только одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, равная резонансной частоте контура. Таким образом, условие баланса фаз определяет частоту генерируемых колебаний.

Если условия самовозбуждения выполняются не только для одной частоты, а для нескольких частот или какой-то полосы частот, то появятся колебания сложной формы (в том числе прямоугольной), состоящей из нескольких гармонических или большого числа гармоник.

Высокими техническими показателями обладают LC-автогенера­торы, в которых в качестве усилителей используются операционные усилители (ОУ). В связи с очень высоким коэффициентом усиления ОУ кроме положительной обратной связи, где используется LC-контур, вводится достаточно глубокая отрицательная обратная связь, что существенно повышает стабильность работы автогенератора. При­нципиальная схема такого автогенератора на ОУ изображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема автогенератора LC–типа на операционном усилителе

Резисторы R₁, R₂ и R_t образуют цепь отрицательной обрат­ной связи. Резонансный LC-контур и резистор R₃ включены в звено с положительной ОС.

Для стабилизации амплитуды выходного напряжения в звене от­рицательной обратной связи используют терморезистор R_t. При уве­личении, например, выходного напряжения автогенератора по какой-либо причине ток через терморезистор R_t,возрастает, а его сопротив­ление уменьшается. В результате коэффициент усиления усилителя уменьшается. Переменный резистор R₂ необходим для точной регули­ровки выполнения условия баланса амплитуд.

Автогенераторы RС-типа.Для получения гармонических колеба­ний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RС -четырехполюсники. Такие автоге­нераторы получили название автогенераторов RС-типа. Применение RС-четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких час­тотах становятся громоздкими, а их добротность, ниже необходимых требований. С помощью автогенераторов RС-типа можно получать колебания и высокой частоты вплоть до 10 МГц. Однако преимущест­ва автогенераторов RС-типа проявляются именно на низких и инфранизких частотах. В этом частотном диапазоне за счет применения резисторов и конденсаторов автогенераторы RС-типа обладают бо­лее высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стои­мость, чем LС-автогенераторы. Для создания автогенераторов RC-типа широко используют биполярные и полевые транзисторы и ОУ.

В соответствии со структурной схемой автогенератора, изображен­ной на рис. 1, автогенератор RС-типа содержит усилитель на тран­зисторе или ОУ и звено обратной связи, являющееся частотно-зависи­мой RС-цепью. Как правило, такими частотно-зависимыми цепями являются Г-образные RС-цепи (рис.4,а,б), мост Вина (рис. 4,в).

Автогенератор RС-типа с Г-образным RС-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный транзисторный усилитель, охвачен­ный обратной связью (рис. 5, а). Как известно, в однокаскадном усили­те без обратной связи входное и выходное напряжения сдвинуты по фазe на 180°. Если выходное напряжение этого усилителя подать на его вход, то получится 100%-я отрицательная обратная связь. Для соблюдения баланса фаз, т.е. для введения положительной обратной связи в усилителе, выходное напряжение, прежде чем подать его на вход усилителя, необходимо сдвинуть по фазе на 180°. Если считать, что входное сопротивление усилителя очень большое, а выходное очень малое, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RС-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°.

Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте f₀ =1/(15,4 RC), а баланс амплитуд — при коэффициенте усиления К ≥ 29. Если в рассматриваемом автогенераторе поменять местами резисторы и конденсаторы (рис. 5, б, то генерация автоколебаний будет на частоте f₀ =0,39/RC при коэффициенте усиления К≥11,8.

а) б)

Рис. 5. Схема автогенератора RC-типа с фазосдвигающей Г-образной RС-цепью (а), с Г-образным RС-звеном обратной связи, в котором R и С поменя­ли местами (б)

Отметим, что Г-образные RС-цепи иногда выполняют с количеством звеньев больше трех (чаще всего четырехзвенные). Увеличение частоты генерации можно добиться при смене мест резисторов и конденсаторов в RС-цепи того же генератора.

Для изменения частоты генерации в рассматриваемом генераторе необходимо изменять одновременно либо все сопротивления R, либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными RС-цепями работают обычно на фиксированной частоте или, в крайнем слу­чае, в узком перестраиваемом диапазоне.

Рассмотренный автогенератор RС-типа имеет ряд недостатков:

1) цепь обратной связи сильно шунтирует усилительный каскад, вследст­вие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие баланса амплитуд, т.е. возникающие колебания могут быть неустойчивыми;

2) генерируемые колебания имеют значительное искажение фор­мы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к f₀. Это объясняется отсутствием стро­гой избирательности к основной частоте Г-образных RС-цепей.

Для построения RС-автогенераторов широко используются опе­рационные усилители (рис. 6). В данной схеме усилитель должен обладать малым входным и выходным сопротивлением и создавать сдвиг фазы на 180°. Для этого ОУ охвачен частотно-независимой ООС, которая введена с помощью резистора R3. Эта цепь настолько умень­шает входное сопротивление ОУ, что в первом приближении можно, считать, что фазосдвигающая цепь работает на нулевое входное сопротивление.