ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Электронным генератором называется устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию пе­ременного тока определенной формы и частоты с помо­щью электронных приборов.

Электронные генераторы находят широкое приме­нение в различных областях техники и в быту. Впервые их начали применять в радиопередающих устройствах для связи и радиовещания. Электронные генераторы исполь­зуют для решения всевозможных технических задач, таких как высокочастотная закалка и сушка, разупрочнение мерзлых пород, влагометрия. Наконец, электронные гене­раторы начали использовать и в быту - в качестве примера можно назвать микроволновые печи, обладающие опреде­ленными преимуществами при приготовлении пищи.

Электронные генераторы можно классифицировать по различным признакам:

по способу возбуждения - с посторонним возбуж­дением и самовозбуждением (автогенераторы);

по форме генерируемых колебаний - генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и несинусоидальных (релаксационных) колебаний;

по диапазону генерируемых частот - низкочастот­ные (до 100 кГц), высокочастотные (100 кГц-100 МГц), генераторы сверхвысоких частот (СВЧ) - свыше 100 МГц, . генераторы оптического диапазона.

Электронные генераторы с постоянным возбужде­нием, по существу, являются избирательными (резонансными) усилителями. Генератор с самовозбуждением называется автогенератором.

По принципу действия автогенераторы можно раз­делить на три вида:

1) автогенераторы с положительной обратной связью - такие генераторы имеют наибольшее распростра­нение;

2) генераторы с отрицательным сопротивлением, например, построенные на туннельных диодах;

3) автогенераторы, в которых используется уст­ройство, сопротивление которого в процессе работы изме­няется скачком (например, электронный прибор в ключе­вом режиме).

Рассмотрим принцип действия автогенератора с положительной обратной связью (рис. 108).

Рис. 108. Структурная схема усилителя с разомкнутой цепью обратной связи (а) и превращение его в автогенератор (б)

Коэффициент усиления по напряжению k = Uвых / Uвх, коэффициент обратной связи β = Uо.с / Uвых; Uо.с - напряжение обратной связи.

Из выражений для К и β следует, что

Uо.с = βUвых = βkUвх.

Если за счет подбора β добиться, чтобы βk = 1, то Uo.c = Uвх.

Если при выполнении этих условий отключить на­пряжение Uвх от постороннего источника и подключить на вход усилителя Uо.c = Uвх, то усилитель будет в тех же условиях, в каких он находился, когда на его вход подава­лось напряжение от постороннего источника, и, таким об­разом, усилитель превращается в автогенератор.

Выполнение условия Uo.c = Uвх называется выпол­нением условия баланса амплитуд. Кроме выполнения этого условия для превращения усилителя в автогенератор необходимо также выполнение условия баланса фаз, при котором напряжение Uo.c совпадает по фазе с напряжением Uвx. При этом потери энергии в ав­тогенераторе восполняются через цепь обратной связи от источника питания автогенератора. Колебания на выходе схемы поддерживаются в такт (в фазе) колебаниям, посту­пающим на вход через цепь обратной связи. При β < 1 / k напряжение на входе через цепь обратной связи окажется слишком малым и колебания на входе прекратятся. При β > 1 / k напряжение на выходе будет возрастать до тех пор, пока нелинейность вольт-амперной характеристики усилителя не приведет к уменьшению k до значения, при котором будет выполняться условие Uо.c = Uвх.

Если условия баланса амплитуд и фаз выполняются для одной частоты, автогенератор будет генерировать гар­монические колебания. Если условия выполняются для полосы частот, то в генераторе будут возникать несину­соидальные колебания.

При использовании в генераторе LC колебательно­го контура образуются LC-автогенераторы, работающие на высоких частотах. В случае применения в качестве эле­ментов схемы резисторов и конденсаторов образуются RC-автогенераторы, используемые для генерирования низких частот.

На рис. 109 показана упрощенная схема LC-авто-генератора синусоидальных колебаний с индуктивной об­ратной связью. Она состоит из транзистора типа п-р-п, колебательного контура L_KC_K, катушки обратной связи Lо.c и источника питания Еп. При замыкании ключа К напря­жение источника питания вызывает коллекторный ток, который из-за индуктивности катушки L_K будет нарастать постепенно, при этом заряжается конденсатор Ск. В гене­раторе используется контур с малыми потерями, т.е. с вы­сокой добротностью, поэтому разряд конденсатора через катушку L_K будет носить колебательный характер. Пере­менный ток в контуре через взаимоиндукцию М возбудит напряжение в катушке обратной связи Lк, которое попа­дет на базу транзистора и вызывает пульсацию тока базы и коллекторного тока. Переменная составляющая коллек­торного тока создаст переменное напряжение на колеба­тельном контуре, которое при выполнении условий балан­са фаз и амплитуд превратит колебания в контуре в неза­тухающие.

Рис. 109. Упрощенная схема LС-автогенератора

Частота возникающих колебаний определяется час­тотой собственных колебаний контура

При необходимости построения автогенераторов в диапазоне низких частот использование LC-колебательных контуров нецелесообразно, так как такие контуры стано­вятся громоздкими и имеют добротность меньшую, чем необходимо для самовозбуждения генератора. Генераторы самовозбуждения низкой частоты строят по другим схемам и в качестве цепей обратной связи используют элементы в виде резисторов и конденсаторов.

В схеме RC-автогенератора с двойным Т-образным мостом (рис. 110) на очень низких частотах, при ω → ∞ ко­эффициент обратной связи β→ 1, так как сопротивления конденсаторов становятся большими и все напряжение и_вых через один «верхний» Т-образный мост (R, 2C, R) передает­ся на вход в виде напряжения обратной связи и_о.с. На очень высоких частотах при ω → ∞ коэффициент β→ 1, так как сопротивления конденсаторов становятся малыми и все на­пряжение с выхода схемы через «нижний» Т-образный мост (С, R/2, С) передается на ее вход.

На квазирезонансной частоте ω = 1/RC (когда реактивное сопротивление 1/ω₀С становится равным R) общий коэффициент передачи β = 0, так как на этой час­тоте каждый из одинарных Т-образных мостов, из кото­рых состоит двойной Т-образный мост, имеет равные по модулю и противоположные по фазе коэффициенты пе­редачи и их выходные токи взаимно компенсируются, так что и_о.с = 0. На этой частоте в RС-автогенераторе возбуждаются колебания.

Рис. 110. Схема двойного Т-образного моста