Генераторы гармонических колебаний.

Назначение и классификация генераторов.

Генератором гармонических колебаний называют электронное устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих синусоидальных колебаний заданной частоты. Структура генератора содержит в своем составе активный элемент и частотно-избирательный четырехполюсник. В качестве активных элементов используют транзисторы и интегральные усилители. Гармонические колебания в генераторах поддерживаются резонансными LC-контурами или с помощью фазирующих RC-цепей, включаемых в цепь обратной связи усилителей. Первые называют LC-генераторами, а вторые – RC-генераторами.

Условия самовозбуждения автогенераторов.

При охвате усилителя положительной обратной связью он самовозбуждается, так как коэффициент усиления на определенных частотах достигает бесконечно большого значения. Такая схема работает в автоколебательном режиме и является автогенератором. Т.е, автогенератор гармонических колебаний представляет собой усилитель с коэффициентом усиления Ки, охваченный положительной обратной связью с коэффициентом передачи напряжения β (рис. 65).

Рис. 65

Напряжение, снимаемое с выхода звена обратной связи:

U_ос = βU_вых (54)

а напряжение на выходе генератора

U_вых = К_и U_ос , т.е.

U_вых = K_иβU_вых

Следовательно, установившиеся колебания будут существовать в схеме при условии

K_иβ = 1 (55)

При K_иβ > 1 амплитуда колебаний будет непрерывно возрастать. Условие (55) можно записать следующим образом:

K_иβ^[i(φ_k^{+ φ}_β^)] =1 (56)

Так как K_иβ– величина комплексная, процесс самовозбуждения автогенератора, описываемый выражением (56), можно охарактеризовать двумя формулами:

K_иβ = 1 (57)

φ_k + φ_β=2πn (58)

Уравнение (57) показывает, что для существования автоколебательного режима ослабление сигнала, вносимое звеном обратной связи, должно компенсироваться усилителем. Это условие баланса амплитуд.

Уравнение (58) отражает условие баланса фаз, при котором сдвиг фаз вносимый усилителем и звеном обратной связи должен равняться 2πn, где n= 0,1,2, 3,…

Для генерации колебаний синусоидальной формы у автогенератора должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд на одной и той же частоте.

LC-автогенераторы.

Схема автогенератора с резонансным LC-контуром показана на рис. 5.3, а. В этой схеме используется индуктивная связь обмотки резонансного контура являющегося нагрузкой однокаскадного усилителя по схеме ОЭ, со второй обмоткой L_б включенной в цепь возбуждения усилителя (в цепь базы). Элементы R₁, R₂, R₃ и C_э предназначены для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. Сопротивления r_к и r_б учитывают активные потери соответственно в контурной и базовой обмотках. За счет конденсатора С,реактивное сопротивление которого на частоте генерации незначительно, заземляется один конец базовой обмотки.

Рис. 5.3

Сопротивление контура на резонансной частоте носит чисто активный характер и равно L_к/(r_кC_к).Поэтому при воздействии на базу сигнала переменного тока с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекторе будет сдвинуто по фазе на 180° (как для каскада усиления по схеме ОЭ). Поскольку базовая и контурная обмотки имеют взаимную индуктивность, переменное напряжение на базовой обмотке U_бэ, а счет тока I_к, проходящего через контурную обмотку L_к, будет равно ± jwMI_к,где М – коэффициент взаимоиндукции. Если выбрать направление намотки катушек таким, что U_бэ = -jwMI_к, тo общий фазовый сдвиг в замкнутой цепи усилитель – звено обратной связи будет равен нулю. Это обеспечивает выполнение условия баланса фаз.

При этом частота колебаний LC-автогенератора выражается формулой

(5.8)

RC-автогенераторы.

У LC-автогенераторов в диапазоне низких частот непомерно увеличиваются индуктивность и емкость колебательного контура. Поэтому в автогенераторах гармонических колебаний низкочастотного диапазона используют частотно-избирательные цепочки из элементов R и С. Такие автогенераторы называют RC-генераторами. Они имеют меньшие габариты при частотах от долей герц до десятков килогерц.

Чтобы из всего возможного спектра частот RC-автогенератор генерировал лишь одну какую-либо гармоническую составляющую, условия самовозбуждения генератора [формулы (5.4), (5.5)] должны быть выполнены на этой частоте.

Наиболее широкое применение находят RC-автогенераторы, в которых используют последовательно-параллельную, частотно-избирательную RC-цепочку (рис. 5.4, а). Квазирезонансная частота для этой цепочки

(5.9)

и коэффициент передачи напряжения на квазирезонансной частоте

β₀ = U_вых/U_вх = 1/(1 + R₁/R₂ + С₂/С₁) (5.10)

Так как в реальных схемах обычно R₁ = R₂ = Rи С₁ = С₂ = С, то соотношения (5.9) и (5.10) соответственно имеют вид f₀ = 1/(2πRC), β₀ = 1/3.

Рис. 5.4

Поскольку коэффициент передачи напряжения β₀ — величина положительная, сдвиг фазы входного сигнала на квазирезонансной частоте отсутствует (φ_β=0). Таким образом, для выполнения условий самовозбуждения усилительное звено RC-автогенератора должно обеспечивать фазовый сдвиг φ_k = 2 πn, где n = 0, 1, 2, 3 ..., поскольку φ_β=0 [см. равенство (5.5)], и иметь коэффициент усиления, больший трех ((βК_и > 1). Тем самым удовлетворяется условие баланса фаз и амплитуд.

Принципиальная схема RC-автогенератора на двухкаскадном усилителе по схеме ОЭ, в цепь положительной обратной связи которого включена последовательно-параллельная RC-цепь,показана на рис. 5.5, а. Двухкаскадный усилитель обеспечивает общий нулевой фазовый сдвиг (по 180° на каждый каскад). Благодаря тому, что последовательно-параллельная RC-цепь на квазирезонансной частоте f₀ также обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, условие баланса фаз выполняется именно на этой частоте, чем достигается получение синусоидальной формы кривой генерирующих колебаний.

Рис. 5.5

Так как двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления, значительно превышающий 3, через цепочку R_oc, R_э1 введена отрицательная обратная связь, охватывающая оба каскада и снижающая коэффициент усиления до критического. Это позволяет о улучшить форму кривой генерируемых колебаний, а также повысить стабильность их частоты.