Генераторы гармонических колебаний

Генератором называется устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию электромагнитных колебаний требуемой частоты и мощности. В зависимости от формы колебаний различают генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и генераторы несинусоидальных колебаний (прямоугольных, пилообразных и т.д.), которые называются релаксационными (импульсными). Генераторы гармонических электромагнитных колебаний широко используются в технике: в качестве задающих генераторов в радиотехнических устройствах; в частотных измерительных устройствах, например, для контроля состава веществ, влажности материалов и т.д.; для индукционного высокочастотного нагрева металлов и диэлектриков; при ультразвуковой обработке материалов и в различных преобразователях.

При частоте генерации до 100 кГц генераторы считаются низкочастотными, oт 0.1 до 100 МГц — высокочастотными, выше 100 МГц — СВЧ-генераторами. По признаку управления режимом работы различают генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением. Генератор с независимым возбуждением представляет собой по сути линейный или избирательный усилитель с внешним автогенератором и в схемотехническом смысле самостоятельного интереса не представляет. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать автогенераторы.

Автогенератор выполняется на основе усилителя, охваченного положительной обратной связью, обеспечивающей устойчивое самовозбуждение. Общая структурная схема любого генератора имеет вид, показанный на рис.2.75. Как видно из этой схемы, . В свою очередь, напряжение на выходе связано с напряжением на входе через коэффициент усиления:

Следовательно, установившиеся колебания будут существовать при выполнении условия:

При условии амплитуда колебании будет непрерывно возрастать. Так как величина выражается комплексным числом, то условие самовозбуждения генератора можно представить в виде двух отдельных условий касательно фазы и амплитуды колебании:

Первое уравнение называется условием баланса фаз. Оно говорит о том, что фазовые сдвиги сигнала в усилителе и в звене обратной связи в сумме должны быть кратны 2p. По сути дела это условие наличия положительной обратной связи.

Второе уравнение называется условием баланса амплитуд. Оно говорит о том, что ослабление сигнала, вносимое звеном обратной связи, должно компенсироваться усилителем и наоборот. Для процесса развития автоколебаний при подаче напряжения на схему необходимо условие баланса амплитуд выдержать в виде . Для установившегося процесса колебаний достаточно условие .

Режим, когда после включения питания схема начинает автогенерировать от бесконечно малых шумов, всегда имеющих место в электрической схеме, называется мягким режимом самовозбуждения. При нем автогенератор гарантировано загенерирует при включении.

Если же схема начинает генерировать при подаче на вход толчка напряжения определенной величины, то говорят о жестком режиме самовозбуждения.

Всегда стремятся получить мягкий режим самовозбуждения. Генераторы, как и избирательные усилители, выполняют с колебательными LC-контурами и частотно-зависимыми RC-цепями.

LC-автогенератор выполняется на базе резонансного избирательного усилителя, охваченного положительной обратной связью. Схемы генераторов различаются как способами включения резонансного LC-контура, так и способами создания обратной связи.

Классической схемой автогенератора гармонических колебаний является схема автогенератора с трансформаторной связью, приведенная на рис. 2.76. Здесь использован резонансный усилитель на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ, коллекторной нагрузкой которого включен колебательный контур. Для выполнения условия баланса фаз требуется соблюсти полярность подключения обмотки обратной связи. Так как , то для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления транзистора h₂₁ должен быть не менее величины . Частота генерации определяется резонансной частотой контура:

Сигнал отрицательной обратной связи может быть снят непосредственно с колебательного контура без использования трансформатора. Для этого необходимо сделать дополнительный отвод от индуктивности или от конденсатора. При этом контур включается в схему тремя точками и генератор называется трехточечным.

Для того чтобы форма сигналов была синусоидальна необходимо, чтобы добротность контуров была высока, не менее 100, иначе могут создаться условия самовозбуждения для гармоник резонансной частоты. Кроме того, искажение формы может происходить при очень больших коэффициентах обратной связи b.

Регулировать b затруднительно, поэтому иногда одновременно с основной положительной обратной связью вводят дополнительную отрицательную обратную связь для установки оптимального значения b.

Изменение частоты генерации в LC-генераторах можно осуществлять регулированием L и С. Изменять индуктивность конструктивно сложно, поэтому в основном применяют индуктивную трехточку с переменной емкостью. В качестве конденсатора C можно использовать варикап, тогда частоту можно регулировать путем изменения постоянного напряжения, подаваемого на варикап.

Автогенератор можно построить, используя ОУ, как это показано на рис. 2.77. Резисторами R₁ и R_ос¢ определяется коэффициент усиления каскада. Резистор R_ос¢¢ и LC-контур образуют цепь положительной обратной связи.

В LC-генераторах частота, строго говоря, зависит не только от резонансной частоты колебательного контура, но в какой-то мере от параметров транзистора или ОУ, от положения точки покоя усилительного каскада, а следовательно, и от напряжения питания, в свою очередь, параметры L, С, R зависят от температуры окружающей среды. Влияние этих факторов приводит к нестабильности частоты генерации. Величину нестабильности оценивают коэффициентом относительной нестабильности:

Без применения специальных мер по стабилизации частоты коэффициент нестабильности составляет несколько процентов, что для многих случаев недопустимо. Основные методы повышения стабилизации частоты следующие: высокая стабилизация напряжения питания, использование термостабильных резисторов и конденсаторов, термостабилизации схемы (помещение в термостат), использование кварцевых или других стабильных резонаторов.

Как уже говорилось, LC-генераторы эффективны на высоких частотах, не менее десятков кГц. На низких частотах требуются большие индуктивность и емкость, а это приводит, кроме увеличения габаритов деталей, к заметному активному сопротивлению индуктивности и току утечки в емкости, что снижает добротность колебательного контура. При этом ухудшается форма генерируемых колебании и падает стабильность генератора.

Поэтому на низких частотах в генераторах в качестве избирательных элементов используются RC-частотно-зависимые цепи, включаемые в обратную связь апериодического усилителя. Такие генераторы называются RC-генераторами. Эти генераторы обладают малыми габаритами. Массой и стоимостью и в некоторых случаях область их применения расширяют до сотен кГц.

Условия самовозбуждения RC-генераторов те же: баланс фаз и баланс амплитуд. Как известно, условие баланса фаз можно выдержать при повороте фазы и цепи обратной связи на ±180° или без сдвига фаз в этой цепи на частоте генерации. В первом случае усилитель должен быть инвертирующим, а на втором — неинвертирующим.

На рис. 2.78показана схема и характеристики широко используемой RC-частотно-зависимой цепи, носящей название мост Вина. Характерной особенностью этой схемы является то, что на квазирезонансной частоте сдвиг фаз между входными выходным напряжениями отсутствует. Модуль коэффициента передачи на квазирезонансной частоте , следовательно, эта цепь может работать в генераторах, усилитель которого может иметь низкий (более 3) коэффициент усиления.

Известная нам из раздела избирательных усилителей схема двойного Т-моста также находит применение в автогенераторах. Этот мост на квазирезонансной частоте f₀ имеет нулевое значение коэффициента передачи b₀. При этом фазовый сдвиг j_b = p. В генераторе с мостом Вина проще производить перестройку частоты генерации.

На рис. 2.79 приведена принципиальная схема автогенератора на ОУ с фтрехзвенной T-образной фазосдвигающей цепочкой в обратной связи. При этом надо выдержать условия:

Меняя в некоторых пределах R_oc можно осуществлять регулирование амплитуды колебании.

На рис. 2.80 показана схема автогенератора на ОУ с использованием моста Вина в цепи обратной связи на неинвертирующий вход, что обеспечивает отсутствие сдвига фаз (j_b = 0). При использовании моста Вина в транзисторном автогенераторе для соблюдения условия баланса фаз необходимо использовать два каскада усилителя, так каждый из них меняет фазу на 180°.

Генераторы на нелинейных элементах с отрицательным сопротивлением используются значительно реже, и, как правило, в области высоких частот. Отрицательным сопротивлением обладают туннельные диоды, обращенные диоды, терморезисторы, тиристоры и стабилитроны. Вольтамперная характеристика таких элементов имеет падающий участок (рис. 2.81). Рабочую точку A выбирают на середине падающего участка. Наибольшее применение в автогенераторах гармонических колебаний имеют туннельные диоды.

Генераторы на туннельных диодах очень просты. Здесь не требуется внешней цели обратной связи. Обратная связь реализуется самим диодом. Простейшая схема генератора на туннельных диодах показана на рис. 2.82. Резисторы R₁ и R₂ определяют смещение рабочей точки в область вольтамперной характеристики с отрицательным сопротивлением. В эквивалентной схеме резистор R представляет собой параллельное соединение резисторов смещения R₁ и R₂:

С_д — емкость туннельного диода; r_д — отрицательное сопротивление диода.

Условия самовозбуждения:

При этом частота генерации может быть определена по формуле:

Форму колебаний и их амплитуду можно изменить, изменяя величину смешения по постоянному току (величину r_д), а также отношение L/С_д. При малом L амплитуда колебаний мала, но хорошая гармоническая форма колебаний, при росте L амплитуда увеличивается, но ухудшается форма.

Недостаток всех генераторов на туннельных диодах — малая мощность. Достоинство — высокая экономичность, малые габариты и масса.

Основная область применения таких генераторов — сверхвысокие частоты до 100 ГГц.

Стабилизация частоты в автогенераторах. Эффективность ряда электронных преобразователей зависит от стабильности частоты используемых автогенерато­ров. Например, работа радиопередатчиков допустима лишь на строго заданной частоте независимо от условий его эксплуатации. Основные факторы нестабильности частоты генераторов: влияние температуры на параметры элементов схемы, нестабильность напряжения питания, колебания атмосферного давления и влажности, изменение электрической нагрузки генератора.

Стабильность LC-генераторов тем больше, чем больше добротность контура. Для уменьшения нестабильности чистоты из-за старения элементов генератора и влияния температуры применяют высокостабильные резисторы, конденсаторы и катушки, а усилительные каскады снабжают цепями стабилизации режима. В ответственных случаях весь генератор или ею частотно-задающие элементы помешают в термостат, внутри которого поддерживается постоянная температура, а иногда и давление воздуха.

Высокой стабильностью обладают генераторы с кварцевой стабилизацией. В таких генераторах используются кварцевые резонаторы, представляющие собой пластинку кварца или турмалина, обладающих пьезоэффектом. Резонатор обладает колебательными свойствами аналогично колебательному контуру. Частота собственных механических колебаний зависит от размера кварцевой пластинки. Когда частота собственных механических колебаний кварцевого резонатора совпадает с частотой подведенного к нему переменного напряжения, наступает явление резонанса и амплитуда колебаний резонатора становится максимальной. Кварцевые резонаторы выпускаются на частоту от 1 кГц до 100 МГц. Высокая стабильность частоты в генераторах объясняется очень большой добротностью кварцевого резонатора (10⁵–10⁶), недостижимой в LC-колебательном контуре. Недостаток кварцевой стабилизации — возможность работы только на фиксированной частоте. Температурная нестабильность кварцевого резонатора очень мала — порядка 10^-8.

На рис. 2.83 показан пример реализации кварцевого автогенератора на полевом транзисторе.

Для стабилизации колебаний низкой и инфранизкой частот служат камертонные и магнитострикционные вибраторы.

На СВЧ-диапазоне в качестве стабилизирующих контуров используют так называемые полые резонаторы.