Генерирование высокочастотных колебаний

Рассмотренный выше генератор требует для свой работы внешнее возбуждение.

Вместе с тем существует класс колебаний, возникновение которых не связано с каким-либо внешним воздействием. Они появляются как бы сами собой в специальных устройствах, имеют вполне определенную форму, параметры, свои особенности. Разумеется, из ничего эти колебания появиться не могут. Для их возникновения необходимы определенные условия, причины; о них будем говорить позже. Сейчас же обратим внимание на то, что колебания формируются самостоятельно, без постороннего воздействия. Такие колебания называются автоколебаниями, а устройства, их порождающие, - автогенераторами, которые далее будем называть просто генераторами.

Определим те предпосылки, которые необходимы для самопроизвольного возникновения автоколебаний. Для этого обратимся к обычному параллельному колебательному LС-контуру. Если контур подвергнуть кратковременному воздействию (например, импульсному), в нем возникнут электрические колебания, меняющиеся по синусоидальному закону. Из электротехники известно, что колебательный процесс в контуре не может продолжаться бесконечно долго, рано или поздно он затухнет. Причина затухания тоже известна: из-за потерь в контуре энергия колебания непрерывно уменьшается, рассеивается. В конечном итоге колебание уменьшится до нуля.

Значит, для того чтобы колебание не исчезло, необходимо постоянно пополнять рассеиваемую энергию. Поскольку в контуре отсутствует источник энергии, придется это делать за счет внешнего источника. В качестве него можно взять источник постоянного напряжения или тока.

Обратимся к схеме рис. 2.7. Если в отсутствие в контуре колебаний ключ К перевести в положение 2, конденсатор С зарядится до напряжения источника Е, получив некоторое количество энергии. При переводе ключа в положение 1 в контуре возникнут свободные колебания. Чтобы колебания не затухали (из-за наличия сопротивления потерь Я_п), будем периодически в такт с колебательным процессом подключать конденсатор С к источнику Е. В результате конденсатор будет постоянно порциями подзаряжаться от источника, пополняя свою энергию. За счет этого колебания в контуре станут незатухающими.

Для поддержания в контуре колебаний необходимо синхронное с ними переключение ключа К. Для этого необходима цепь управления (цепь обратной связи), передающая соответствующие команды на переключения. Очевидно, источником команд должен быть сам контур, который определяет периодичность колебаний с частотой.

Рассмотренная простейшая схема может считаться моделью автогенератора гармонических колебаний. Практическая реализация этой модели представлена схемой на рис. 2.8. Частотозадающим звеном является LС-контур, источником энергии - источник постоянного напряжения Е_с, включенный в цепь стока полевого транзистора VT. Роль ключа К выполняет затвор транзистора. Напряжение U₃ на затворе управляет током стока I. Переменная составляющая этого тока пополняет энергию контура. Обратная связь обеспечивается катушкой связи L_св, индуктивно связанной с катушкой контура L. Степень обратной связи определяется коэффициентом взаимоиндукции М. Транзистор не только выполняет функцию ключа К, но и «помогает» обратной связи, обеспечивая за счет своего усиления поступление в контур необходимых порций энергии. Дополнительный источник Е в цепи затвора играет вспомогательную роль, устанавливая, как увидим далее, необходимый режим работы транзистора.

Таким образом, все необходимые для генерации элементы, определяемые моделью генератора (см. рис. 2.7) находим в принципиальной схеме рис. 2.8. Однако для генерации колебаний необходимо еще выполнить определенные условия, которые нужны, во-первых, для появления колебаний (баланс фаз) и, во-вторых, для поддержания возникших колебаний с определенной амплитудой и частотой (баланс амплитуд).

Вначале рассмотрим физическую картину самовозбуждения.

В генераторе, как и в любой схеме и цепи, колебания из ничего появиться не могут. Необходим какой-то толчок изнутри или снаружи. Таким внутренним толчком могут быть флуктуации напряжения или тока, вызванные тепловым движением носителей зарядов (электронов). Эти флуктуации очень малы по интенсивности, но при определенных условиях могут стать источником упорядоченных колебаний.

Рассмотрим более простую ситуацию, связанную с появлением тока в момент включения источника напряжения Е_с. При появлении тока стока I конденсатор контура С зарядится и в контуре начнутся свободные затухающие колебания. Переменный ток i_L, проходящий по катушке L, за счет взаимоиндукции вызывает появление переменного напряжения U₃ на катушке связи L_св. Это напряжение, приложенное к затвору, вызывает пульсацию тока стока. В нем содержится переменная составляющая, которая создает на контуре переменное напряжение U_к. Фактически напряжение U_к является усиленным транзистором переменным напряжением затвора. Частота напряжения на затворе равна частоте собственных колебаний контура. Следовательно, и переменная составляющая тока стока имеет ту же частоту. Поэтому в контуре автоматически всегда будет резонанс токов и LС-контур для переменной составляющей тока стока представляет большое резистивное сопротивление R_эк.

Для самовозбуждения обратная связь должна быть достаточно большой, иначе переменное напряжение на затворе вызовет слишком малую переменную составляющую тока стока, энергия которой окажется недостаточной для компенсации потерь в контуре.

В принципе генератор похож на усилитель. Колебания, возникающие в контуре, с помощью обратной связи подаются на вход усилительного элемента (в данном случае транзистора), усиливаются им и выделяются на контуре, далее вновь поступают на вход транзистора, снова усиливаются и т.д. Амплитуда колебаний возрастает и доходит до определенного предела. По сути, генератор является усилителем собственных колебаний контура. По этой причине (если выполняются условия самовозбуждения) любой усилитель может превратиться в генератор. Например, микрофонный усилитель становится генератором звуковых колебаний, если из-за неудачной акустики помещения или плохой экранировки цепей возникают каналы акустической или электрической обратной связи, приводящие к самовозбуждению усилителя. В данном случае обратная связь играет вредную роль.

Теперь рассмотрим условия поддержания уже возникших колебаний, характерных для стационарного режима генератора, - колебаний с постоянной амплитудой и частотой. На рис. 2.9 показаны диаграммы токов и напряжений в различных точках схемы генератора (см. рис. 2.8). Причем в них учитываются только переменные составляющие, ибо только они играют определяющую роль в развитии процесса. Постоянные составляющие во внимание принимать не будем.

Рис. 2.9. Диаграммы напряжений и токов в автогенераторе

За исходное колебание возьмем ток i_L, протекающий в индуктивной ветви LС-контура (а). За счет тока i_L в катушке обратной связи L_св наводится ЭДС Е_п, являющаяся одновременно входным напряжением U₃ транзистора (б). Электродвижущая сила E_п связана с током i_L простым соотношением Е_п=±Md i_L/dt. Знак «+» или «-»в этом соотношении зависит от того, как намотаны и связаны между собой катушки L и L_св. В любом случае ЭДС E_п сдвинута относительно тока i_L на 90°, т.е. представляет собой косинусоидальное колебание. Однако будет ли Е_п опережать ток i_L или отставать от него, зависит в соответствии с вышеприведенной формулой от того, как включены концы одной из катушек.

В нашем случае Е_п опережает по фазе ток i_L на 90° (сплошная линия). Входное напряжение U₃ = Е_п вызывает изменение тока стока I в той же фазе (в). Ток i создает падение напряжения на контуре генератора (г). Так как контур является «дирижером» частоты и колебания осуществляются на резонансной частоте контура , фаза напряжения U_к совпадает с фазой тока i. Сопротивление контура R_эк имеет здесь резистивный характер. Ток в индуктивной ветви контура отстает по фазе от напряжения U_к на 90° (д).

Ток можно рассматривать как «добавку», приращение к существующему току i_L (а) контура. В самом деле, ведь в конечном итоге ток обязан своим появлением ЭДС Е_п, наведенной в катушку связи L_св. Если бы ЭДС была равна нулю, всех последующих колебаний просто не было бы. Следовательно, существование и значение тока непосредственно зависит от наличия и значения ЭДС. Чем больше наведенная в катушке L_св ЭДС, тем большей окажется амплитуда порожденного ею тока .

Приращение по отношению к току i_L может быть положительным, когда фазы и i_L совпадают (токи синфазны), или отрицательным, когда эти же токи будут иметь противоположные, сдвинутые на 180° фазы (токи противофазны). В первом случае ток поддерживает ток i_L, во втором - подавляет этот же ток.

В нашем случае, как видно из сравнения диаграмм (а) и (д), ток синфазен с током i_L, следовательно, увеличивает последний. Обратная связь здесь оказывается положительной.

Если теперь поменять друг с другом концы катушек связи L_св, ЭДС Е_п будет отставать по фазе от тока i_L на те же 90° (знак в вышеприведенной формуле изменится на противоположный) и окажется в противофазе со своим первоначальным значением. На диаграмме (б) для данного случая колебания показаны штриховой линией. Далее последующие процессы будут протекать, как описано выше (все они показаны штриховой линией). В итоге видим, что ток оказывается, как и следовало ожидать, в противофазе с током i_L. Следовательно, ток не только не будет поддерживать i_L, но будет последний подавлять, увеличивая затухание контура. Обратная связь станет отрицательной, при которой ни самовозбуждение, ни даже поддержание уже возникших колебаний окажется невозможным.

Действие положительной и отрицательной обратной связи можно проследить на простой механической модели маятника (или качелей). Если подталкивать маятник в такт с его собственными колебаниями, маятник будет раскачиваться. Если в «противотакт» - маятник будет тормозиться. Таким образом, для самовозбуждения генератора и поддержания в нем незатухающих колебаний должны выполняться два условия: обратная связь должна быть положительной, а ее значение - достаточно большим для полной компенсации рассеиваемой энергии в контуре. Рассмотренная картина дает нам, конечно, только качественное представление о тех физических процессах, которые протекают в автогенераторе.

Две схемы генераторов с самовозбуждением показаны на рис. 2.10. В схеме рис. 2.10, а применена автотрансформаторная связь: на вход усилителя подается часть напряжения с контура при помощи отвода от катушки в точке m.

Рис. 2.10. Принципиальные схемы автогенераторов

В схеме рис. 2.10, б применена емкостная связь. Полная емкость контура образована включенными последовательно конденсаторами С1 и С2, а на вход усилителя подается напряжение с конденсатора С2. Усиленные колебания подаются в контур через конденсатор С_р, а питающее напряжение на усилительный элемент подается через резистор R_П. Во всех схемах между управляющим электродом усилительного элемента и общей точкой включено сопротивление R_c. Это сопротивление способствует стабилизации амплитуды генерируемых колебаний. Проходящий по нему ток создает падение напряжения. При возрастании амплитуды тока через сопротивление R_с падение напряжения на нем увеличивается - изменение напряжения смещения на управляющем электроде уменьшает усиление. При уменьшении амплитуды колебаний это напряжение уменьшается, а усиление возрастает, что способствует восстановлению первоначальной амплитуды колебаний.

Генераторы с обратной связью для диапазонов дециметровых и сантиметровых волн, в принципе, не отличаются от описанных. Они отличаются только конструкцией колебательного контура, а в случае наиболее коротких волн - также типом усилительного элемента. На дециметровых и сантиметровых волнах используются соответственно короткозамкнутые отрезки коаксиальных линий и волноводов и объемные резонаторы. В качестве усилительного элемента на сантиметровых волнах применяют клистроны и лампы бегущей волны.

При необходимости в генераторе с высокой стабильностью частоты предпочтение отдается усилительным элементам минимальной мощности; в них выделяется соответственно мало тепла, что облегчает стабилизацию температуры генератора, которая представляет одно из условий постоянства частоты. Широко применяются маломощные транзисторы и туннельные диоды.

Рис. 2.11. Автогенератор на туннельном диоде

Характеристика туннельного диода имеет падающий участок, которому соответствует отрицательное сопротивление в пределах этого участка (АВ на рис. 2.11, а). Из приведенных выше схем видно, что в автогенераторе с обратной связью действие усилителя эквивалентно шунтированию колебательного контура отрицательным сопротивлением; в случае туннельного диода это отрицательное сопротивление получается более просто, путем выбора рабочей точки на падающем участке характеристики. Туннельный диод (ТД) подключается параллельно колебательному LС-контуру (рис. 2.11, б) или последовательно с его элементами. Рабочая точка устанавливается при помощи делителя напряжения на резисторах R₁ и R₂. Генераторы с туннельными диодами делаются для любых частот радиодиапазонов, вплоть до миллиметровых волн.