Режимы самовозбуждения автогенераторов

Чтобы выявить особенности самовозбуждения генератора и определить стационарную амплитуду выходных колебаний, удобно использовать метод совместного анализа амплитудной характеристики усилителя К и прямой линии ОС β= U_ОС/ U_ВЫХ, отражающей влияние цепи ПОС (рис. 5). Отметим, что амплитудная характеристика собственно усилителя в теории генераторов соответствует колебательной характеристике. Суть метода традиционна и заключается в том, что схему генератора (см. рис. 3) мысленно (и по существу) разделяют на две цепи — линейную и нелинейную. Линейная цепь представляет петлю ПОС, а нелинейная — собственно усилитель (ОУ и цепь ООС).

Мягкий режим самовозбуждения. Типичный вид амплитудной характеристики нелинейного усилителя на ОУ (рис. 5, а). При малой амплитуде входного напряжения U_ВЫХ/U_ВХ=К. С ростом же амплитуды начинает проявляться нелинейность передаточной характеристики ОУ, и коэффициент усиления К (а значит, и выходное напряжение) будет практически постоянным и даже может уменьшаться. На линейном участке напряжение ОС U_ОС = U_BX линейно связано с выходным напряжением U_ВЫХ и определяется коэффициентом передачи цепи ПОС β (ведь U_ОС = β U_ВЫХ). Это напряжение действует на входе усилителя, поэтому линию ОС (зависимость U_ВЫХ от U_ОС) проводят на графике в виде прямой линии βпод углом γ = arctg(l/β) к оси абсцисс (см. рис.5, а).

Положим, что на вход усилителя воздействует небольшое входное напряжение U_BX1. Тогда после усиления в К раз на выходе генератора появится напряжение U_ВЫХ1. Это напряжение, ослабленное цепью положительной ОС в β раз, поступает на вход усилителя в виде напряжения U_BX2. Оно затем, в свою очередь, усилится до напряжения U_ВЫХ2. Подобный процесс будет протекать до тех пор, пока амплитуда выходного колебания не достигнет стационарного значения, при котором выполняется условие баланса амплитуд.

Стационарную амплитуду автоколебаний генератора можно определить по координатам точки пересечения амплитудной характеристики усилителя с линией ОС (точка А на рис. 5, а). Точка А является точкой устойчивого равновесия, и при случайном отклонении амплитуды выходного напряжения от стационарного значения U_СТ автогенератор всегда возвращается в исходное состояние. Допустим, что амплитуда выходного напряжения U_ВЫХ уменьшилась относительно U_СТ на величину ∆U_ВЫХ. Это вызовет снижение напряжения ОС U_ОС на значение ∆U_ОС, что, в соответствии с амплитудной характеристикой, в свою очередь, приведет к увеличению выходного напряжения U_ВЫХ. При этом выходное напряжение будет расти до стационарного значения U_СТ, а нестабильность напряжения ОС ∆U_ОС уменьшится до нуля и перейдет в точку U_ОССТ. Исследуем влияние значения коэффициента передачи цепи ПОС β на режим самовозбуждения автогенератора гармонических колебаний с типом амплитудной характеристики усилителя, показанной на рис. 5, б. Кстати заметим, что изменение значения коэффициента передачи цепи ПОС β в схеме рис. 3 можно осуществлять либо регулировкой значения сопротивления резистора R, либо изменением коэффициента включения колебательного контура (неполным включением контура).

Если плавно увеличивать коэффициент передачи β (уменьшать наклон линии β), то, начиная с некоторого критического значения βкр, амплитуда стационарного колебания f/CT будет нарастать (см. рис. 5). Такой режим самовозбуждения генератора называют мягким. Для его обеспечения амплитудная характеристика усилителя должна выходить из нуля и иметь достаточно большой угол наклона к оси абсцисс в начале координат. Мягкий режим характерен тем, что подбором коэффициента передачи β можно установить любую, очень небольшую (близкую к уровню шумов), стационарную амплитуду выходных колебаний. В мягком режиме самовозбуждения на выходе генератора возникают колебания при появлении на входе усилителя малых уровней шумовых напряжений.

а — амплитудная характеристика и линия обратной связи;

б — зависимость амплитуды U от коэффициента передачи β

Жесткий режим самовозбуждения. Другая картина процессов

наблюдается в процессах в автогенераторах, амплитудная характеристика усилителя которых имеет S-образную форму (рис. 6, а). Такой амплитудной характеристикой обладает усилитель при расположении его рабочей точки на нелинейном участке передаточной характеристики ОУ. Для самовозбуждения автогенераторов требуется очень сильная ПОС, и выходные колебания возникают мгновенно — скачком. Резкое («взрывное») самовозбуждение автогенератора происходит при значении коэффициента передачи цепи ОС β = β₁ когда линия ОС (линия 1 на рис. 6, а) касается снизу амплитудной характеристики в точке 0. Генерация колебаний срывается скачком при значении коэффициента передачи β, меньшем β₂, когда линия ОС (линия 2) становится касательной к выпуклой части амплитудной характеристики. На графиках рис.6, а точка А отражает стационарный режим работы автогенератора, а точка С — режим неустойчивого равновесия. Такое положение объясняют следующим образом: при амплитудах выходных колебаний автогенератора, располагающихся на графиках ниже точки С, колебания затухают, а при амплитудах, находящихся выше точки С, — будут нарастать и достигнут стационарной амплитуды в точке А.

Чтобы вновь возбудить автогенератор, необходимо опять увеличить коэффициент передачи цепи ПОС β до значения β₁ соответствующего положению линии 1. Такой режим самовозбуждения автогенератора называют жестким. На рис. 6, б показана зависимость стационарной амплитуды U_CT от коэффициента передачи цепи положительной ОС, причем стрелками показано направление изменения β. Жесткий режим самовозбуждения автогенератора неэффективен, считается нежелательным и применяется крайне редко.

а — амплитудная характеристика и линия обратной связи;

б — зависимость амплитуды U от коэффициента передачи β