Это равенство следует из соотношений

Лабораторная работа № 7

Исследование схемы RC – генератора на биполярном транзисторе.

Цель работы:

1. Изучение работы генератора с положительной обратной связью.

2. Исследование влияния параметров элементов схемы генератора, выполненного на биполярном транзисторе с RC – звеном обратной связи на его основные характеристики.

Основные теоретические положения.

Электронным генератором гармонических колебаний называют устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности.

Электронные генераторы гармонических колебаний классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения.

В зависимости от частоты генераторы подразделяют на низкочастотные (0,01 – 100 кГц), высокочастотные (0,1 – 100 МГц) и сверхвысокочастотные (более 100 МГц). По способу возбуждения различают генераторы с независимым внешним возбуждением и самовозбуждением. Последний вид генераторов называют автогенераторами. Генераторы с независимым внешним возбуждением являются по существу, усилителями мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которых подаются электрические сигналы от автогенераторов (см. Лаб. работу № 6).

Структурно схему автогенератора можно представить в виде усилителя и звена положительной обратной связи (Рис. 7.1). Усилитель обладает коэффициентом усиления K, а звено положительной обратной связи – коэффициентам обратной связи β, причём и К и β являются комплексными числами, зависящими о частоты. В качестве усилителя используются различные усилители: на транзисторах, интегральных микросхемах и др. Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: LC – контуры и RC – четырёхполюсники.

Если считать, что напряжения U_вх. и U_вых. близки к синусоидальным, то стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды U_вхm и U_выхm имеют неизменные значения, будет возможен только при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения:

К∙ β = 1; (1)

Это равенство следует из соотношений

U_вх = β∙ U_выхU_вых= K∙U_вх ;

Следовательно U_вых = β∙K∙U_вых

Выражение (1)можно представить в следующем виде

(2), где и -модули коэффициентов усиления и передачи соответственно усилителя и звена обратной связи, а φ и ψ– аргументы этих коэффициентов

Равенство (2)выполняется при следующих условиях

(3) или φ+ ψ=0, 2п, ……

φ=- ψ+2п (4)

Равенство (3)называется условием баланса амплитуд, а равенство (4) – условием баланса фаз. Условие баланса фаз означает, что в стационарном режиме сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2n, что свидетельствует о наличии в рассматриваемом устройстве положительной обратной связи. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потерей энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стационарных устойчивых колебаний в автогенераторе условия (3) должно удовлетворять соотношению

(5)

Процесс возникновения колебаний в автогенераторе наиболее просто и наглядно можно рассмотреть на примере устройства, схема которого приведена на Рис. 7.2.

В этом автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включён по схеме с общим истоком. Звеном обратной связи является катушка L_к, включённая в стоковую цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой L_k резонансного контура L_к С_к. Первоначально колебания в автогенераторе возникают или из-за флуктуаций тока в транзисторе,

колебательном контуре, или при подаче напряжения питания.

По этим причинам при условии выполнения неравенства появляются слабые колебания с частотой , которые в отсутствие положительной обратной связи, должны были бы прекратиться из-за потерь энергии в контуре (R_эк – эквивалентное активное сопротивление контура, определяющее активные потери). Однако при наличии обратной связи этого не происходит. Появившееся на контуре напряжение U_к усиливается транзистором. Эти колебания через катушку L_с индуктивно связанную с катушкой L_к, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний в контуре постепенно нарастает, что соответствует условию (Рис.7.3).

По мере роста амплитуды напряжение в цепи затвора усилителя из-за нелинейности его амплитудой характеристики (участок а b на рисунке 7.4) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение становится равным единице.

При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует установившемуся стационарному режиму автоколебаний.

Условие баланса амплитуд в автогенераторе сводится к тому, что на резонансной частоте ω_о потери энергии в контуре компенсируется энергией, вносимой в колебательный контур источником питания Е_o через катушку L_с. Отметим, что баланс амплитуд обусловливает неизменную амплитуду стационарных колебаний.

Условие баланса фаз в автогенераторе осуществляется при сдвиге фаз выходного напряжения усилителя и звена обратной связи на 180^o, что видно из условия (4): φ=-ψ. На практике это условие выполняется соответствующей намоткой индуктивных катушек L_с и L_к (направления намотки витков катушек резонансного контура и стоковой цепи должны быть противоположными).

В режиме усиления усилителя на затворе должно быть отрицательное смещение U_зо относительно истока, что обеспечивается включением в цепь затвора R_з и С_з – звена. При появлении положительной полуволны, напряжение контура U_к через затвор проходит то i_з , который заряжает конденсатор С_з . В результате на затворе появляется отрицательный потенциал относительно истока. В отрицательный полупериод напряжение контура U_к ток затвора i_з равен нулю и конденсатор С_з разряжается через резистор R_з , поддерживая на затворе отрицательный потенциал. Подбором R_з и С_з обеспечивается работа автогенератора в требуемом режиме усиления при условии выполнения R_з С_з >> Т, где Т- период автоколебаний.

Автогенераторы по виду элементов, входящих в звенья обратной связи, подразделяются на LС- автогенераторы (высокочастотные) и RC- автогенераторы (низкочастотные).

В низкочастотном диапазоне применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RC- четырехполюсники. Такие автогенераторы получили название RC- автогенераторов. Применение RC- четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а такой электрический параметр, как добротность, ниже необходимых требований. С помощью RC- автогенераторов можно получать колебания и высокой частоты вплоть до 10 МГц. Однако преимущества RC- автогенераторов проявляются именно на низких и инфранизких частотах. В этом частотном диапазоне за счет применения резисторов и конденсаторов RC- автогенераторы обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC- автогенераторы. Для создания RC- автогенераторов широко используют биполярные транзисторы, полевые транзисторы и операционные усилители в интегральном исполнении.

В соответствии со структурной схемой автогенератора, представленной на Рис.7.1, RC- автогенератор содержит усилитель (однокаскадный или двухкаскадный) и звено обратной связи, являющееся частотно-зависимой RC- цепью. Как правило такими частотно-зависимыми цепями являются Г-образные RC- цепи (Рис.7.5а,б) и мост Вина (Рис.7.6) и двойной Т- образный мост (Рис.7.7).

RC- автогенератор с Г – образным RC- звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью (Рис.7.8,а). Как известно (см.лаб.раб.№6), в однокаскадном усилителе без обратной связи входное и выходное напряжение сдвинуты по фазе на 180⁰.Если выходное напряжение этого усилителя подать на его вход, то получится 100% - ная отрицательная обратная связь. Для соблюдения баланса фаз (условие 4) вводится положительная обратная связь в усилителе, выполняющая роль фазовращателя. Прежде чем выходное напряжение подать на вход усилителя его необходимо сдвинуть по фазе на 180⁰. Фазовый сдвиг на 180⁰ можно осуществить с помощью трех одинаковых RC- звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60⁰.

Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте f₀ = 1 / 15,4 RC, а баланс амплитуд – при коэффициенте усиления усилителя К> 29.

Следует отметить, что Г-образные RC- цепи иногда выполняют с качеством звеньев больше трех. Увеличением количества звеньев в автогенераторе Рис.7.8 можно повысить частоту генерации; еще большего увеличения частоты генерации можно добиться при смене мест резисторов и конденсаторов в RC- цепи того же генератора.

Для изменения частоты в рассматриваемом генераторе необходимо изменять одновременно либо все сопротивления R, либо емкости C. Автогенераторы с Г- образными RC- цепями работают обычно на фиксированной частоте или в крайнем случае в узком перестраиваемом диапазоне.

Для уменьшения шунтирующего влияния RC- цепей обратной связи на величину коэффициента усиления, что отрицательно влияет на условие баланса амплитуд, усилитель изготавливают двухкаскадным, (Рис.7.8) позволяющим выполнить условие баланса фаз и в то же время практически исключает влияние цепи обратной связи на коэффициент усиления усилителя.

Во избежание значительных искажений формы генерируемых колебаний в автогенераторы вводят отрицательную обратную связь, которая осуществляется с помощью резистора R.

Задание по работе.

1. Изучить схему двухкаскадного генератора.

2. Используя осциллограф, проверить работу генератора и фазосдвигающих цепочек и убедится в наличии генерации синусоидальных колебаний.

3. Определить квазирезонансную частоту RC- цепочки.

4. Определить амплитуду и частоту генерируемых колебаний.

5. Рассчитать квазирезонансную частоту.

6. Исследовать влияние анодного напряжения и положительной обратной связи на затухание колебаний.