Глава 8. генераторы синусоидального напряжения

УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ

Генератором синусоидального, или гармо­нического, напряжения (ГСН) называют элект­ронное устройство, преобразующее электрическую энер­гию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний синусоидальной формы.

Различают ГСН с внешним, или независимым, воз­буждением и с самовозбуждением. ГСН с внешним воз­буждением — это резонансные усилители, работающие в режиме больших амплитуд. ГСН с самовозбуждением,называемые обычно автогенераторами, представляют со­бой автономные электронные устройства, в которых гене­рирование электрических колебаний происходит благодаря выполнению условий самовозбуждения. Автогенераторы, как правило, применяются в качестве задающих генера­торов, колебания которых могут использоваться для воз­буждения следующего, более мощного каскада или гене­ратора с внешним возбуждением.

В зависимости от частоты генерируемых колебаний ГСН подразделяются на низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).

По виду используемого в ГСН частотноизбнратель-ного четырехполюсника различают LC-генераторы и RC-генераторы синусоидального напряжения.

Любой автогенератор электрических колебаний пред­ставляет собой усилитель, охваченный цепью положи­тельной обратной связи (рис. 8.1). При ПОС часть выход­ного напряжения 0_(К через цепь ПОС поступает на вход усилителя в фазе с входным напряжением, обеспечивающим

Рис. 8.1. Структурная схема автогенератора

заданное значение . Чтобы амплитуда выходного напряжения не изменилась, должно быть выполнено уеловие = . Так как = / и = ,то из равенства = следует = / ,или

(8.1)

Уравнение (8.1) является условием существования в генераторе незатухающих электрических колебании. Ему соответствуют два уравнения:

(8.2)

отражающее баланс амплитуд в автогенераторе, и

(8.3)

отражающее баланс фаз, в котором п = 0, 1, 2, 3, ...

Уравнение (8.1) требует от усилителя такого коэффи­циента усиления, при котором полностью компенсируются потери напряжения, поступающего через цепь ПОС.

Уравнение (8.3) определяет условие, при котором в замкнутой системе (усилитель + цепь ПОС) обеспечи­вается ПОС.

Следует отметить, что уравнение (8.2) справедливо для установившегося, или стационарного, режима работы автогенератора. При проектировании автогенератора должно быть выполнено условие K_uβ>1. В этом случае при подаче на автогенератор напряжения питания любые сколь угодно малые напряжения на входе (например, напряжения шумов) будут вызывать возрастающие но амплитуде выходные напряжения. По мере увеличения вследствие нелинейности амплитудной характери­стики усилителя его коэффициент усиления K_u будет уменьшаться, и стационарное состояние установится при K_uβ = 1.

В зависимости от вида амплитудной характеристики усилителя различают мягкий (рис. 8.2, а)и жесткий (рис. 8.2, б) режимы самовозбуждения.На рис. 8.2 кри­вая K_u отражает зависимость выходного напряжения усилителя от входного, поступившего по цепи ПОС, а пря­мая β — зависимость входного напряжения усилителя от выходного.

При мягком режиме самовозбуждения для возникно­вения электрических колебаний в генераторе необходимо и достаточно выполнение условий (8.2) и (8.3). При жестком режиме самовозбуждения, кроме этих условий, для возникновения колебаний в первоначальный момент

Рис. 8.2. Амплитудные характеристики автогенератора с мягким (а) и

жестким (б) режимами самовозбуждения

на входе усилителя необходимо задать напряжение U_вх > U_вх1.

Для получения синусоидального выходного напряже­ния необходимо, чтобы условия (8.2) и (8.3) выполня­лись только для некоторой одной частоты. С этой целью цепь ПОС должна обладать избирательными свойствами. Такие свойства, как известно, имеют параллельный коле­бательный LC-контур (последовательный контур приме­няется очень редко) и RC-цепи.

LC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Существует множество схем LC-генераторов, которые отличаются между собой способами включения колеба­тельного контура и создания ПОС. На рис. 8.3, а приве­дена схема автогенератора с индуктивной трансформа­торной (схема Майсснера) ПОС. Скачки напряжения и тока, появляющиеся в контуре L_кC_к при подключении к генератору источника питания E_к, через обмотку L_б

Рис. 8.3.Схемы транзисторных LС-автогенераторов с индуктивной

трансформаторной (а) и автотрансформаторной (б) связью

передаются в базовую цепь транзистора VT Обмотка L_б трансформатора Т включена таким образом, что возни­кающая при этом переменная составляющая коллектор­ного тока усиливает переменную составляющую контур­ного тока, т. е. за счет взаимоиндукции М между усили телем и колебательным контуром действует ПОС. Конденсатор С_р предотвращает протекание через контур по­стоянной составляющей коллекторного тока, а дроссель L_думеньшает шунтирование контура по переменно­му току внутренним сопротивлением источника пита­ния Е_к.

Баланс амлитуд в автогенераторе с трансформатор­ной связью достигается выбором необходимого коэффи­циента взаимоиндукции М (т. е. числа витков катушки L_б), а баланс фаз — правильным выбором концов катушки L_б (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к базе транзистора и общей шине).

Вместо трансформаторной в автогенераторе может использоваться автотрансформаторная обратная связь (рис. 8.3, б). Такая схема называется трехточечной, так как колебательный контур подключается к усилителю тремя точками.

Рис. 8.4.Обобщенная трехточечная схема автогенератора.

Обобщенная трехто­чечная схема автогенератора по пе­ременному току показана на рис. 8.4. Характер элементов X₁, X₂ и Х₃ коле­бательного контура определяется из условий баланса фаз и амплитуд. При этом возможны два случая:

если Х₁ имеет индуктивный харак­тер, то сумма реактивных сопротив­
лений Х₂ И Х₃ должна носить емкостный характер;

если Х₁ имеет емкостный характер, то сумма реактивных сопротивлений Х₂ и Х₃ должна носить индуктивный характер.

В обоих случаях сопротивление суммы Х₂ + Х₃ должно равняться сопротивлению Х₁.

Характер реактивности элемента Х₂, с которого сни­мается напряжение ОС, должен быть таким же, как и у элемента Х₁. Только в этом случае ОС будет положительной.

Схему автогенератора, у которого Х₁ и Х₂ — индуктив­ные катушки, а Х₃ — конденсатор, называют индуктив­ной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой (схемой Хартли). Схему автогенератора, у которого Х₁ и Х₂ — конденсаторы, а Х₃ — катушка индуктивности (рис. 8.5), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой (схемой Колпитца).

Во всех рассмотренных типах автогенераторов ча­стота генерируемых колебаний в основном определяется элементами контура

(8.4)

Для автогенератора, выполненного по емкостной трехто­чечной схеме, под С_к следует понимать емкость С1 * С2/(С1 + С2).

Рис. 8.5. Транзисторный LC-автогене-ратор, выполненный по схеме «емкост­ная трехточка».

Рис. 8.6. Схема LC-автогенератора на ОУ.

Для построения LC-генераторов гармонических коле­баний удобно использовать интегральные усилители: однокаскадные, дифференциальные, операционные и др. На рис. 8.6 показан вариант возможной реализации LC-генератора синусоидальных напряжений на интегральном ОУ. Колебательный контур LC включается между вы­ходом ОУ и неинвертирующим входом, обеспечивая нуж­ную ПОС. В цепь ООС для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний включают терморезистор R с отрицательным TKR.Увеличение амплитуды колебаний вызывает уменьшение сопротивления терморезистора. При этом увеличивается глубина ООС, приводящая к уменьшению амплитуды колебаний.

RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

На частотах менее 50 кГц вследствие увеличения требуемых значений L и С увеличиваются размеры кату­шек и конденсаторов и одновременно ухудшается доброт­ность колебательного контура и стабильность его пара­метров. Поэтому на низких частотах вместо LC-автогенераторов обычно используют RС-автогенераторы, которые в этом диапазоне частот, особенно в нижней его части, обладают существенными преимуществами.

Частотно-зависимыми четырехполюсниками, исполь­зуемыми в RС-генераторах, являются Г-образные RC-цепи (рис. 1.20, а, 1.21, а),двойная Г-образная цепь, или мост Вина (рис. 1.22, а), Т-образные мосты RC (рис. 1.23, а, б)и двойной Т-образный мост (рис. 1,24, а). Из этих четырехполюсников наибольшее применение в RС-генераторах нашли мост Вина и двойной Т-образнын мост.

На рис. 8.7 а, б показаны передаточная (АЧХ) и фазочастотная характеристики моста Вина. Из рисунка видно,

Рис. 8.7. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики моста Вина,

используемого в транзисторном RС-генераторе (в)

что на некоторой частоте f₀, называемой частотой квази­резонанса, коэффициент передачи моста Вина оказы­вается вещественной величиной с максимальным значе­нием β₀ = 1/3 и нулевым фазовым сдвигом φ_β = 0°. Так как один каскад усиления вносит фазовый сдвиг φ_u = 180°, то для получения нулевого фазового сдвига на входе усилителя усилитель должен содержать четное число инвертирующих каскадов (рис. 8.7, в). Для вы­полнения условия баланса амплитуд (8.2) на частоте квазирезонанса усилитель должен иметь коэффициент усиления К_и ≥ 3. Так как в двухкаскадном усилителе можно получить К_и » 3, то это позволяет ввести в усили­тель, кроме положительной, отрицательную ОС, обеспе­чиваемую элементами R_э1 и R3. Введение в цепь ООС терморезистора R3 с отрицательным TKR позволяет осуществить стабилизацию амплитуды генерируемых ко­лебаний. Действительно, увеличение амплитуды, вызван­ное различными факторами, вызывает увеличение тока через резистор R3. При этом сопротивление его умень­шается, что приводит к увеличению напряжения ООС, создаваемого на R_э1,и уменьшению коэффициента усиле­ния усилителя.

Обычно элементы моста Вина выбираются из условий:

С1 =С2= С; R1 = R2 = R.

При этом частота генерируемых колебаний

(8.5)

Однако ввиду шунтирования резистора R2 входным сопротивлением усилителя и делителем в цепи базы тран­зистора VT1 условие R1 = R2 не выполняется. В резуль­тате генерируемая частота оказывается зависящей не только от значений элементов R1, R2, С1 и С2, но и от параметров усилителя, а коэффициент усиления усили­теля, при котором выполняется условие баланса ампли­туд, может существенно превышать значение 3.

RС-генератор с мостом Вина легко выполнить на ин­тегральном ОУ, включив избирательный мост Вина между выходом и неинвертирующим входом (рис. 8.8). С по­мощью переменного резистора R4 можно изменять коэф­фициент усиления усилителя, добиваясь наименьших не­линейных искажений генерируемых колебаний.

RС-генератор с мостом Вина легко сделать перестраи­ваемым по частоте. Для этого вместо резисторов R1 и R2 следует использовать сдвоенный переменный резистор либо вместо конденсаторов С1 и С2 — сдвоенный блок конденсаторов переменной емкости.

В качестве избирательного четырехполюсника RC-генератора используются также Т-образный или двойной Т-образный мост. На квазирезонансной частоте f₀=f_р коэффициент передачи двойного симметричного Т-образ­ного моста (см. рис. 1.24, б)равен нулю. Следовательно, нулю будет равен и фазовый сдвиг на этой частоте. При включении такого моста в цепь ООС усилителя на частоте

Рис.8.8. Схема RC-генератора на ОУ с мостом Вина

Рис. 8.9. Схема RC-генератора на ОУ с двойным Т-образным мостом

f₀ напряжение ООС равно нулю и увеличивается по мере удаления частоты от квазирезонансной в ту или другую сторону. Следовательно, для построения RC-генератора с двойным Т-образным мостом мост необходимо включать в цепь ООС (рис. 8.9). С помощью делителя R1R2 создается необходимая ПОС, при которой обеспе­чивается генерация на частоте f₀. Частота генерируемых колебаний определяется из выражения (8.5).