Генераторы синусоидальных колебаний.

Генераторами синусоидальных колебаний называются электронные устройства, преобразующие энергию источника питания в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы заданной частоты и мощности.

Различают два типа генераторов: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы).

Генераторы с независимым возбуждением, по существу, представляют собой избирательные усилители мощности. Обычно они выполняются по двухтактной схеме на активных элементах, работающих в высокоэффективном режиме C иизбирательным контуром в качестве элемента нагрузки.

В генераторах с самовозбуждением для получения на выходе напряжения синусоидальной формы не требуется подавать на вход сигнал этого же вида. Достаточно подать питающее напряжение, т. е. эти устройства являются первичными источниками синусоидального напряжения. Они без внешнего воздействия преобразовывают энергию источника питания в энергию сигнала синусоидальной формы.

Автогенераторы выполняются на базе усилительных каскадов, охваченных цепью положительной ОС. Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы в системе, работающей в режиме автоколебаний, выполнялись два условия: баланса фаз и баланса амплитуд. При построении генераторов синусоидальных колебаний необходимо в качестве нагрузки или в цепи положительной ОС иметь узкополосный элемент, который обеспечивает выполнение названных условий лишь в узкой частотной области.

Рассмотрим работу автоколебательного генератора, выполненного на базе избирательного усилителя с трансформаторной ОС (рис. 3.28, а). Здесь сопротивления R1, R2, R3 обеспечивают стабильность рабочей точки транзистора VТ1, работающего в режиме А. Конденсаторы С1 и С2 выбраны так, чтобы падение высокочастотного напряжения на них было мало. Вторичная обмотка W2, в которую включалась нагрузка, теперь присоединяется ко входу каскада. Полярность включения обмоток подбирается так, чтобы при изменении напряжения в первичной обмотке W1 во вторичной обмотке W2 наводилась э. д. с. такой полярности, обеспечивающей изменение напряжения в первичной обмотке того же знака. Это соответствует наличию положительной ОС в каскаде..

a.)

	Рис. 3.28. Генератор синусоидального напряжения на LC-элементах:

Рассмотрим работу устройства после подачи питающего напряжения E_К. Вначале увеличивается отрицательное напряжение в базе транзистора и он открывается, в коллекторной цепи происходит скачок тока. Скачок тока, проходящий через резонансный контур, вызывает в нём ударное возбуждение переменного напряжения с собственной частотой контура.

Это напряжение появляется в первичной обмотке контура и за счёт индуктивной связи наводится на вторичной обмотке контура W2. Напряжение на вторичной обмотке прикладывается ко входу транзистора, он усиливает это напряжение и оно выделяется в его коллекторной цепи – в параллельном резонансном контуре. Возникает положительная ОС, а так как частота возникшей флуктуации напряжения определяется самим резонансным контуром, то глубина связи максимальна на его резонансной частоте. Обычно используется довольно сильная индуктивная связь между обмотками (часто обмотки наматываются одновременно в два провода), подбирается оптимальное соотношения числа витков n= w ₂/ w ₁ из условия согласования выхода каскада со входом и поэтому при возникновении автоколебаний, когда амплитуда их ещё мала, глубина положительной связи значительно больше единицы. Это вызывает рост амплитуды автоколебаний и транзистор начинает работу в сугубо нелинейном режиме: то попадает в режим отсечки (полностью закрывается). Коэффициент усиления транзистора резко уменьшается и при амплитуде автоколебаний, близко к напряжению источника питания, глубина ОС становится равной единице, т. е. Начинает выполнятся и второе условие. Выбор начальной глубины положительной ОС (при малых амплитудах переменного напряжения) весьма важен. При низкой величине ОС амплитуда выходного напряжения будет мала и чувствительна к смене активного элемента, к изменению условий эксплуатации.При избыточной глубине амплитуда выходного сигнала изменяется мало, но резко ухудшается форма выходного синусоидального сигнала. Считается целесообразным принимать начальную глубину положительной ОС равной К_НАЧ = 1,5…2,0. В рассмотренной схеме для получения положительной связи вводится вторичная обмотка W2, что вносит дополнительный фазовый сдвиг в цепь ОС и ухудшает стабильность генерируемой частоты.

В рассмотренных схемах могут быть использованы и полевые транзисторы, которые, имея высокие входные и выходные сопротивления, меньше шунтируют резонансный контур и обеспечивают получение гармонического сигнала с меньшими искажениями синусоидальной формы. Меньшая выходная мощность более низкие рабочие частоты сужают область применения автогенераторов на полевых транзисторах.

Современные методы технологии позволяют создавать стабильные элементы, входящие в автогенератор. Особенно важно стабильность параметров элементов резонансного контура и ОС. Стабильность именно этих элементов определяет важнейшую характеристику генератора: стабильность генерируемой им части. Увеличения добротности резонансного контура, введения в контур термокомпенсирующих ёмкостей, величина которых изменяется от температуры так, что частота настройки контура остаётся практически неизменной, использование высокочастотных транзисторов позволили создать генераторы со стабильности частоты порядка 10^-5. Однако даже такая стабильность частоты оказывается недостаточной и необходимо искать новые технические способы решения задачи.

Одним из самых распространённых является использование в автоколебательном генераторе кварцевого резонатора, имеющего очень высокую добротность и стабильность параметров, превосходящую на несколько порядков соответствующие характеристики обычных LC -колебательных систем. Резонатор представляет собой пластину из пьезоэлектрического кварца, вырезанную определённым образом. На противоположных гранях этой пластины напыляются металлические контакты.. Благодаря прямому пьезоэффекту через неё начинает протекать ток. В зависимости от геометрических размеров и ориентации пластины в ней на строго определённых частотах возникают резонансные явления, на которых амплитуда колебаний и величина тока через устройства максимальны.

Кварцевый резонатор можно описать эквивалентной электрической схемой (рис. 3.29, а). Как видно из схемы, он представляется последовательно включенными элементами L_КВ, С_КВ, r_кв шунтированными ёмкостью кварцедержателя С_О. Т. е. кварцевый резонатор может иметь два резонанса: резонанс напряжений, когда элементами контура служат индуктивность L_КВ и ёмкость кварца С_КВ, и резонанс токов, когда индуктивность кварца образует с ёмкостью С₀ параллельный резонансный контур. Так как С₀>>C_КВ, частоты резонансов мало отличаются друг от друга.

На рис. 3.29, б кварцевый резонатор включается между коллектором и базой транзистора по схеме с ОЭ. На частоте параллельного резонанса его сопротивление резко увеличивается, часть напряжения с контура (конденсатора С2) снимается в качестве положительной ОС. В схеме возникают автоколебания, частота которых полностью определяется частотой параллельного резонанса.

б.)

a.)

Рис. 3.29. Генераторы с кварцевым резонатором:

а – эквивалентная схема резонатора; б – генератор с использованием параллельного резонатора;

При построении низкочастотных генераторов, так же как и при построении низкочастотных избирательных усилителей, используются различного типа RC -фильтры.

а.)

б.)

Рис. 3.30. Схема низкочастотных генераторов:

а – с двойным Т – образным мостом;б – с мостом Вина;

Наиболее просты так называемые “цепочечные генераторы”. В них используется усилитель, выходной сигнал которого находится в противофазе с входным сигналом (в частности, однокаскадный усилитель на транзисторе по схеме с ОЭ или ОИ). В цепь обратной связи такого усилителя включается Г -образная RC -цепь, содержащая три одинаковых RC -звена (реже четыре). На частоте, на которой суммарный фазовый сдвиг, получаемый цепочкой RC -звеньев, равен 180⁰, выполняется условие баланса фаз и ОС становится положительной. Если на этой частоте выполняется условие баланса амплитуд, т. е. глубина начальной положительной ОС больше единицы, в системе возникают низкочастотные автоколебания.

Хорошие результаты могут быть получены при использовании в схеме автогенератора двойного Т - образного моста. Так же как и при построении избирательного усилителя, в схеме автогенератора целесообразно использовать усилитель постоянного тока с дифференциальным входом. Схема такого автогенератора приведена на рис. 4.28, б. УПТ по инвертирующему входу охвачен отрицательной ОС через двойной Т -образный мост. Как было показано в 4.12, в этом случае УПТ становится избирательным усилителем с частотой максимального усиления, определяемой частотой квазирезонанса f_рез Т- образного моста. Коэффициент усиления на этой частоте равен коэффициенту усиления УПТ в разомкнутом состоянии, так как на частоте квазирезонанса отрицательная ОС отсутствует.

По неинвертирующему входу усилитель охватывается положительной частотно-независимой ОС с помощью сопротивлений R1, R2. Выбирая глубину положительной ОС, соотношением R1, R2 добиваются обеспечения условий баланса амплитуд для частот f_o. Так как на всех остальных частотах не выполняется условие ни баланса фаз (мост вносит дополнительный фазовый сдвиг), ни баланса амплитуд (мало усиление по напряжению), на выходе автогенератора возникает гармоническое напряжение синусоидальной формы с частотой, полностью определяемой настройкой двойного Т - образного моста.

При построении низкочастотных автогенераторов, в которых необходима перестройка частоты в широких пределах, наиболее удобна схема с использованием так называемого моста Вина. Принципиальная схема такого генератора на базе УПТ показана на рис. 4.28, в. Мост Вина выполнен на сопротивлениях R1 и R2 и конденсаторах С1 и С2. Частота квазирезонанса моста Вина

f_o=1/2pRC,

где: R1=R2=R; C1=C2=C.

При этом на частоте квазирезонанса цепь имеет максимальный коэффициент передачи, равный 1/3, и нулевой фазовый сдвиг. Перестройка генерируемой частоты обычно производится либо изменением величины обоих сопротивлений, либо изменением величины обоих конденсаторов. Мост Вина включается в цепь положительной ОС УПТ, обеспечивая на частоте квазирезонанса выполнение условия баланса фаз. Так как коэффициент усиления УПТ велик и глубина положительной ОС слишком большая, сигнал на выходе генератора близок к гармоническому сигналу прямоугольной формы. Для получения сигнала синусоидальной формы вводится с помощью сопротивлений R3, R4 дополнительная отрицательная ОС. Она снижает коэффициент усиления и обеспечивает выполнение условия баланса амплитуд лишь для узкого частотного спектра сигнала, определяемого настройкой моста Вина.

Дата добавления: 2015-07-15