Генераторы

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают: генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы).

Независимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: режим автоколебаний; режим запуска внешними импульсами.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, называют автогенератором. Выходное переменное напряжение формируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания.

Генераторы, работающие в режиме запуска внешними импульсами, после подключения источника питания могут сколь угодно долго находиться в устойчивом состоянии, не формируя выходное переменное напряжение. При подаче управляющего сигнала на вход такого генератора, на его выходе формируется сигнал, параметры которого полностью определяются собственными характеристиками устройства. Такой режим работы называют ждущим.

Условия самовозбуждения автогенераторов

Генератор представляет собой усилитель с коэффициентом усиления К, охваченный положительной обратной связью с коэффициентом β.

В качестве цепи обратной связи используют частотно-зависимые звенья – LC-контуры (в высокочастотных автогенераторах) и RC-четырехполюсники (в низкочастотных автогенераторах). Входное и выходное напряжения связаны между собой соотношениями:

U_вых = U_вхK

U_вх = U_выхβ

Следовательно

U_вых = K U_выхβ,

Это выражение справедливо при

Kβ = 1.

При этом условии в автогенераторе возникают незатухающие колебания. Величины K и β являются комплексными, зависящими от частоты, поэтому можно записать

Kβe^{[ j (φ}_K+^φ_β^)] = 1,

где φ_K и φ_β сдвиг фаз соответственно усилительного звена и звена обратной связи. Это равенство выполняется при двух условиях:

Kβ = 1,

называемое условием баланса амплитуд и

φ_K + φ_β = 2πn,

где n = 0, 1, 2,... и т.д., называемое условием баланса фаз.

Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в генераторе восполняются энергией от источника питания с помощью звена обратной связи. Условие баланса фаз означает, что в схеме существует положительная обратная связь. Обычно значения K и β выбирают такими, чтобы

Kβ ≥ 1.

Появившиеся в результате шумов усилительного элемента слабые колебания усиливаются усилителем в K раз и ослабляются в β раз цепью обратной связи, попадая вновь на вход усилителя, в той же фазе, но с большей амплитудой. Далее они опять усиливаются, и процесс повторяется. В этом режиме амплитуда колебаний нарастает что соответствует условию Kβ > 1. По мере роста амплитуды входного напряжения в усилителе из-за нелинейности его амплитудной характеристики, которая при больших входных напряжениях имеет участок насыщения, коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение Kβ становится равным единице. При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой амплитудой, что соответствует установившемуся режиму автоколебаний. Если условия самовозбуждения выполняются для одной частоты, то возникают гармонические колебания, если же одновременно для нескольких частот (или полосы частот), то появляются колебания сложной формы, состоящие из нескольких (или большого числа) гармонических составляющих.

Генераторы гармонических колебаний

Генераторы гармонических колебаний вырабатывают электромагнитные колебания синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. В зависимости от частоты генерируемых колебаний генераторы делят на низкочастотные (0,01 ÷ 100 кГц); высокочастотные (0,01 ÷ 100 МГц); сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц). По конструкции бывают LC-генераторы и RC-генераторы.

LC-автогенератор

LC-автогенераторы выполняют обычно на однокаскадном усилителе, в котором в качестве цепи положительной обратной связи применяют резонансный (колебательный) LC-контур.

Коллекторной нагрузкой является контур L_к C_к. Индуктивная связь между выходом и входом усилителя обеспечивается катушкой L_б, включенной в цепь базы. Элементы R₁, R₂, R₃, C₁, C₂, предназначены для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации.

Начальный импульс тока возбуждает в контуре L_к C_к колебания с частотой резонанса ω₀ = 1/2π√L_кC_к, которые могли бы прекратиться из-за потерь энергии в контуре. Но благодаря индуктивной связи между катушками L_к и L_б возникают незатухающие колебания в контуре L_к C_к. Условие баланса фаз обеспечивается правильным подключением выводов катушки L_б так, чтобы входные и выходные колебания совпадали по фазе. Для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления каскада должно компенсировать потери энергии звеном обратной связи. Частота колебаний генератора

f_г = 1/2π√L_кC_к.

Для повышения стабильности частоты используют кварцевую стабилизацию частоты с использованием кварцевых резонаторов, что дает очень низкую нестабильность частоты, обычно порядка 10^-7. Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластинку кварца, установленную в кварцедержателе, Благодаря пьезоэффекту, кристалл кварца представляет собой электромеханическую систему, обладающую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических размеров и ориентации среза резонансные свойства каждой пластинки строго индивидуальны и лежат в пределах от нескольких десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц. Добротность кварца достигает 10⁵ – 10⁶, т. е. на 2 – 3 порядка больше добротности контуров, выполненных на катушках и конденсаторах.

RC-автогенератор

Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от долей герца до нескольких десятков килогерц) применение LC-генераторов нецелесообразно из-за больших величин индуктивностей катушек и емкостей конденсаторов в колебательном контуре. Для этих целей используют RC-генераторы, имеющие малые габариты, массу и стоимость, а также высокую стабильность частоты на низких частотах за счет применения резисторов и конденсаторов с хорошей стабильностью параметров.

RC-автогенератор содержит двухкаскадный усилитель и цепь частотно-зависимой обратной связи в виде последовательно-параллельной RC-цепочки (моста Вина).

Для частотно-зависимой RC-цепочки частоту ω₀ кратную πn, где n – 0,1,2 и т. д. называют квазирезонансной частотой. Квазирезонансная частота этой цепочки равна

f₀ = 1/2π√R₁R₂C₁C₂

коэффициент передачи напряжения на квазирезонансной частоте

β₀ = U_вых / U_вх = 1/(1 + R₁/R₂ + C₂/C₁)

Т. к. в реальных схемах R₁ = R₂ = R и C₁ = C₂ = C, то получим

f₀ = 1/2πRC, β₀ =1/3

Поскольку β₀ положительна, cдвиг фазы выходного сигнала отсутствует (φ_β = 0).

Таким образом, для выполнения условия самовозбуждения усилительное звено RC-автогенератора должно обеспечивать фазовый сдвиг φ_K = 2πn, (поскольку из баланса фаз следует, что φ_K + φ_β = 2πn, а φ_β = 0) и иметь коэффициент больше трех (поскольку βK ≥ 1, а β₀ = 1/3).

Двухкаскадный усилитель имеет нулевой фазовый сдвиг, а RC-цепь на квазирезонансной частоте также обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, то условие баланса фаз выполняется именно на этой частоте, чем достигается получение синусоидальной формы колебаний.

Усилитель выполнен на транзисторах VT₁ и VT₂, включенных по схеме с ОЭ. Элементы C₁, R₁, C₂, R₃, составляющие мост Вина, образуют цепь положительной обратной связи.

Звено отрицательной обратной связи, состоящее из элементов C₅, R₆, стабилизирует частоту и амплитуду генерируемых колебаний.

Резистор R₃ подключен ко входу усилителя, а R_вх не велико у схемы с ОЭ, то это изменяет частоту квазирезонанса. Поэтому

f₀ = 1/2π√R₁[R₃ R_вх /(R₃ + R_вх)] C₁C₂

β₀ = 1/[1+R1(R3+R_вх)/ R₃ R_вх] + C₂/C₁},

из чего следует, что f₀ и β₀ зависят от параметров усилителя.

Мультивибраторы

Для получения прямоугольных импульсов используют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами). Релаксаторы могут работать в одном из трех режимов: 1) ждущем; 2) автоколебаний; 3) синхронизации.

Мультивибратором называют релаксатор с емкостной связью между каскадами, работающий в режиме автоколебаний.

Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов по схеме с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого.

При подключении питания оба транзистора пропускают ток, поскольку на базы подается смещение через резисторы R₂ и R₃. Однако такое состояние неустойчиво. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи легко выполняется условие Kβ > 1 и усилитель самовозбуждается. Начинается процесс генерации – быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого. Допустим, в момент времени t₀ транзистор VT₁ оказался насыщенным, а транзистор VT₂ запертым. Это временно устойчивое состояние. При этом открытое состояние транзистора VT₁ обеспечивается смещением на через R₃ а запертое состояние транзистора VT₂ положительным напряжением на конденсаторе С₁, который через открытый транзистор VT₁ включен в промежутке база-эмиттер транзистора VT₂. Мультивибратор находится в этом состоянии до тех пор, пока не уменьшится напряжение на С₁ до напряжения отпирания транзистора VT₂. Его разряд происходит через резистор R₂ и открытый транзистор VT₁. Напряжение на конденсаторе и на базе VT₂ убывает по экспоненте, и, когда потенциал базы VT₂ станет равным напряжению отпирания происходит переключение мультивибратора. Транзистор VT₂ открывается, а транзистор VT₁ закрывается. Процесс происходит лавинообразно, поскольку изменение напряжения на коллекторе транзистора VT₂ передается через емкостьС₂ на базу VT₁ и ускоряет его запирание.

Напряжения на конденсаторах изменяются по экспоненциальному закону

U_б = 2Е_ке^-t/τ – Е_к,

где τ = R_бС_б. Для симметричной схемы R_б = R₂ = R₃, и С_б = С₁ = С₂.

Длительность одного импульса

t_и = τ_бln2 = 0,7R_бС_б