Автогенераторы R-C (схема, работа)

Применение генераторов с колебательными контурами (типа LC) для генерирования колебаний с частотами меньше 15—20 кГц затруд­нено и неудобно из-за громоздкости контуров. В настоящее время для этих целей широко используются генераторы типа RC, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RC - фильтры. Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габа­риты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RCпроявляются в области низких частот.

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний типа RCприведена на рис. 16.10.

Усилитель строится по обычной резистивной схеме. Для само­возбуждения усилителя, т. е. для превращения первоначально воз­никших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превы­шающую входное напряжение или рав­ную ему по величине и совпадающую с ним по фазе, иными словами, охватить усилитель положительной обратной связью достаточной глубины. При непо­средственном соединении выхода усили­теля с его входом происходит самовозбуждение, однако форма генерируе­мых колебаний будет резко отличаться от синусоидальной, поскольку условия самовозбуждения будут одновременно выполнять­ся для колебаний многих частот. Для получения синусоидальных ко­лебаний необходимо, чтобы эти условия выполнялись только на одной определенной частоте и резко нарушались на всех других частотах. Эта задача решается с помощью фазовращающей цепочки,которая имеет несколько звеньев RC и служит для поворота фазы выходного напря­жения усилителя на 180°. Изменение фазы зависит от числа звеньев nи равно

(16.18)

В связи с тем что одно звено RC изменяет фазу на угол φ< 90°, ми­нимальное число звеньев фазовращающей цепочкиn=3. В практи­ческих схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазо­вращающие цепочки.

Рис. 16.10. Структурная схема генератора типа RC

На рис.16.11. изображены два варианта таких цепочек, получив­ших название соответственно «R-параллель» и «C-параллель». Час­тота генерируемых синусоидальных колебаний для этих схем при условии R₁=R₂= R₃=R и C₁=С₂=С₃=Срассчитывается по следующим формулам: для схемы на рис. 16.11, а:

(16.19)

для схемы на рис. 16.11, б:

(16.20)

Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления уси­лителя должен быть равен затуханию, вносимому фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя, или превышать его.

Расчеты показывают, что для приведенных схем затухание

(16.21)

Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать синусоидальные колебания с частотой f₀ лишь в том случае, если коэф­фициент усиления усилителя превышает 29.

В фазовращающей цепи с одинаковыми звеньями каждое после­дующее звено оказывает шунтирующее действие на предыдущее. Для уменьшения шунтирующего действия звеньев и снижения затухания в фазовращающей цепи обратной связи могут применяться так назы­ваемые прогрессивные цепочки. В этом случае сопротивление рези­стора каждого последующего звена выбирается в т раз больше сопро­тивления предыдущего звена, а емкости последующих звеньев во столько же раз уменьшаются:

(16.22)

(16.23)

Обычно величина т не превышает 4—5.

Рис. 16.11. Трехзвенные фазовращающие цепочки: а – типа R-параллель; б – типа С - параллель

На рис. 16.12 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой.

С точки зрения обеспечения условия баланса фаз такой генера­тор можно было бы построить и на одном транзисторе (VТ2) с общим эмиттером. Однако в этом случае цепочка обратной связи шунтирует резистор R_K усилительного транзистора и снижает его усиление, а малое входное сопротивление транзистора резко увеличивает затуха­ние в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттер ого повторителя, собранного на транзисторе VT1.

Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содер­жит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включаю­щий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся неза­тухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают.

16.12. Схема транзисторного RC – генератора с фазовращающей цепью обратной связи

Автогенераторы с фазовращающими цепями обычно применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне. Диапазонные автогенераторы типа RC строятся несколько иначе, рассмотрим этот вопрос более подробно.

Если усилитель поворачивает фазу входного сигнала на 2π (на­пример, усилитель, имеющий четное число каскадов), то при охвате положительной обратной связью о достаточной глубины он может генерировать электрические ко­лебания без включения специальной фазовращающей цепочки. Для выделения требуемой частоты синусоидальных колебаний из всего спектра частот, генерируемых такой схемой, необходимо обеспечить выполнение условий самовоз­буждения только для одной частоты. С этой целью в цепь обратной связи может быть включена последовательно-параллельная избира­тельная цепочка, схема которой приведена на рис. 16.13.

Рис. 16.13. Последовательно – параллельная избирательная цепочка

Определим свойства этой цепочки, рассматривая ее как делитель напряжения.

Между выходным и входным напряжениями существует очевидная зависимость

(16.24)

где

Коэффициент передачи напряжения этой цепью

(16.25)

На квазирезонансной частоте ω₀ коэффициент передачи напряжения должен быть равен действительному числу. Это возможно лишь в том случае, если сопротивления, выраженные соответствующей мате­матической записью в числителе и знаменателе формулы (16.25), будут иметь одинаковый характер. Данное условие обеспечивается лишь в том случае, если действительная часть знаменателя равна нулю, т. е.

(16.26)

Отсюда частота квазирезонанса

(16.27)

(16.28)

Что же касается коэффициента передачи напряжения, то на квази­резонансной частоте он равен

(16.29)

Подставляя в формулу (16.29) значение ω₀ из (16.27), получим

(16.30)

Считая R₁=R₂=R и С₁=С₂=С, найдем окончательные значе­ния ƒ₀ и β₀;

(16.31)

(16.32)

Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте, равно

(16.33)

Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть ра­вен 3. Очевидно, что это требование выполнить достаточно легко. Ре­альный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее К₀=3. Поэтому целесообразно наряду с положитель­ной обратной связью ввести в усилитель отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время суще­ственно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого генератора приведена

на рис. 16.14. Терморезистор в цепи эмиттера транзистора VT1 пред­назначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Регулировка частоты осуществляется с по­мощью спаренного потенциометра R1R2.

Рис. 16.14. Схема диапазонного RC - генератора