12.4. Безындуктивные автогенераторы

Постановка учебной проблемы. "Изобретем" автогенератор нового класса. Прежде всего выясним, при каких условиях и почему становятся непригодными известные АГ, а затем, вскрыв противоречие, лежащее в основе этой непригодности, попытаемся его разрешить.

Частота колебаний одноконтурного АГ . Для генерирования колебаний ЗЧ нужен контур с очень большими индуктивностью (единицы генри) и емкостью (сотни микрофарад). Такой контур оказывается громоздким и низкодобротным. Он неприемлем по массогабаритным параметрам для РЭО в миниатюрном исполнении.

Наряду с этим еще более существенный недостаток проявляется в том, что плавное изменение его параметров для изменения частоты колебаний практически невозможно. Действительно, применение КПЕ или варикапов бессмысленно, так как их емкость (сотни пикофарад) пренебрежимо мала по сравнению с емкостью контура, а плавное изменение индуктивности с замкнутым магнитопроводом практически невозможно.

Конечный результат − разработка бесконтурного (безындуктивного или ) автогенератора, перестройку частоты которого в широких пределах можно производить при помощи КПЕ, варикапов или переменных резисторов.

Технические требования разработаем применительно к структурной схеме АГ (12.1, а), в которой и входные зажимы замкнуты.

1. В цепи прямой связи должен быть использован резисторный усилитель (с ОЭ, ОК или ОИ), так как резонансный неприемлем.

2. Для обеспечения моночастотности в цепи обратной связи должен быть использован частотно-зависимый -фазовращатель, обеспечивающий баланс фаз только на одной частоте которая должна изменяться при изменении его параметров,

3. Для обеспечения баланса амплитуд усиление в цепи ПС должно компенсировать затухание в цепи ОС: .

4. Для получения гармонической формы колебаний АГ необходимо не допускать нелинейных искажений, которые могут возникнуть в нелинейном режиме, так как контура, подавляющего высшие гармоники выходного напряжения, нет. С этой целью наряду с ПОС можно использовать ООС, подобранную так, чтобы обеспечивать . При этом условии избыточное усиление скомпенсировано ООС и амплитуда практически не выходит за пределы линейного участка ВАХ. Перейдем к поиску технических решений.

Автогенератор по схеме Сифорова. Идея автогенератора проста. В качестве элементов фазовращателя использованы Г-образные -звенья. Сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями такого звена зависит от частоты и находится в пределах . Поскольку для выполнения условия БФ сдвиг фаз в цепи ОС должен составлять , принято решение использовать три звена, каждое из которых должно сдвигать фазу на .

Баланс фаз, частота колебаний. Такому сдвигу фаз соответствует векторная диаграмма на рис. 12.4, а. Вектор выходного напряжения совпадает с исходным вектором тока , а вектор напряжения на конденсаторе повернут в сторону отставания на . Вектор входного напряжения . Определим частоту колебаний, для которой выполняется условие БФ − угол . Из векторной диаграммы рис. 12.4, a . Ho , поэтому и

.

Если, например, .

Как видим, -генератор позволяет легко получить колебаний очень низкой частоты.

Баланс амплитуд. Коэффициент передачи напряжения одного звена равен . Для трех звень . Для обеспечения баланса амплитуд усилитель цепи ПС должен обеспечить коэффициент усиления , что несложно.

Схема автогенератора, удовлетворяющая условиям БФ и Б приведена на рис. 12.4, а. Она состоит из резисторного усилителя ПТ и трехзвенного фазовращателя в цепи ПОС. Если требует изменять частоту, то для этого надо использовать строенный блок переменных резисторов. Как видно из формулы, изменение их сопротивления приводит к изменению частоты во столько же раз.

Для компенсации избыточного усиления можно ввести ООС по току, отключив конденсатор или подобрав его емкость так, чтобы блокировка резистора была неполной.

Автогенератор с мостом Вина. Идея построения этого АГ также проста. Если каждый усилительный каскад поворачивает фазу напряжения на , то, соединив выход двухкаскадного усилителя со входом, мы должны обеспечить выполнение условия БФ. Это, конечно, так, но в этом случае баланс фаз выполняется не на одной, а на всех частотах в пределах широкого равномерного участка АЧХ и ФЧХ резисторного усилителя. Такой АГ будет генерировать колебания с широким частотным спектром негармонической формы. Это мультивибратор, широко используемый в импульсной технике.

Как превратить мультивибратор в моновибратор? Очевидно, для этого надо включить в цепь ОС такой фазовращатель, который, сохраняя баланс фаз на одной частоте нарушал бы его на всех других частотах. В данных условиях на частоте надо обеспечить , а на остальных .

Схема генератора. На рис. 12.4, б приведена функциональная схема автогенератора, на которой два усилительных каскада показаны структурно, а схема фазовращателя − моста Вина − раскрыта. Он представляет собой Г-образный фильтр, состоящий из двух Г-образных -звеньев ФНЧ и ФВЧ, параллельные элементы которых включены параллельно друг другу, а последовательные − последовательно. Параметры и попарно равны, поэтому равны и частоты среза звеньев, на которых .

Построим для этого случая векторную диаграмму рис. 12.4, б. В качестве исходного отложим вектор напряжения ОС U». Векторы токов и равны, так как равны сопротивления, но совпадает с а опережает его на . Ток в последовательной ветви и опережает на . Этот ток создает на элементах последовательной ветви равные по амплитуде падения напряжения: совпадающее по фазе с и отстающее по фазе от на 90° (и от на ). Падение напряжения на последовательной ветви совпадает по фазе с , их сумма равна напряжению на выходе усилителя.

Как видно из диаграммы, векторы и совпадают по направлению, что и требуется для баланса фаз. Если повысить частоту, то угол между больше , а между и меньше . В результате и опережают по фазе и БФ нарушается. Аналогичное нарушение, но в обратном направлении происходит при понижении частоты.

Баланс фаз, частота колебаний. Как видим, условие БФ выполняется только на квазирезонансной частоте, для которой . Отсюда

Сопоставление с формулой частоты одноконтурного АГ показывает, что при одинаковом изменении С частота -генератора изменяется в более широких пределах. Например, при изменении емкости в 10 раз изменение частоты произойдет соответственно в 10 и в раза. Это позволяет, используя -генератор, обеспечить перекрытие более широкого диапазона частот меньшим числом поддиапазонов.

Баланс амплитуд. Как видно из векторной диаграммы, мост Вина ослабляет напряжение обратной связи в три раза: . Следовательно, коэффициент усиления должен составить . Поскольку реальное усиление двухкаскадного усилителя во много раз больше, применяют глубокую ООС, за счет которой достигают снижения коэффициента гармоник до 1% и менее, стабилизации режима, расширения диапазона равномерно усиливаемых частот.

Применение генератора. Отмеченные достоинства -генераторов − перекрытие широкого диапазона частот, неискаженная форма гармонического колебания − определили и его основное применение в измерительных генераторах звуковых и ультразвуковых частот. Почти все современные измерительные ГЗЧ (ИГЗЧ) строят по схеме с мостом Вина. Типичная для них структура диапазона частот , где − номер поддиапазона. Первому поддиапазону соответствуют частоты , второму и т. д. Весь диапазон ЗЧ от до перекрывается тремя поддиапазонами. Плавное перекрытие в пределах поддиапазона обеспечивается блоком из двух КПЕ, у которых (рис. 12.4, б), а их переключение − заменой резисторов, сопротивления которых на соседних поддиапазонах отличаются в 10 раз.

Предельная частота -генераторов ограничивается верхней частотой полосы пропускания усилителя, которая у современных операционных усилителей превышает 10 МГц.

Гираторы. В тех случаях, когда в миниатюрных схемах невозможно обойтись без элементов с большой индуктивностью, вместо тяжелых и громоздких катушек с ферромагнитным магнитопроводом применяют специальную схему, состоящую из ОУ с частотно-зависимой ОС, входное сопротивление которой носит индуктивный характер, так как оно пропорционально частоте и ток в нем отстает по фазе от напряжения на 90°. Микросхемы, обладающие такими свойствами, называются гираторами.