Глава 8. Нелинейные преобразования сигналов Из анализа уравнения баланса фаз (3) следует, что в автогенерато-
ре устанавливаются такие и только такие колебания, у которых фазо-
вый сдвиг, внесенный усилителем, компенсируется фазовым сдвигом,
внесенным цепью обратной связи.
Баланс фаз иллюстрируется на рис. 2. Из анализа графиков следу-
ет, что колебания возникают на единственной частоте ю г , на которой
Рис. 2
фазовый сдвиг в усилителе, равный +180°, компенсируется фазовым
сдвигом в цепи ОС, равным -180°. Отметим, что если баланс фаз вы-
полняется на нескольких частотах, то генерируется сумма гармоник с
этими частотами, соответствующая сложному импульсному сигналу.
В радиоэлектронике часто используется RC-автогенератор на
операционном усилителе, электрическая схема которого показана на
Вых.
Рис. 3
рис. 3. Как видим, основа схемы — неинвертирующий усилитель. Его
коэффициент передачи равен K^l + R^/Rt, где сопротивление рези-
стора в цепи отрицательной обратной связи зависит от выходного на-
пряжения:
чем больше амплитуда выходного сигнала,
тем меньше со-
противление
/?ос.
Следовательно, с ростом амплитуды
выходного сиг-
нала
коэффициент усиления усилителя на ОУ
уменьшается (рис. 1).
На
практике в качестве нелинейного
резистора можно использо-8.4. Стационарный режим автогенератора
вать терморезистор или два встречно-параллельно соединенных диода
(анод первого из диодов должен быть подключен к катоду второго
диода, а анод второго — к катоду первого).
Цепь положительной обратной связи автогенератора составлена из
резисторов и конденсаторов. Используя законы Ома и Кирхгофа, най-
дем коэффициент передачи цепи положительной обратной связи:
л
tL
1
3 + /шДС
\
—]
(oRCj
(4)
На частоте квазирезонанса ю0 = l/RC комплексный коэффициент
передачи цепи обратной связи принимает максимальное и веществен-
-90°-
Рис.4
ное значение, равное 1/3. Фазочастотные характеристики неинверти-
рующего усилителя <рк(ю) и цепи ОС фос(ш) приведены на рис. 4. Из их
анализа следует, что баланс фаз осуществляется только на одной час-
тоте, равной частоте квазирезонанса ш 0 = 1//?С. Для возникновения
колебаний на этой частоте необходимо дополнительно выполнить ус-
ловие самовозбуждения для амплитуд: P/f> 1. Так как на частоте ш0
коэффициент Р = 1/3, то коэффициент усиления неинвертирующего
усилителя должен быть больше 3. Такой коэффициент усиления легко
получить с помощью ОУ. Частоту колебаний ЯС-автогенератора мож-
но перестраивать, если использовать сдвоенные переменные резисто-
ры или сдвоенные переменные конденсаторы.
Глава 8. Нелинейные преобразования сигналов Для генерации последовательности прямоугольных импульсов ис-
пользуется автоколебательный мультивибратор, схема которого по-
казана на рис. 5. Мультивибратор состоит из двух одинаковых каска-
дов — усилителей с общим эмиттером. Сигналы с коллекторов этих
каскадов через разделительные конденсаторы С1 и С2 поступают на
базы транзисторов.
Сигнал с выхода каждого из каскадов усиливается в другом каска-
де и снова поступает на вход первого каскада — каждый каскад явля-
ется для другого цепью обратной связи. Так как усилитель с общим
эмиттером изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°, то с учетом
того, что в цепи ОС — таком же усилителе, фаза тоже изменяется на
Рис. 5
180°, получим нулевой результирующий фазовый сдвиг.
Такой баланс фаз осуществляется в широком диапазоне частот,
равном примерно полосе пропускания резистивного усилителя. Боль-
шое число генерируемых гармоник в сумме образуют периодическую
последовательность импульсов и в этом случае удобно анализ работы
мультивибратора проводить во временной области (рис. 6).
Предположим, что в начальный момент времени транзистор V I в
схеме мультивибратора открыт, а транзистор V2 — закрыт. Конденса-
тор С1 начинает заряжаться через резистор R2. Напряжение на базе
второго транзистора V2 будет возрастать. Когда оно достигает напря-
жения отпирания транзистора, в схеме происходит лавинообразное
изменение состояний транзисторов: транзистор V2 открывается, а
транзистор VI закрывается, так как к базе VI будет приложено закры-
вающее напряжение, имеющееся на конденсаторе С2. После смены
состояний транзисторов начинает перезаряжаться конденсатор С2 че-
рез резистор R1 и через время, равное примерно т = R\C2, произойдет
Контрольные
вопросы и задачи
очередное
изменение состояния схемы. Амплитуда
генерируемых им-
пульсов
практически равна напряжению источника
питания.
JLJ
ТП7,
Рис.
6
Мультивибраторы
широко используются в качестве
генераторов
импульсов
в компьютерах. Для повышения стабильности
их работы в
схемы
дополнительно включают катушки
индуктивности (резонанс-
ные
контуры) и кварцевые резонаторы, а
вместо инвертирующих уси-
лителей
ОЭ используют логические элементы.
Контрольные
вопросы и задачи
1.
Какими
свойствами обладают дополнительные
продукты, возникающие при
воздействии
гармонического сигнала на нелинейную
и параметрическую
цепи?
Продемонстрируйте возникновение таких
продуктов на выходе ана-
логового
перемножителя.
Нарисуйте
диаграмму токов и напряжений для
двухтактного нелинейного
усилителя
на двух транзисторах.
Можно
ли в умножителе частоты на транзисторе
частоты
в 2,5 раза?
получить
умножение
2.
3.