Генерирование колебаний.
Обобщенная структурная схема автогенератора.
Автогенераторы (АГ) – это устройства, вырабатывающие колебания определенной величины, частоты и формы самостоятельно, т.е. без внешних воздействий.
Автогенераторы синусоидальных колебаний должны обеспечивать стабильность частоты и мощности выходного сигнала.
Рис. 20 Структурная схема автогенератора.
1 – усилительный элемент (транзистор)
2 – нагрузка (избирательное устройство)
3 – цепь положительной обратной связи (ПОС)
4 – источник питания
Свободные колебания, возникающие в колебательной системе 2 (контуре) через цепь обратной связи 3 поступают на вход усилителя, усиливаются им и вновь подаются на колебательную систему 2 (рис. 20). Напряжение этих колебаний должно быть достаточным для компенсации потерь в контуре, а цепь обратной связи должна обеспечить сдвиг фаз, при котором контур будет получать энергию в такт со свободными колебаниями.
Условия самовозбуждения.
Условие амплитуд
Амплитуда колебаний в контуре будет нарастать до тех пор, пока энергия, поступающая в колебательную систему, не будет равна энергии потерь, после чего схема переходит в стационарный режим (с постоянной амплитудой).
Модуль коэффициента усиления усилительного элемента:
КУС = UmВЫХ / UmВХ.
Для цепи обратной связи модуль коэффициента передачи:
КОС = UmВХ / UmВЫХ
Результирующий коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью:
К = КУС · КОС.
Если в колебательной системе установились колебания с постоянной амплитудой:
К = КУС · КОС = UmВЫХ · UmВХ / UmВХ · UmВЫХ = 1
Это есть условие баланса амплитуд: в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора равен единице.
Коэффициент обратной связи: КОС = 1 / КУС
При условии КОС > 1 / КУС амплитуда колебаний на входе автогенератора нарастает. Если КОС < 1 / КУС, колебания затухают.
Условие баланса амплитуд определяет с одной стороны стационарную амплитуду выходных колебаний, а с другой – наименьший коэффициент передачи цепи ОС, обеспечивающий самовозбуждение. Он называется критическим КОС.КР. Надежное самовозбуждение возможно только при КОС > КОС.КР.
Баланс амплитуд: напряжение, подаваемое с выхода усилительного элемента на его вход по цепи обратной связи, должно совпадать по амплитуде с входным напряжением.
Условие фаз
Условие баланса фаз предполагает, что суммарный угол сдвига фаз при обходе замкнутого кольца автогенератора должен быть равен нулю или четному числу 2П (360º).
Усилительный элемент обеспечивает сдвиг фаз на 180º. Следовательно, цепь обратной связи должна изменять фазу подводимого к ней напряжения тоже на 180º.
Обычно условие баланса фаз выполняется для одной частоты.
Баланс фаз: напряжение, подаваемое с выхода усилительного элемента на его вход по цепи обратной связи, должно совпадать по фазе с входным напряжением.
Режимы самовозбуждения.
В зависимости от значений постоянных напряжений на электродах усилительного элемента (от режима работы) и коэффициента обратной связи КОС возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.
Режим мягкого самовозбуждения (рис. 21, а)
В этом режиме рабочую точку А выбирают на линейном участке вольт-амперной характеристики нелинейного элемента. В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения (носителей заряда).
Рис. 21. Графики, поясняющие работу АГ в режиме а) мягкого самовозбуждения
б) жесткого самовозбуждения
Сначала колебания нарастают быстро, затем из-за нелинейности ВАХ рост амплитуды колебаний замедляется. Когда коэффициент передачи уменьшится до единицы (К = 1), нарастание колебаний прекратится, установится стационарный режим с углом отсечки
> 90. Частота колебаний близка к резонансной частоте колебательной системы.
Чем выше добротность колебательного контура - нагрузки АГ (Q = 50 200), тем ближе форма выходных колебаний к гармонической.
Режим жесткого самовозбуждения (рис. 21, б)
При этом режиме напряжение смещения U0 таково, что при малых амплитудах входного напряжения, тока через нелинейный элемент нет. Колебания возникают лишь при достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда возможно обеспечить. Угол отсечки здесь < 90º.
Более удобен для эксплуатации режим мягкого самовозбуждения, т.к. колебания возникают сразу после включения источника питания. Жесткий режим отличается более высоким КПД. Применение цепи автоматического смещения обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующим автоматическим переходом в режим жестокого самовозбуждения. Такой режим работы называется комбинированным.