Якщо до входу оп прикласти напругу в вигляді стрибка із сталою ампліту­дою Uд, то

U_вих = U_д t /RС, (6.21)

де RС – стала часу інтегратора.

Інтегруючий підсилювач працює на низьких частотах аж до частоти ƒ_н = 0, тому його можна використати для одержання лінійно–змінної напруги як низькочастотної ланки оптимальної обробки сигналу або допоміжного високочастотного генератора пилкоподібної напруги (рис. 6.16, г).

Тема 7. Генератори гармонічних kоливань

Підсилювальними пристроями, розглянутими в попередніх розділах, керують електричні сигнали, які надходять від датчика або попереднього кільця схе­ми. Але повинні існувати такі кола, від яких можна діставати електричні коли­вання (сигнали) без будь–якої керуючої дії ззовні – це кола електронних генераторів, складені за схемою із зворотним зв'язком. Така схема працює в автоко­ливальному режимі, тобто на її виході створюються періодичні коливання (змі­ни вихідної величини) при відсутності вхідного збудження.

7.1. Класифікація та ііризначення генераторів гармонічних коливань

Генератором гармонічних коливань називають електронний пристрій, який перетворює електричну енергію джерела постійного струму в енергію незату­хаючих синусоїдальних коливань заданої частоти та потужності. До складу генератора входить активний елемент та час­тотно–вибіркова система (чотириполюсник).

Як активні елементи використовують транзистори, інтегральні під­силювачі (особливо операційні) та тунельні діоди, які мають відрізок від'ємного опору на вольт–амперній характеристиці. Гармонічні коли­вання в генераторах підтримуються частотно–вибірковими чотирипо­люсниками: резонанс ними LС–контурами або іншими резонуючими еле­ментами (кварци, об'ємні резонатори і т. ін.) або за допомогою фазую­чих RС–кіл, що Їх вмикають у коло зворотного зв'язку підсилювачів. То­му розрізняють LС–генератори і RС–генератори гармонічних коливань.

Внутрішньою класифікаційною ознакою генераторів гармонічних коливань є принцип керування режимом їх роботи. За цією ознакою роз­різняють генератори з незалежним збудженням, режимом роботи яких керують від зовнішнього джерела сигналу, і генератори з само­збудженням – автогенератори. Схеми LС–генераторів з незалежним збудженням по суті не відрізняються від схем резонансних підсилювачів, але характеризуються значно більшим рівнем потужності, яка виділяєть­ся в навантаженні.

В залежності від генерованих частот генератори гармонічних ко­ливань поділяють на низькочастотні (0,01...100 кГц), високочастотні (0,1...100 МГц) і надвисокочастотні (> 100 МГц). У пристроях про­мислової електроніки використовуються в основному низькочастотні та високочастотні генератори, їх застосовують у вимірювальних та регулюючих при строях, у пристроях живлення технологічних установок уль­тразвукової обробки матеріалів, а також як задавальні генератори.

7.2. Умови самозбудження автогенераtорів

Як відзначалось в п. 4.4, при охваті підсилювача позитивним зво­ротним зв'язком останній самозбуджується, оскільки коефіцієнт під­силення на певних частотах досягає нескінченно великого значення. Та­ка схема працює в автоколивальному режимі і є автогенератором. При цьому основною ознакою авто генератора є частота генерування коли­вань, тобто частота перетворення постійної напруги джерела живлення схеми в коливання змінної напруги. Таким чином, автогенератор гармо­нічних коливань являє собою підсилювальну ланку з коефіцієнтом підсилення , охоплену позитивним зворотним зв'язком з коефіцієн­том передачі за напругою β_U (рис. 7.1).

Для напруги, що знімається з виходу кола зворотного зв'язку, може­мо записати:

(7.1)

В свою чергу, напруга на виході генератора

.

(7.2)

або з урахуванням (7.1)

(7.3)

Отже, сталі коливання існуватимуть у схемі за умови, що

(7.4)

При амплітуда коливань безперервно зростає.

Умову (7.4) можемо записати так:

(7.5)

Через те, що – величина ком­плексна, то процес самозбудження автогенератора, який описується рівнянням (7.5), можемо подати у вигляді двох умов:

(7.6)

(7.7)

Рівняння (7.6) показує, що для існування автоколивань, послаблення сиг­налу, яке вноситься колом зворотного зв'язку, повинно компенсуватися підсилювачем. Ця умова відображає процес балансу амплітуд.

Рис. 7.1

Рівняння (7.7) відображає процес балансу фаз, при якому зсув фаз у замкнутому колі автоколивальної системи повинен дорівнювати 2πп, де п = 0, 1,2,3,...

Для генерації коливань синусоїдальної форми система автогенератора по­винна мати частотно–вибірковий чотириполюсник, який створює умови бала­нсу фаз та амплітуд на тій самій частоті.

Розвиток та установлення коливального процесу в автогенераторі (за умови виконання балансу фаз) можна пояснити за допомогою графічних побудов (рис. 7.2). Тут зображені амплітудна характеристика власне підсилюючого кола та пряма зворотного зв'язку що характеризує ослаблюючий вплив ланки зворотного зв'язку.

Якщо на вхід підсилюючого кола з будь–яких причин діє сигнал з амплі­тудою напруги U_вх1 то після підсилення в К_пU раз на виході підсилювача

з'явиться сигнал з амплітудою U_вих1. Ця напруга, ослаблена в β_U раз, ство­рить на вході підсилювача напругу U_вх2, яка дасть на виході нову напру­гу. Описаний процес повторюється доти, поки амплітуда вихідного сигналу не досягне сталого значення U_ст (точка А, рис. 7.2, а), при якому виконується умова (7.6). З цього ж рисунка видно також, що через нелінійність амплітудної ха­рактеристики, обумовленої нелінійністю характеристик транзистора, коефіцієнт підсилення підсилювального кола з ростом рівня вихідного сигна­лу зменшується. Отже, для процесу розвитку автоколивань умова (7.6) запишеться у вигляді , а умова балансу амплітуд в загальному вигляді

(7.8)

У виразі (7.8) знак нерівності відображає процес розвитку автоколивань, а знак рівності – сталий процес. Таким чином, амплітуда сталих авто­коливань обмежується нелінійністю характеристик транзистора.

Рис. 7.2

З рис, 7.2, а випливає також, що після подання до схеми генератора напруги живлення автоколивання розвиваються при дії на вхід підсилю­вального кола нескінченно малих імпульсів, що їх завжди створюють шуми. Такий режим роботи авто генератора називають м'яким режимом самозбудження.

При виборі положення робочої точки на нелінійній ділянці статичної характеристики транзистора амплітудна характеристика має вигляд, показаний па рис. 7.2, б. В цьому випадку коливання з'являються, коли на вході підсилювального кола діє поштовх напруги не меншої ніж U_вх. Такий режим виникнення гармонічних коливань називають жорстким режимом самозбудження.

7.3. LС – АВTОГЕНЕРАТОРИ

У схемі автогенератора з резонансним LС–контуром (рис. 7.3, а) вико­ристовується індуктивний зв'язок обмотки резонансного контура L_KС_К, що є навантаженням однокаскадного підсилювача за схемою ЗЕ, з другою обмоткою L₆, ввімкненою в коло збудження підсилювача (в коло бази). Елементи R1, R2, R_Е та С_Е призначені для забезпечення режиму за по­стійним струмом і його термостабілізації. Опори r_к та r₆ враховують активні втрати відповідно в контурній і базовій обмотках. За рахунок конденсатора С, реактивний опір якого на частоті генерації незначний, заземлюється один кі­нець базової обмотки.

Опір контура па резонансній частоті має чисто активний характер і дорів­нює L_к /r_кС_к . Тому при дії на базу сигналу змінного струму (виникає із флюктуаційних шумів) з частотою, що дорівнює частоті резонан­су, напруга на колекторі буде зсунута за фазою на 180 ел. град, (як для каскаду підсилення за схемою ЗЕ). Оскільки базова і контурна обмотки мають взаємну індуктивність, змінна напруга на базовій обмотці U_ЕВ за рахунок струму І_K, що протікає через контурну обмотку L_K, дорівнює ± jωМІ_K, де М – коефіцієнт взаємоіндукції. Якщо вибрати напрям намотки котушок таким, щоб U_ЕВ = – jωМІ_K то загальний фазовий зсув у замкнутому колі підсилювач–ланка зворотного зв'язку дорівнює нулю, що забезпечує виконання умови балансу фаз.

Рис. 7.3

Мінімальне підсилення, що забезпечує виконання умови балансу амплітуд на резонансній частоті (частоті генерації)

(7.9)

де і – опір активних втрат і індуктивність коливального контура з вра­хуванням паралельно ввільненої вихідної провідності транзистора.