2.3. Генераторы электрических колебаний

Генератором электрических колебаний называется устройство, позволяющее преобразовать энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний, возникающих в его схеме самопроизвольно, без периодического воздействия внешнего возбуждающего напряжения. Рассмотрим автогенератор как структуру, содержащую два основных звена: усилительное звено (К) и звено обратной связи с коэффициентом передачи β (рис. 2.10).

 

Рис. 2.10 Структурная схема автогенератора

 

Обозначим

,

где

 – комплексный коэффициент усиления усилительного звена;

 и  – входное и выходное напряжения усилительного звена.

 – комплексный коэффициент передачи напряжения цепи обратной связи, где  – напряжение на входе, а  – напряжение на выходе цепи обратной связи. Комплексная форма выражений вызвана необходимостью учета сдвигов фаз, создаваемых усилительным звеном и цепью обратной связи.

При наличии в схеме автогенератора колебаний должно  выполняться условие: .

Из этого равенства вытекает:

1) К·β = 1 – условие баланса амплитуд;

2) jК + jβ = 2pn – условие баланса фаз.

Здесь К – модуль коэффициента усиления усилительного каскада; β – модуль коэффициента передачи цепи обратной связи; jК – фазовый сдвиг, создаваемый усилительным каскадом; jβ – фазовый сдвиг, создаваемый цепью обратной связи; n = 0, 1, 2, 3, 4...

Эти условия являются очень важными в теории автогенераторов.

Основной предпосылкой к самовозбуждению автогенератора и переходу его в режим установившихся колебаний является положительная обратная связь, характеризуемая совпадением фазы напряжения на выходе цепи обратной связи и входе усилителя.

Под действием положительной обратной связи малые флуктуационные колебания, возникающие в схеме генератора после включения напряжения питания, усиливаются усилительным каскадом К и передаются по цепи обратной связи вновь на выход усилителя. При каждом обходе по замкнутому контуру, содержащему усилитель и цепь обратной связи, сигнал на входе и выходе усилительного звена прогрессивно возрастает. Такой рост продолжается до тех пор, пока процесс самовозбуждения не завершается установившимся режимом, для которого и выполняются условия баланса амплитуд. Для самовозбуждения автогенератора в начальный момент времени необходимо выполнение условия: К > 1.

Если бы характеристика усилительного звена была линейной, это привело бы к бесконечному росту амплитуды автоколебаний. Поэтому усилительное звено должно обладать нелинейной характеристикой. Переход к установившемуся режиму обусловлен постепенным уменьшением коэффициента усиления усилительного звена в связи с уменьшением наклона амплитудной характеристики при росте сигнала, что характерно для всех видов усилителей (рис. 2.11).

В принципе генератор с самовозбуждением мало отличается от усилительной ступени с цепью обратной связи. Одно из отличий заключается в том, что часто усилитель должен усиливать полосу частот и поэтому в качестве нагрузки используется апериодическая нагрузка (резистор, дроссель, трансформатор). Генератор генерирует чаще всего колебание одной частоты, поэтому в качестве нагрузки используется параллельный колебательный контур, сопротивление которого на резонансной частоте максимально и имеет активный характер.

Наиболее часто в усилительном звене генератора используются биполярные и полевые транзисторы, а также операционные усилители. Максимум частотной характеристики подобного усилителя с резонансной нагрузкой соответствует резонансной частоте контура, поэтому условие баланса амплитуд будет выполняться только на этой частоте, что и определит частоту генерируемых колебаний. Примером подобного генератора является транзисторный генератор с индуктивной обратной связью (рис. 2.12).

 

Рис. 2.11 Амплитудная характеристика усилительного звена

 

Рис. 2.12 Принципиальная схема генератора с индуктивной обратной связью

 

В этой схеме цепь обратной связи образована катушкой контура L_k и катушкой обратной связи в цепи базы L_св. Возникающие в контуре слабые электрические колебания (в момент включения) наводят в катушке связи переменную ЭДС, которая создает переменное возбуждающее напряжение в цепи базы. Для этого катушка обратной связи должна быть так присоединена к выводам базы и эмиттера транзистора, чтобы входное напряжение у нее имело фазу, сдвинутую на 180° по отношению к фазе выходного напряжения усилительного звена. Этим обеспечивается нулевой сдвиг (следовательно, положительная обратная связь) между входным и выходным напряжениями в петле обратной связи, так как усилительное звено, в котором включен транзистор по схеме с общим эмиттером, также создает фазовый сдвиг, равный 180°.