3.6. Генераторы гармонических колебаний

3.6.1. Назначение и классификация электронных генераторов

Электронными генераторами называют устройства, преобразующие с помощью управляющих элементов энергию источника питания в энергию электрических колебаний заданной частоты и формы. Внутренним классификационным признаком генераторов является принцип управления режимом их работы. По этому признаку различают генераторы с независимым возбуждением, режимом работы которых управляют от внешнего источника переменного напряжения, и генераторы с самовозбуждением – автогенераторы.

По форме выходных колебаний различают генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и генераторы колебаний несинусоидальной формы (прямоугольной, пилообразной и др.), которые называют релаксационными (импульсными). Работа последних характеризуется специфическими особенностями и здесь не рассматривается.

Гармонические колебания в генераторах поддерживаются резонансными контурами либо другими резонирующими элементами (кварцы, объемные резонаторы и т.п.) или с помощью фазирующих RC-цепей, включаемых в цепь обратной связи усилителей. Первые называются LC–, а вторые RC– генераторами гармонических колебаний. Маломощные LC-генераторы применяются в измерительных и регулирующих устройствах, а также служат в качестве задающих генераторов в радиопередатчиках. LC-генераторы средней и большой мощности широко используются для питания технологических установок ультразвуковой обработки материалов, установок индукционного нагрева металлов и диэлектриков, электронных микроскопов и др. RC-генераторы применяются как задающие устройства в системах преобразования постоянного тока в переменный, а также различного рода измерительных приборах и системах.

3.6.2. Условия самовозбуждения автогенераторов

На рис.3.32 приведена структурная схема автогенератора, которая состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и цепи положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи β.

В усилителе, охваченном обратной связью, входное и выходное напряжение связаны между собой соотношениями:

U_вх = βU_вых; U_вых = КU_вх.

Подстановка одного выражения в другое дает следующее уравнение U_вых = КβU_вых, справедливое при условии Кβ = 1.

Выполнение данного условия обеспечивает в автогенераторе

незатухающие колебания. Величины К и β комплексные, обозначив через α₁ и α₂ аргументы комплексных чисел К и β, получим условия, при которых выполняется последнее равенство:

α₁ + α₂ = 0 - условие баланса фаз;

βК = 1 - условие баланса амплитуд.

Условие баланса фаз означает, что в схеме имеется положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются энергией от источника питания с помощью цепи положительной обратной связи.

3.6.3. LC-автогенераторы

Простейшая схема LC-генератора приведена на рис.3.33,а. Катушка резонансного контура L_б индуктивно связана с катушкой L_к, включенной в коллекторную цепь транзистора. При подаче напряжения питания в колебательном контуре появляются слабые колебания с частотой

,

которые в отсутствие положительной обратной связи должны прекратиться из-за потерь энергии в колебательном контуре. Появившийся в контуре переменный ток усиливается транзистором. Эти колебания че­рез катушку L_к, индуктивно связанную с катушкой L_б, вновь возвраща­ются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно нарастает до величины (рис.3.33,б), определяемой нелинейностью вольт-амперных характеристик транзистора.

Мощность в колебательном контуре, включенном в базовую цепь усилителя, будет небольшой, так как ток и напряжение в базовой цепи имеют малые величины. По этой причине такие генераторы применяются редко. Чаще всего используются генераторы, в которых колебательный контур включен в цепь коллектора.

Кроме трансформаторной обратной связи, применение находят генераторы с автотрансформаторной обратной связью, так называемые трехточечные схемы (контур включается в схему тремя точками).

Используют автогенераторы с индуктивной и емкостной трехточками.

3.6.4. RC-автогенераторы

В генераторных устройствах низкочастотного диапазона в качестве избирательных используются частотно-зависимые цепочки из элементов R и C, включаемые в цепь обратной связи усилителя. Такие схемы, представляющие собой сочетание усилитель – частотно-зависимая положительная обратная связь, называются RC-генераторами. По габаритным и весовым характеристикам, а также и по стоимости в области частот от долей герца до десятков килогерц они имеют значительные преимущества перед LC-генераторами. В некоторых случаях RC-генераторы используются для получения колебаний с частотами, достигающими сотен килогерц.

По принципу построения RC-генераторы подразделяются на две основные группы:

- генераторы с поворотом фазы сигнала в цепи обратной связи на +180^о;

- генераторы, у которых фазовый сдвиг сигнала в цепи обратной связи на определенной частоте равен нулю.

RC-генераторы с фазовым сдвигом в цепи обратной связи содержат однокаскадный усилитель по схеме ОЭ, фаза выходного напряжения которого отличается от фазы входного сигнала на 180^о. Условие баланса фаз может быть выполнено, если частотно-зависимая цепь обратной связи (фазирующая цепочка) также обеспечивает поворот фазы напряжения на нужной частоте генерации на 180^о.

В качестве фазирующих используются цепочки, состоящие из простейших Г-образных RC-звеньев (обычно трех или четырех). На практике применяют два варианта фазирующих цепочек. Трехзвенная цепочка, фазирующая напряжение, так называемая "R-параллель", и такая же цепочка "С-параллель".

В отличие от резонансной частоты ω₀ колебательного контура для фазирующих RC-цепей частота, на которой возникают колебания, называется квазирезонансной.

Квазирезонансная частота для трехзвенных фазирующих цепочек может быть рассчитана по формулам:

для цепочки R-параллель

,

и для цепочки С-параллель

.

На рис.3.34 показана принципиальная схема RC-генератора с трехзвенной цепочкой типа R-параллель.

Данный RC-генератор имеет ряд недостатков:

- цепь обратной связи сильно шунтирует каскад усилителя, вследствие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие баланса амплитуд или возникающие колебания будут неустойчивыми;

- генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к ω_о, это объясняется отсутствием строгой избирательности к основной частоте Г-образных RC-цепей.

Для уменьшения шунтирующего влияния RC-цепей обратной связи в автогенератор вводят дополнительный каскад – эмиттерный повторитель, имеющий высокое входное сопротивление. Этот каскад включают между выходом усилителя и цепью обратной связи. Эмиттерный повторитель сохраняет условие баланса фаз и в то же время практически исключает шунтирующее действие цепи обратной связи.

Для снижения искажений формы генерируемых колебаний в усилитель часто вводят отрицательную обратную связь, например, на рассмотренной выше схеме это осуществляется включением резистора R_э в цепь эмиттера.

Если необходимо регулировать частоту генератора в широком диапазоне в качестве частотно-зависимой обратной связи используют последовательно-параллельные избирательные цепочки (мост Вина). В этом случае RC-генераторы содержат четное количество каскадов и работают без сдвига фазы в цепи обратной связи.

Автогенераторы с мостом Вина широко применяют в различной измерительной аппаратуре как широкодиапазонные автогенераторы (от нескольких единиц герц до нескольких сотен килогерц) с относительно хорошей стабильностью частоты. В этом их основное преимущество по сравнению с другими типами RC-генераторов.