Материал: Генераторы электрических колебаний

Рис. 5. Графики, поясняющие мягкий (а) и жесткий (б) режимы работы

При включении питания в катушке L возникает ток, возбуждающий в контуре LC свободные колебания. Напряжение обратной связи  в рассматриваемой схеме снимается с катушки . Оно является входным напряжением  и определяется выражением

.

Здесь М - коэффициент взаимной индукции катушек L и , а  - ток в катушке . Величина его

Следовательно,

Значение  для данной схемы постоянно. Знак  изменяется при взаимной перемене мест подключения выводов катушки , что позволяет выполнить условие баланса фаз. Баланс амплитуд обеспечивается нелинейностью амплитудной характеристики усилителя U_вых(U_вх). При  (см. рис. 5, а) произведение вК > 1 и амплитуда свободных колебаний в системе нарастает до тех пор, пока не наступит равенство . Если амплитуда свободных колебаний увеличится настолько, что U_вх превысит U_вх^(a), то произведение вК становится меньшим единицы и амплитуда свободных колебаний уменьшается.

Таким образом, благодаря нелинейности амплитудной характеристики усилительного элемента амплитуда колебаний автоматически стабилизируется на уровне, соответствующем

,

а любые возмущения приводят к процессам, восстанавливающим это равенство.

Характерная особенность рассмотренного режима работы состоит в том, что условие самовозбуждения вК ≥ 1 выполняется для любых сколь угодно малых начальных значений амплитуды колебаний в системе. Это значит, что колебания в ней могут возникнуть от любых флуктуационных возмущений. Такой режим генерации называют мягким.

Если делитель R₁/R₂ выбран таким, что при отсутствии сигнала на входе ток через активный элемент равен нулю, то зависимость К(U_ВХ) имеет вид, показанный на рис. 5,б. Кривая пересекается с прямой 1/в в двух точках. Здесь точка а практически ничем не отличается от точки а для мягкого режима. В точке b режим неустойчив, так как уменьшение амплитуды U_ВХ способствует дальнейшему уменьшению амплитуды колебаний до нуля, а увеличение - нарастанию, ведущему к точке а. Генератор в этом режиме не может возбудиться от флуктуационных возмущений. Для его возбуждения необходимо создать начальное колебание с амплитудой на входе, превышающей . Такой режим работы генератора называют жестким.

Как в мягком, так и в жестком режиме установление стационарной амплитуды колебаний происходит вследствие нелинейности амплитудной характеристики активного элемента, а частота колебаний равна частоте свободных колебаний в колебательном контуре.

. RC-генераторы

Применение LC-генераторов для генерирования колебаний с частотами меньше 15...20 кГц затруднено и неудобно из-за громоздкости колебательных контуров (требуются большие значения индуктивностей). В связи с этим в диапазоне низких частот широкое распространение получили RC-генераторы, в которых в качестве колебательных цепей используются цепи, образованные набором резисторов и конденсаторов.

Чтобы RC-цепи были пригодны в качестве колебательных цепей, они должны описываться дифференциальным уравнением второго или более высокого порядка.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные RC-цепи, используемые в генераторах, их коэффициенты передачи по напряжению, а также вид АЧХ и ФЧХ этих цепей. Как видно, эти цепи, за исключением моста Вина, не обладают избирательностью. При этом мост Вина имеет добротность меньше единицы. Переходная характеристика этих цепей не является колебательной, которая свойственна колебательному контуру.

Однако при включении таких цепей в цепь положительной обратной связи усилителя вследствие явления регенерации будет происходить частичная компенсация активных потерь в них, в результате чего усилитель начинает проявлять избирательные свойства, а его переходная характеристика принимает колебательный характер. При полной компенсации потерь усилитель превращается в генератор.

Таким образом, колебания в RC-генераторах возникают не благодаря колебательным свойствам цепи обратной связи, а вследствие регенерации.

Фазосдвигающие цепочки используются в генераторах, выполненных на основе инвертирующего усилителя, мост Вина - на основе неинвертирующего усилителя.

При включении фазосдвигающих цепочек и моста Вина в цепь положительной обратной связи идеального усилителя напряжения (R_ВХ → ∞, R_ВЫХ → 0) генерация возникает на частотах, на которых эти цепи имеют сдвиг фаз р и 0 соответственно. Выражения для этих частот, обозначенных , приведены в таблице 1.

В реальных генераторах частота генерации отличается от , поскольку RC-цепи со стороны своего входа нагружены на выходное сопротивление усилителя, а со стороны выхода - на входное сопротивление. Поэтому в генераторах на транзисторах на выходе усилителя устанавливают буферный каскад на эмиттерном повторителе.

Рассмотрим peгенеративный усилитель, выполненный на базе операционного усилителя с мостом Вина в цепи положительной обратной связи (рис.6,а). Резисторы R₁ и R₂, образующие цепь отрицательной обратной связи, служат для установки необходимого коэффициента усиления. Внутренним сопротивлением источника сигнала будем пренебрегать.

В процессе регенерации в мост Вина вносится отрицательное сопротивление. Если это сопротивление больше сопротивления потерь, а коэффициент усиления усилителя без положительной обратной связи в интересующем нас диапазоне частот К > 3, усилитель переходит в режим генерации на частоте

щ_г = 1/RC.

Схема генератора с мостом Вина приведена на рис.6,б.

Рис. 6. Регенеративный усилитель с мостом Вина (а); RC-генератор с мостом Вина (б) и нелинейной обратной связью (в)

Аналогичным образом можно провести анализ RC-генераторов с трехзвенными фазосдвигающими цепями. Для возникновения генерации в них (при условии R_ВХ >> R) необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя был больше 29. На рис.7,а приведена схема RC-генератора с фазосдвигающей цепью типа R-параллель.

Рис.7. RС-генератор с фазосдвигающей цепью: а - с линейной отрицательной обратной связью; б - с нелинейной отрицательной обратной связью

Остановимся на некоторых особенностях механизма ограничения амплитуды колебаний в RC-генераторах. Этот вопрос тесно связан с вопросом о форме генерируемых колебаний.

В рассмотренных ранее LC-генераторах ограничение амплитуды получается благодаря нелинейности амплитудной характеристики усилителя, В отличие от LC-генераторов с высокодобротным колебательным контуром в RC-генераторах отсутствует достаточно сильная фильтрация гармоник выходного напряжения, которые образуются при переходе в нелинейный режим усиления.

Таким образом, получается противоречие между требованием неискаженной формы колебаний (малые амплитуды) и требованием надежного ограничения коэффициента усиления (большие амплитуды).

Для устранения этих противоречивых требований в цепь отрицательной обратной связи обычно вводят нелинейный элемент. Роль такого элемента может выполнять терморезистор, сопротивление которого изменяется по величине в зависимости от амплитуды протекающего через него переменного тока. В схеме на рис.6,б терморезистор включают вместо резистора R2. В генераторах на транзисторе терморезистор включают в цепь эмиттера.

В качестве нелинейных элементов используют также диоды (рис. 9.6,в и рис. 7,б). Включенные встречно-параллельно диоды VD₁ и VD₂ при слишком больших сигналах обратной связи (при больших амплитудах выходного напряжения) попеременно входят в состояние прямой проводимости и тем самым увеличивают амплитуду сигнала отрицательной обратной связи, при этом коэффициент усиления усилителя уменьшается.

При разработке RС-генераторов гармонических колебаний элементы их схемы рассчитывают таким образом, чтобы произведение  не намного превышало единицу.

Отмеченные особенности ограничения амплитуды колебаний в RC-генераторах присущи также LС-генераторам, не содержащим высокодобротные колебательные контуры.

По характеру элементов, входящих в состав генератора, к RC - генераторам следует отнести также генератор, построенный на основе усилителя с 2Т-мостом в цепи отрицательной обратной связи. Такой усилитель является избирательным, а его добротность

Q = К/4,

где К - коэффициент усиления усилителя без обратной связи. В этом случае нельзя отделить усилитель, от колебательной цепи. Введя в усилитель с помощью резистивного делителя положительную обратную связь и подобрав номиналы резисторов, можно выполнить условия генерации. Схема генератора с 2Т-мостом в цепи отрицательной обратной связи приведена на рис.8.

Рис. 8. Генератор с 2Т - мостом

Генерация имеет место на частоте

w_Г = 1/(RС).

Литература

1.     Гуртов В.А.: Зарядоперенос в структурах с диэлектрическими слоями. - Петрозаводск: ПетрГУ, 2010

2.      Дрейзин В.Э.: Управление качеством электронных средств. - М.: Академия, 2010

.        Институт СВЧ полупроводниковой электроники РАН: Наногетероструктуры в сверхвысокочастотной полупроводниковой электронике. - М.: Техносфера, 2010

.        С.П. Вихров, О.А. Изумрудов: Твердотельная электроника. - М.: Академия, 2010

.        Ямпурин Н.П.: Основы надежности электронных средств. - М.: Академия, 2010

.        Шишкин Г.Г.: Электроника. - М.: Дрофа, 2009

.        А.Н. Диденко и др. ; Под ред. И.Б. Фёдорова: Вакуумная электроника. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008

.        Лебедев А.И.: Физика полупроводниковых приборов. - М.: Физматлит, 2008

.        Шматько А.А.: Электронно-волновые системы миллиметрвого диапазона. - Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2008

.        Московский гос. ин-т стали и сплавов, Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского; под ред. Л.В. Кожитова: Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники. - М.: МИСиС, 2007

.        Филачёв А.М.: Твердотельная фотоэлектроника. - М.: Физматлит, 2007