Введення
Для передачі сигналів електрозв'язку необхідно мати генератор електричних коливань високої частоти-пристрій, що перетворює енергію джерела постійної напруги в енергію коливань. Існують генератори із зовнішнім збудженням, в яких незгасаючі коливання отримують від зовнішнього джерела, і генератори з самозбудженням (автогенератори), для яких зовнішній джерело не потрібен. Коливання, одержувані в автогенераторах, називають автоколиваннями. Ці коливання можуть бути гармонійними (синусоїдальними) або релаксаційним (несинусоїдальними). Автогенератори застосовують не тільки в передавальної, але і в приймальні апаратури: в перетворювачах частоти, демодулятора і т.д. Незалежно від призначення автогенераторів, вони повинні задовольняти наступним загальним вимогам: мати досить високу сталість (стабільність) частоти коливань і вихідний потужності, а також можливе близьку з синусоїдальної форму вихідної напруги. Для виконання цих вимог у схемах автогенераторів застосовують ряд спеціальних заходів.
1. Принципи роботи автогенератора
1.1 Структурна схема автогенератора
У найпростішому випадку високочастотні коливання можна отримувати за допомогою звичайного коливального контуру. Припустимо, що контур отримав від постійного джерела деякий початковий запас енергії. При цьому в ньому виникають вільні (власні) затухаючі коливання. Щоб зробити їх незатухающими, необхідно весь час поповнювати запас енергії в контурі, оскільки частина її процесі коливань необоротно перетворити в тепло.
Реалізувати джерело енергії, необхідний для отримання незатухаючих коливань в контурі, можна за допомогою пристрою рис. № 1
Рис. № 1. Структурна схема LC-автогенератора
Схема містить підсилювальний елемент 1 (електронну лампу або транзистор), навантаженням якого є коливальна система 2, наприклад, коливальний контур з зосередженими параметрами. Частина напруги з контуру через ланцюг зворотного зв'язку 3 надходить на вхід підсилювального елемента. Пристрій отримує живлення від джерела напруги 4.
Напруга вільних коливань, що надходять через елемент 3 на вхід елемента 1, посилюється їм і знову подається на коливальну систему. Це напруга має бути після посилення достатнім для компенсації втрат в контурі. Крім цього, ланцюг зворотного зв'язку повинна викликати такий зсув фази коливань, що поступають на вхід елемента 1, при якому контур буде своєчасно, тобто в такт з вільними коливаннями в ньому, отримувати енергію. При одночасному виконанні зазначених умов даний пристрій створює (генерує) незгасаючі коливання, тобто являє собою автогенератор.
1.2 Процес самозбудження
У момент вмикання джерела живлення у всіх ланцюгах генератора проходять короткочасні імпульси струмів. Так як одиночний імпульс утворює суцільний спектр коливань, частота одного з них обов'язково збігається з власною частотою коливальної системи генератора. Це коливання порушить коливальну систему, і по ланцюгу зворотного зв'язку на керуючий електрод підсилювального елемента надійде напруга даної частоти. Під дією цієї напруги вихідний струм підсилювального елемента стане змінюватися з тією ж частотою. Змінна складова струму, проходячи через коливальну систему, буде посилювати виникли в ній коливання. Амплітуда коливань буде наростати до тих пір, поки енергія, що надходить в коливальну систему, стане рівною енергії втрат, після чого схема переходить в стаціонарний режим, що характеризується постійною або стаціонарної амплітудою коливань.
Якщо контуру повідомити деякий початковий запас енергії, в ньому виникають затухаючі коливання. При підключенні до контуру навантаження, що має активний опір, швидкість загасання коливань збільшується, що свідчить про збільшення втрат у ньому. Отже, можна вважати, що якщо енергія споживається від контуру, в нього як би вноситися позитивне активний опір R +, що збільшує опір втрат контуру R п. Якщо ж енергія надходить у контур, це еквівалентно зменшенню втрат в контурі, тобто як би внесенню до нього негативного активного опору R-.
У коливальну систему автогенератора енергія надходить від підсилювального елементу (негативне опір) і одночасно споживається ланцюгом зворотного зв'язку і навантаженням (позитивне опір). Отже, в коливальну систему вноситися деякий еквівалентний опір R ек = R + - R -. Якщо ж знак цього опору позитивний (R ек> 0), втрати в коливальній системі збільшуються і коливання швидко затухають; якщо знак негативний (R ек <0) і крім цього <R п, відбувається часткова компенсація втрат і швидкість загасання коливань зменшується. При R ек <0 і> R п енергія, що надходить в коливальну систему, більше енергії втрат, що призводить до безперервного зростання амплітуди коливань. У стаціонарному режимі роботи автогенератора негативне внесене опір ставати рівним (по модулю) опору втрат коливальної системи. Це означає, що надходить в неї енергія повністю компенсує втрати, внаслідок чого амплітуда автоколивань стає постійною.
2. Умови самозбудження автогенератора
2.1 Баланс амплітуд і фаз
Розімкніть в точках 1-1 рис. № 1 ланцюг зворотного зв'язку і запишемо вираз для коефіцієнта посилення підсилювача:
K вус == K вус exp iψ вус,
де U mвих і U mвх - відповідно комплексні амплітуди вихідної та вхідної напруги;
K вус = - модуль коефіцієнта підсилення;
ψ вус - його аргумент, що враховує зсув фаз між вхідним і вихідним напругою підсилювача. Припустимо, що в якості коливальної системи використано одиночний коливальний контур, резонансне опір якого R рез. Тоді
U mвих = I m1 R рез,
де I m1 - амплітуда першої гармоніки вихідного струму підсилювального приладу. Зв'язок між значеннями I m1 і U mвх встановлюється за допомогою співвідношення Im1 ≈ S ср U mвх, в якому S сер - середня крутизна вольт-амперної характеристики підсилювального елементу. У будь-якому реальному підсилювачі ця характеристика нелінійна, тому середня крутизна S ср залежить від амплітуди вхідної напруги U mвх. Так, при малих значеннях U mвх крутість характеристики S ср практично дорівнює статичної крутизні в робочій точці, при збільшенні U mвх вона зменшується.
Підставляючи значення I m1 з останнього рівняння у вираз для U mвих, отримуємо:
U mвих = S ср U mвх R рез.
Тоді
K вус = S ср R рез і K вус = S ср R рез exp jψ вус.
Коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку
K вус == K о.с. exp jψ о.с.,
де K о.с. = - модуль коефіцієнта передачі; ψ о.с. - його аргумент, що визначає зсув фаз між вхідною напругою ланцюга зворотного зв'язку.
Результуючий коефіцієнт передачі підсилювача, охопленого зворотним зв'язком, К = К вус Кос. Якщо в коливальній системі встановляться синусоїдальні коливання з постійною амплітудою (стаціонарний режим),
К = К вус Кос == 1 (1)
Підставляючи в рівняння (1) значення К вус і K о.с., отримуємо
K = S ср R рез exp (jψ ус) Кос exp (jψ о.з) = Кос S ср R рез exp [j (ψ вус + ψ о.з)] = 1. (2)
Рівняння (2) висловлює умова стаціонарності автогенератора. Це рівняння розпадається на два:
Кос S ср R рез = 1, або Кос До вус = 1 (3)
ψ вус + ψ о.з = 0; 2π 4π; ... (4)
1.Условіе балансу амплітуд.
Співвідношення (3) називають умовою балансу амплітуд: у стаціонарному режимі коефіцієнт передачі по замкненому кільцю генератора (елементи 1-3 на рис. № 1) дорівнює одиниці. У цьому умові величини Кос і R рез не залежать від амплітуди напруги на вході підсилювального елемента, а S ср - залежить (зі збільшенням U mвх середня крутизна S ср зменшується). Отже, умова балансу амплітуд виконується лише при певному значенні U mвх, тобто при певній амплітуді коливань U mвих. З (3) отримуємо
До ос =. (5)
Якщо Кос>, амплітуда коливань на виході автогенератора наростає до тих пір, поки знову не виконатися умова (3). При Кос <виникнення коливань неможливо, оскільки енергія, що надходить в коливальну систему, недостатня для компенсації втрат. Таким чином, умова балансу амплітуд визначає, з одного боку, стаціонарну амплітуду вихідних коливань, а з іншого - найменший коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв'язку, який забезпечує самозбудження генератора. Цей коефіцієнт К о.с.кр називають критичними. Надійне самозбудження генератора можливо тільки при Кос> До о.с.кр.
2. Умова балансу фаз.
Це умова визначається (4): у стаціонарному режимі сумарний кут зсуву фаз при обході замкнутого кільця автогенератора повинен бути рівний нулю або цілому числу 2 π.
У колах автогенератора можуть бути наступні зрушення фаз.
Зрушення фаз на кут ψ 1 = π, створюваний підсилювальним елементом (наприклад, транзистор при його включенні за схемою з загальним емітером), між його вхідним U mвх і вихідним U mвих напругами.
Зрушення фаз на кут ψ о.с. виникає в ланцюзі зворотного зв'язку між її вхідним U mвх і вихідним U mвих напругами.
Зрушення фаз на кут ψ 2 між напругами на вході підсилювального елемента U mвх і першою гармонікою його вихідного струму I m1. Цей зсув виникає на дуже високих частотах і при правильному виборі лампи або транзистора кут ψ 2 ≈ 0 0.
Зрушення фаз на кут ψ 3 між напругою U mвих і струмом I m1. Якщо коливальний контур точно налаштований на частоту першої гармоніки вихідного струму, кут ψ 3 ≈ 0 0.
Таким чином, умова (4) можна переписати в наступному вигляді:
ψ 1 + ψ 2 + ψ 3 + ψ о.з = 180 0 +0 0 + ψ о.з = 0; 360 0; 720 0, ... або ψ о.з = ± 180 0 (6)
Співвідношення означає, що для виконання умови балансу фаз ланцюг зворотного зв'язку повинна змінювати фазу підводиться до неї змінної напруги U mвих і 180 0. У більшості автогенераторів існує лише одна частота, на якій виконується умова балансу фаз, тобто на якій можливо генерування коливань. Отже, умова (4) визначає частоту автоколивань ω авт.
2.2 Режими самозбудження автогенератора
У залежності від значень постійних живлячих напруг, підведених до електродів підсилювального елемента, і від коефіцієнта Кос можливі два режими самозбудження: м'який і жорсткий.
1.Режим м'якого самозбудження.
У даному режимі робочу точку А вибирають на лінійній ділянці вольт-амперної характеристики підсилювального елементу, що забезпечує початковий режим роботи підсилювального елемента без відсічення вихідного струму i вих (мал. № 2).
Рис. № 2. Діаграма, м'якого режиму самозбудження.
У цих умовах самозбудження виникає від самих незначних змін вхідної напруги U вх, завжди є в реальних умовах через флуктуацій носіїв заряду.
Спочатку коливання в автогенератора наростають відносно швидко. Потім з-за нелінійності вольт-амперної характеристики підсилювального елементу зростання амплітуди коливань сповільнюється, оскільки напруга на його вході потрапляє на ділянки вольт-амперної характеристики з усе меншою статичної крутизною, а це призводить до зменшення середньої крутизни S СР і коефіцієнта передачі Кос ланцюга зворотного зв'язку.
Наростання коливань відбувається до тих пір, поки коефіцієнт передачі К зменшиться до одиниці. У результаті в автогенератора встановитися стаціонарний режим, якому відповідає певна амплітуда вихідних коливань, причому кут відсічення вихідного струму 0> 90 0. Частота цих коливань дуже близька до резонансної частоти коливальної системи.
Якби підсилювальний елемент мав лінійну вольт-амперна характеристику, наростання амплітуди автоколивань відбувалося б до нескінченності, що фізично неможливо. Тому в лінійній ланцюга отримати стійкі автоколивання з постійною амплітудою неможливо.
Через нелінійності воль-амперної характеристики форма вихідного струму i вих підсилювального елемента виходить несинусоїдної. Однак при досить великий добротності (50 ... 200) коливальної системи перша гармоніка цього струму і, отже, напруга на виході автогенератора представляють собою майже гармонійні коливання.
2. Режим жорсткого самозбудження.
При цьому режимі напруга зміщення U 0 задають таким, щоб при малих амплітудах вхідної напруги струм через підсилювальний елемент не проходив. Тоді незначний коливання, що виникли в контурі, не можуть викликати струм вихідного ланцюга, і самозбудження автогенератора не настає. Коливання виникають тільки при їх досить великої початкової амплітуді, що не завжди можна забезпечити. Процес виникнення і наростання коливань при жорсткому режимі самозбудження ілюструє за допомогою рис. № 3.
Рис. № 3. Діаграма жорсткого самозбудження
З розгляду цього малюнка видно, що при малих початкових амплітудах вхідної напруги (крівая1) струм i вих = 0 і автоколивання не виникають. Вони виникають тільки при достатньо великої початкової амплітуді напруги (крива 2) і швидко наростають до сталого значення. У стаціонарному режимі підсилювальний елемент працює у кутами відсічки вихідного струму 0 <90 0.
Для зручності експлуатації автогенератора доцільніше застосувати м'який режим самозбудження, оскільки в цьому режимі коливання виникають відразу після вмикання джерела живлення. Однак при жорсткому режимі коливань з кутом відсічення 0 <90 0 забезпечуються більш високий ККД автогенератора і менші теплові втрати. Тому в стаціонарному режимі автогенератора більш вигідний саме режим з малими кутами відсічки вихідного струму підсилювального струму підсилювального елемента.
Автоматичне зсув. Його застосування забезпечує можливість роботи автогенератора при первісному включенні в режимі м'якого самозбудження з подальшими автоматичним переходом в режим жорсткого самозбудження. Цього досягають застосуванням у автогенератора спеціальної ланцюга автоматичного зсуву.
На рис. № 4а зображена спрощена принципова схема автогенератора на біполярному транзисторі VT, навантаженням якого служить коливальний контур L2C2. Напруга позитивного зворотного зв'язку створюється на котушці L1 і підводиться між базою і емітером транзистора. Початкове напряженіе6 зсуву на базі транзистора створюється джерелом включена ланцюг авто-зміщення R1C1.
Процес виникнення і наростання коливань ілюструється за допомогою рис. № 4б. У перший момент після вмикання генератора, тобто в момент появи коливань, робоча точка А знаходиться на ділянці максимальної крутості вольт-амперної характеристики транзистора. Завдяки цьому коливання виникають легко в умовах м'якого режиму самозбудження. У міру зростання амплітуди збільшується струм бази, постійна складова якого створює падіння напруги U см на резисторі R1 (змінна складова цього струму проходить через конденсатор C1). Так як напруга U см докладено між базою і емітером в негативній полярності, результуюче постійна напруга на базі U 0 - U см зменшується, що викликає зміщення робочої точки вниз по характеристиці транзистора і переводить автогенератор в режим роботи з малими кутами відсічки колекторного струму при цьому струми колектора i до і бази i б мають вигляд послідовності імпульсів, а напруга на виході U вих, створюване першим гармонікою колекторного струму, являє собою синусоїдальна коливання з незмінною амплітудою.
Таким чином, ланцюг автоматичного зміщення R1C1в автогенератора виконує роль регулятора процесу самозбудження і забезпечує в початковий момент умови м'якого самозбудження з подальшим переходом в більш вигідний режим з малими кутами відсічки.
3. Основні схеми LC-автогенераторів
3.1 Одноконтурні схеми автогенераторів на транзисторах
Малопотужні автогенератори, які використовуються в сучасній апаратурі передачі сигналів електрозв'язку, виконують зазвичай на транзисторах, що мають у порівнянні з електронними лампами велику економічність, довговічність, надійність і компактність.
1. Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком.
Принципова схема генератора показана на рис № 4а.
Рис. № 4 а, б. Генератор з ланцюгом автосмещенія: а-схема, б-діаграми, що пояснюють регулюють дію ланцюга автосмещенія
Включення джерела колекторного напруги Е до супроводжується початковим зарядом конденсатора контуру З 2 і наступним його розрядом через котушку L 2. Так як котушки L 2 і L 1 являють собою трансформатор високої частоти, що виникає навіть найслабший струм у контурі наводить у котушці зв'язку L 1 змінну ЕРС взаємоіндукції. Ця ЕРС створює змінне збудливу напруга між базою і емітером транзистора, яке управляє колекторним струмом в такт з коливаннями, що виникли в контурі. Завдяки підсилювальним властивостями транзистора виникли коливання наростають і нестійкий процес початкової генерації переходить в стаціонарний, при якому амплітуди коливальних струмів і напруг, а також їхня частота встановлюються незмінними.
Періодично мінливий колекторний струм може мати різну форму залежно від кута відсічки 0. Однак перша гармоніка цього струму завжди збігається за фазою з напругою збудження і напругою на контурі. У режимах з відсічкою через частотної вибірковості контуру дію вищих гармонік імпульсу колекторного струму проявляється слабо і основним струмом, годує коливальний контур, є струм першої гармоніки. Таким чином, при наявності в контурі гармонійних коливань в колекторному ланцюзі автогенератора створюється періодично змінний струм, здатний підтримати ці коливання і зробити їх незатухающими. Для отримання незатухаючих коливань потрібно, щоб енергія, що витрачається колекторним джерелом Е к, повністю компенсувала втрати в контурі, включаючи і енергію, що віддається автогенератори в зовнішній ланцюг-навантаження.
Основні кількісні співвідношення в схемі автогенератора з трансформаторної зворотним зв'язком: амплітуда вихідної напруги
U mвих = I m1 ω авт L 2,
де I m1 - амплітуда першої гармоніки колекторного струму,
ω авт = - частота автоколивань; амплітуда напруги зворотного зв'язку U mвх = I m1 ω авт М, де М - взаємна індуктивність між котушками L 1 і L 2; коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв'язку
До о.с. =.
2. Генератор з автотрансформаторной зворотним зв'язком.
Принципова схема наведена на рис. № 5а.
Рис. № 5а. Принципова схема автогенератора зі зворотним зв'язком автотрансформаторной
Схема містить коливальний контур другого виду L1C4, до трьох точок якого до, е, б відповідно підключені колектор, емітер (через блокувальні конденсатори великої ємності C2, C3) і база (через розділовий конденсатор C1) транзистора VT. Початковий зсув на базі транзистора задається подільником напруги R1, R2. Елементи R3, C4 утворюють ланцюг зсуву, створюваного падіння на резисторі R3прі протіканні по ньому постійної складової емітерного струму.
Напруга зворотного зв'язку U mвх = U бе знімається з частини витків котушки L1, яка одночасно служить дільником напруги U кб, чинного на контурі. Як видно зі схеми, умова балансу фаз виконується тому, що напруга U бе завжди змінюється в протифазі зі змінним напругою на колекторі U mвих = U ке. У цьому можна переконатися, розглянувши напрям струмів в гілках контуру L1C4. Індуктивність котушки L1 в точці е. ділиться на L ке, що утворить ліву (індуктивність) гілка контуру, і на L бе, яка з конденсатором C4 утворює першу (ємнісну) гілку. Так як точки i L і i C в гілках паралельного контуру в будь-який момент часу протилежні за напрямком, напруги U бе і U ке противофазно.
3.Автогенератор з ємнісним зворотним зв'язком.
Схема такого генератора представлена на рис. № 5б.
Рис. № 5 б. Принципова схема автогенератора зі зворотним зв'язком ємнісний
У цій схемі застосований коливальний контур третього виду L1C4C5, з'єднаний точками к, е, б відповідно через конденсатори C3, C2 та C1с колектором, емітером і базою транзистора VT. У автогенератора застосована схема паралельного колекторного живлення, коливальний контур і транзистор включені паралельно один одному (схемах на рис. № 4а, 5а ці елементи включені послідовно, тобто використовувалися схеми послідовного колекторного живлення). Для ослаблення шунтуючого дії високочастотні дроселі L2 на контур індуктивність дроселя вибирають виходячи зі співвідношення L2 = (10 ... 20) L1.
Загальну ємність контуру складають ємності двох конденсаторів: C4 і C5, причому C4 утворює ємнісну гілку контуру, а C5 і L1-індуктивну гілку. Тому що відповідні струми i L і i C в будь-який момент часу спрямовані протилежно один одному, напруги U ке і U бе противофазно. Отже, умова балансу фаз виконується, оскільки напруга U бе = U mвх, що знімається з конденсатора C5, є напругою зворотного зв'язку, а U ке = U mвих, що знімається з C4, - вихідним напругою генератора.
3.2 Узагальнена трехточечная схема
Схеми одноконтурних автогенераторів (з трансформаторної, автотрансформаторной і зворотним зв'язком місткості) і більшість інших, більш складних схем, можуть бути приведені до спрощеної, так званої триточкового схемою рис. № 6.
Рис. № 6. Триточкові схеми автогенераторів: а-узагальнена, по-індуктивна, по-емкостная
Таке узагальнення спрощує аналіз і допомагає при складанні схем автогенераторів. Воно можливе завдяки загальним вимогам до схем автогенераторів. Що полягає в обов'язковому виконанні умов самозбудження (баланс фаз, баланс амплітуд).
У Узагальнення схемою, зображеної на рис. № 6а, коливальна система, що складається з трьох реактивних опорів Х кб, Х бе, Х ке (активними опорами у більшості випадків можна знехтувати), підключена до транзистора в трьох точках: до, б, е, що визначило назву схеми. Окремі елементи коливальної системи можуть бути конденсаторами, котушками або більш складними електричними ланцюгами, наприклад засмученими паралельними контурами. Домовимося також, що опори Х кб, Х бе, Х ке включає в себе індуктивності сполучних проводів, междуелекродние ємності, ємність монтажу і т.д. Таким чином, коливальна система приводиться до контуру, що складається з трьох реактивних опорів, по яких протікає контурний струм I k. У такій схемі автогенератора коливання можуть збуджуватися на власній частоті даного контуру f 0 (точніше, на дуже близькій до неї частоті), яка визначається з умови резонансу, тобто
Х кб + Х бе + Х ке = 0.
Нехай в деякій момент часу струм I k спрямований так, як показано на рис. № 6 а. Цей струм створює коливальні напруги U бе = I k Х бе і U ке = I k Х ке, які для виконання умови балансу фаз повинні бути протифазних, що можливо тільки, коли реактивні опору Х бе і Х ке мають однаковий характер. Зрозуміло, характер третього опору Х кб повинен бути протилежним характером перших двох опорів, що утворюють контур, інакше резонанс в контурі буде неможливим.
Правильно складена схема автогенератора повинна забезпечити виконання умов балансу фаз і балансу амплітуд на частоті, близькою до власної частоти коливань в контурі. Необхідний для самозбудження коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв'язку, який забезпечує виконання умови балансу амплітуд, визначається співвідношенням Кос S ср R рез = 1, або Кос До вус = 1, а при самозбудження на частоті, близькою до f 0, задовольняється також умова ψ вус + ψ о.з = 0; 2π 4π; ...
Коефіцієнт
Кос == =
при самозбудження повинен бути речовим і позитивним, тобто > 0, а це ще раз підтверджує, що реактивні опору Х бе і Х ке обов'язково повинні бути одного знака.
Можна скласти два варіанти триточкових схем: індуктивну рис. № 6 б, в якій напруга зворотного зв'язку знімається з котушки L1, і ємнісну рис. № 6 в, в якій ця напруга знімається з конденсатора C1. Порівнюючи рис. № 6б і рис. № 6в переконуємося, що генератор з автотрансформаторной зворотним зв'язком представляє собою індуктивну трьохточкову схему, а генератор з зворотним зв'язком місткості-ємнісну трьохточкову схему.
4. Автогенератори типу RC
4.1 Доцільність використання RC-генераторів на низьких частотах
Генератори з коливальним контуром незамінні як джерела синусоїдальних високочастотних коливань. Для генерування коливань з частотами менше 15 ... 20 кГц вони незручні, тому що коливальний контур виходить занадто громіздким.
Іншим недоліком низькочастотних LC - генераторів є труднощі їхньої перебудови в діапазоні частот. Все це зумовило широке застосування на зазначених вище частотах RC-генераторів, в яких замість коливального контуру використовуються частотні електричні RC-фільтри. Генератори цього типу можуть генерувати достатньо стабільні синусоїдальні коливання у відносно широкому діапазоні частот від доль герца до сотень кілогерц. Вони мають малі розміри і масу, причому ці переваги RC-генераторів найбільш повно проявляються в області низьких частот.
4.2 Структурна схема RC-генератора
Дана схема зображена на рис. № 7.
Рис. № 7. Структурна схема RC-автогенератора.
Схема містить підсилювач 1, навантажений резистором і отримує живлення від джерела постійної напруги 3. Для самозбудження підсилювача, тобто для отримання незатухаючих коливань, необхідно подати на його вхід частина вихідної напруги, що перевищує вхідна (або рівну йому) і збігається з ним по фазі. Інакше кажучи, підсилювач необхідно охопити позитивним зворотним зв'язком, причому чотириполюсник зворотного зв'язку 2 повинен мати достатній коефіцієнт передачі. Це завдання вирішується в тому випадку, коли чотириполюсник 2 містить фазозсувні ланцюг, що складається з резисторів і конденсаторів зсув фаз між вхідним і вихідним напругами 180 0.
4.3 Принцип роботи фазосдвигающей ланцюга
Схема якої показана на рис. № 8а, ілюструється за допомогою векторної діаграми рис. № 8б.
Рис.8. Фазозсувні ланцюга: а-принципова схема, б-векторна діаграма; в, г-триланковий ланцюга
Нехай до входу цього ланцюга RC підведена напруга U1. Воно викликає в ланцюзі струм I, створює падіння напруги на конденсаторі
U C = IX C =
(Де ω-частота напруги U1) та на резисторі U R = IR, яке одночасно є вихідним напругою U2. При цьому кут зсуву фаз між струмом I і напругою Uс дорівнює 90 0, а між струмом I і напругою U R - нулю. Вектор напруги U1 дорівнює геометричній сумі векторів U C і U R і складає з вектором U2 кут φ. Чим менше ємність конденсатора С, тим ближче кут φ до 90 0.
4.4 Умови самозбудження RC - автогенератора
Найбільший кут φ, який можна отримати при зміні значень елементів RC-ланцюга, близький до 90 0. Практично елементи схеми R і C підбирають так. Щоб кут φ = 60 0. Отже, для отримання кута зсуву фаз φ = 180 0, необхідного для виконання умови балансу фаз. Потрібно послідовно включити три ланки RC.
На рис. № 8 в, г показані два варіанти схем триланкових фазосдвигающих ланцюгів. Зсув фаз між вихідним і вхідним напругою на кут 180 0 при R1 = R2 = R3 = R і C1 = C2 = C3 = C забезпечується на частотах: f 01 ≈ (у схемі на рис. № 8а) і f 02 ≈ (У схемі на рис. № 8г), де R виражено в омах, C-в Фарада, а f 0 - у герцах. Значення f 01 і f 02 одночасно частоту автоколивань.
Для забезпечення балансу амплітуд коефіцієнт посилення підсилювача До вус не повинен бути менше коефіцієнта передачі ланки зворотнього зв'язку До о.с. = . Розрахунки показують, що для наведених схем До о.з =. Таким чином, автоколивання в RC-генераторах, що містять триланковий фазозсувні ланцюга з однаковими ланками, можливо лише при виконанні умов
f авт = f 01 (або f авт = f 02); До вус ≥ 29.
4.5 RC-автогенератори з согласующим каскадом
Схема такого генератора представлена на рис. 9.
Рис. № 9. Принципова схема RC-автогенератора з согласующим каскадом і триланкової фазосдвигающей ланцюгом
Підсилювач зібраний на транзисторі VT1. Навантаженням підсилювача є резистор R3. Фазозсувний ланцюг складається з елементів C4-C6, R4-R6. Резистори R4-R6 включені по змінному струмі паралельно навантаженні підсилювача-резистору R3-і шунтирует її, що призводить до зменшення посилення каскаду. Для зменшення шунтуючого дії рекомендується вибирати опір резистора RC-ланок фазосдвигающей ланцюга значно більше R3.
З точки зору забезпечення балансу фаз даний автогенератор можна було б виконати тільки на одному транзисторі VT1. Однак у цьому випадку невеликий вхідний опір транзистора буде шунтувати ланцюг зворотного зв'язку і різко зменшувати її коефіцієнт передачі. Тому доцільно розділити вихід фазосдвигающей ланцюга і вхід підсилювача за допомогою спеціального согласующего каскаду на транзисторі VT2, званим емітерний повторювач. Навантаженням цього каскаду служить резистор R9, включений в ланцюг емітера транзистора VT2. Емітерний повторювач має великий вхідний опір і тому мало шунтирует фазозсувні ланцюг.
Автогенератори з фазосдвигающих ланцюгами зазвичай застосовують для генерування синусоїдальних коливань фіксований частоти, що пов'язано з труднощами перебудови частоти в широкому діапазоні.
4.6 RC-автогенератор з мостом Вина
Якщо підсилювач змінює фазу вхідного сигналу на 2 π (наприклад, підсилювач, що має парне число каскадів), введення в нього позитивного зворотного зв'язку забезпечує можливість генерування коливань без включення спеціальної фазосдвигающей ланцюга. Для виділення коливань необхідної частоти, що містяться у вихідному напрузі такого генератора, в колі зворотного зв'язку включають чотириполюсник, що має частотно-виборчі властивості. Принципова схема такого чотириполюсника, що представляє собою одну з гілок мосту Вина, зображена на рис. № 10.
Рис.10. Принципова схема частотно-виборчого чотириполюсника
Для генерування автоколивань необхідно, щоб такий чотириполюсник не вносив зсуву між напругами U1і U2, що можливо, якщо відношення
=
-Позитивне дійсне число. В останньому рівнянні опір Z1образовано послідовним з'єднанням елементів R1 і C1, а опір Z2-паралельним з'єднанням R2 і C2. Так як
Z 1 = R1 + = Z 1 e jψ1, а Z 2 = = Z 2 e jψ2,
.
Звідси видно, що якщо ψ 2 = ψ 1, ставлення виражається дійсним числом, отже зсув фаз між напругами U 1 і U 2 дорівнює нулю. Частота, на якій ψ 1 = ψ 2, визначається співвідношенням
f 0 =. Зручно вибрати R 1 = R 2 = R, C 1 = C 2 = C. У цьому частотному випадку
Принципова схема автогенератора з мостом Вина зображена на рис. № 11.
Рис. № 11 Принципова схема RC-автогенератора з мостом Вина.
Автогенератор містить два транзистори VT1і VT2, на яких зібраний двохкаскадний резисторний підсилювач. Навантаженням першого каскаду є резистор R4, а другого-R9. Вихідна напруга підсилювача надходить на його вхід через ланцюг C2R1C1R3, що є однією з гілок мосту Вина. Друга гілка, утворена резисторами R6, R5, з'єднана з виходом підсилювача через конденсатор C5 великої ємності, завдяки чому ланцюг R6R5 не створює помітного зсуву фаз.
При цьому мінімальний коефіцієнт посилення, необхідний для виконання балансу амплітуд, До вус = 3. Остання вимога виконується досить легко, тому що реальний двохкаскадний підсилювач має коефіцієнт посилення напруги, що набагато перевищує значення До вус = 3. Тому доцільно поряд з позитивною зворотний зв'язок, яка, знижуючи коефіцієнт посилення, істотно зменшує нелінійні спотворення генеруючих коливань. Негативний зворотний зв'язок у даній схемі здійснюється за допомогою елементів R5, R10 і ланцюги C5R6.частота автоколивань змінюється одночасно регулюванням ємності конденсаторів C1, C2 або опору резисторів R1, R3. В обох випадках діапазон регулювання, виходить значно більше того, який може бути досягнутий в LC-генераторах.
4.7 Принцип отримання релаксаційних автоколивань
Якщо умови самозбудження в RC-автогенератора виконуються на на одній частоті, а в широкому діапазоні частот, вихідна напруга генератора буде являти собою послідовність імпульсів, що характеризуються швидким наростанням і різким спадом. Такі генератори називають імпульсними. Ці генератори не містять коливальних систем, тому стабільність коливань у них значно гірше, ніж в синусоїдальних автогенераторах.
Література
1. Шинака Ю.С., Колодяжний Ю.М. Теорія передачі сигналів електрозв'язку: Підручник для технікумів. -М.: Радіо і связь.1989.-288 с.: Іл.
2. Вайсбург Ф.І., Панаєв Г.А., Савельєв Б.М. Електронні підсилювачі та прилади. Підручник для технікумів. -М.: Радіо і связь.1987.-472 с.: Іл.
3. Добротворський І.М. Теорія електричних ланцюгів: Підручник для технікумів. -М.: Радіо і связь.1989.-472 с.: Іл.
4. Гусєв І.Г., Гусєв В.М. Електроніка: Навчальний посібник. - М.: Висш.шк., 1991 .- 662 с.