13. Генераторы колебаний
Генератором в радиотехнике называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в незатухающие колебания. Колебания могут быть вынужденными и автоколебаниями. Автоколебаниями называют незатухающие колебания, которые могут существовать в системе при отсутствии переменного внешнего воздействия. Амплитуда и частота колебаний при этом определяется свойствами самой системы.
Генераторы, в которых колебания возбуждаются без воздействия внешних сигналов, называются автогенераторами.
Вынужденные колебания отличаются от автоколебаний тем, что их возникновение и амплитуда, а иногда и период определяются характером внешнего воздействия.
Автоколебания отличаются и от свободных колебаний, которые постепенно затухают, а амплитуда зависит от величины приложенного воздействия.
Автоколебательные системы, в большинстве случаев, можно разделить на три основных элемента: колебательную систему, источник энергии и устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему. В транзисторном генераторе колебательной системой служит электрический контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора. Источником энергии является вторичный источник электропитания или химический элемент. Транзистор с элементами обратной связи является регулятором поступления энергии от источника в колебательную систему.
Чтобы колебания были незатухающими, энергия, поступающая от источника в систему, должна компенсировать потери энергии в системе. Такая компенсация происходит за период колебаний. Потери энергии и поступление энергии в разные части периода могут быть неодинаковы.
Стационарным значением амплитуды называется не изменяющееся во времени значение амплитуды.
Если амплитуда колебаний меньше стационарной, а поступление энергии превышает потери в системе, то амплитуда колебаний возрастает и достигает стационарного значения. В частности, если при сколь угодно малой амплитуде колебаний в систему поступает энергии больше, чем теряется в ней, то происходит самовозбуждение колебаний. При амплитудах больших стационарного значения потери энергии в системе обычно превышают её поступление из источника, вследствие чего амплитуда колебаний уменьшается и тоже достигает стационарного значения. Иначе говоря, отклонения амплитуды от стационарного значения в ту или другую сторону затухают и амплитуда в этих случаях устойчива.
Простейший автогенератор можно осуществить на однокаскадном усилителе с цепью положительной обратной связи. Поскольку усилитель, выполненный по схеме с общим эмиттером, является инвертором, то есть изменяет фазу поданного сигнала на 1800, то достаточно за счёт внешней фазосдвигающей цепи дополнительно осуществить сдвиг сигнала на угол, равный 1800 . Тем самым будет выполнено условие баланса фаз.
В автогенераторах сдвиг фаз в цепи обратной связи выполняют либо с помощью цепей типа LC, либо посредством RC цепей.
LC генераторы периодических колебаний
В LC генераторах в качестве избирательной системы, определяющей частоту колебаний, используется колебательный контур. При этом связь выходной цепи с входной (обратная связь) делается трансформаторная, автотрансформаторная или емкостная.
Рассмотрим LC контур, конденсатор которого заряжен. Пусть напряжение на обкладках конденсатора равно U0. При разряде конденсатора через катушку индуктивности в контуре возникают электрические колебания. Электромагнитные процессы в LC контуре описываются дифференциальными уравнениями второго порядка. Решая эти уравнения, определяют характер колебаний. При относительно малом активном сопротивлении, что соответствует используемым в генераторах контурам высокой добротности, изменение тока в контуре имеет почти синусоидальный характер. Если нет поступления энергии в контур, амплитуда колебаний в контуре плавно уменьшается. Коэффициент затухания этих колебаний α= R/2L. Частота колебаний f0= ω/2π = 1/(2π√LC) [9].
Включая LC контур, обладающий высокой добротностью, в цепь обратной связи усилительного каскада и, обеспечивая в системе баланс фаз и баланс амплитуд, получаем автогенератор синусоидальных колебаний. С точки зрения практического применения эти колебания достаточно близки к гармоническим. Схема автогенератора с LC контуром приведена на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Автогенератор с LC контуром и трансформаторной обратной связью.
В колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности LK и конденсатора СK и включённом в коллекторную цепь транзистора, при включении напряжения питания возникают синусоидальные затухающие колебания. Индуктивная связь катушек LK и LСВ обеспечивает передачу сигнала обратной связи в цепь базы. При правильном включении концов катушек происходит дополнительный сдвиг фаз на 1800. Этим обеспечивается баланс фаз в генераторе.
Если параметры транзисторного каскада выбраны с учётом условия
|KU= (ω)BU(ω)|=1,
иначе говоря, выполняется баланс амплитуд, то установятся стационарные синусоидальные колебания.
Элементы LФ и CФ, включённые в цепь питания, образуют фильтр низких частот, который не пропускает колебания на частоте ω в источник питания. Переменный ток, минуя источник питания, протекает по конденсатору СФ.
Резисторы R1 и R2 задают смещение на базе транзистора. Разделительные конденсаторы разделяют цепи постоянного и переменного токов. Конденсатор СР1 исключает соединение цепи базы с общим проводом через катушку связи Lсв, обеспечивая тем самым задаваемый делителем потенциал базы. Конденсатор СР2 не позволяет ответвляться постоянной составляющей тока коллектора в нагрузку.
Элементы RЭ и CЭ создают отрицательную обратную связь по току, стабилизируя рабочую точку транзистора.
Рассмотренная схема генератора с LC контуром не является единственной. Обратная связь может быть выполнена с помощью автотрансформатора или с помощью делителя напряжения переменного тока, выполненного на двух конденсаторах.
Построение LC генератора для колебаний низких частот требует применения конденсаторов и катушек с большими значениями параметров. Катушки с большой индуктивностью имеют слишком большие габариты .
На низких частотах применяют генераторы, в которых обратная связь осуществляется с помощью RC цепей.
Генераторы с резисторно-конденсаторной цепью обратной связи
Создать цепь обратной связи можно с помощью RC цепей той или иной конфигурации. Меняя количество звеньев цепи и схему соединения элементов можно получить различные варианты амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик. Используют RC цепи в сочетании с однокаскадными усилителями, сдвигающими фазу сигнала на 1800 и двухкаскадными, сдвигающими фазу на 3600. Одна из схем RC автогенераторов37 приведена на рис. 13.2 . В цепи обратной связи применена RC цепь, состоящая из трёх звеньев.
Рис. 13.2. Генератор на одном транзисторе с трёхзвенной цепью обратной связи.
Сигнал на выходе трёхзвенной RC цепи по отношению к её входу уменьшается в 29 раз (коэффициент передачи -1/29)[23]. Знак минус говорит о том, что цепочка изменяет фазу сигнала на 1800. Частота, на которой происходит инверсия фазы
F0 = 1/(2πRC√6) .
При значениях, указанных на рис.13.2, частота приблизительно равна 6,5 кГц.
Генераторы импульсов
Существует широкий класс генераторов, в которых пассивные цепи не обладают колебательными свойствами. Примерами таких цепей являются контуры с большими потерями и другие апериодические цепи. К апериодическим цепям относятся комбинации конденсаторов и резисторов или комбинации резисторов и катушек индуктивности.
В подобных генераторах за каждый период колебаний теряется и вновь пополняется значительная часть всей энергии, участвующей в процессе колебаний. Период колебаний в таких генераторах определяется временем релаксации, то есть процесса установления равновесия в этих цепях. Такие генераторы называются релаксационными. В таких генераторах форма колебаний определяется совместно действием колебательных цепей и активного элемента.
Форма релаксационных колебаний весьма разнообразна: от скачкообразных, почти разрывных колебаний, до колебаний близких к синусоидальным. Эта особенность релаксационных генераторов широко используется для получения колебаний специальной формы, например прямоугольных, пилообразных, а также для генерации колебаний синусоидальной формы в диапазонах звуковых и сверхнизких частот.
К числу релаксационных генераторов относится мультивибратор. Мультивибратор представляет собой двухтактное устройство, в котором генерирование электрических колебаний происходит путём попеременной зарядки и разрядки двух конденсаторов в RC цепях связи между каскадами. Управление зарядом и разрядом конденсаторов осуществляется двумя транзисторами, которые попеременно переходят в режим насыщения и режим отсечки. На рис. 13.3 изображён мультивибратор, называемый симметричным. Симметричная схема позволяет получить одинаковые по длительности и амплитуде импульсы на коллекторах транзисторов. Иными словами длительность импульсов равна половине периода их повторения.
Рис. 13.3. Симметричный транзисторный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями.
Частота изменения выходного напряжения автоколебательного мультивибратора не зависит от величины напряжения питания и полностью определяется параметрами элементов
f ≈ 0,715/(Rб C).
Перерисовав схему мультивибратора, как на рис. 13.4, легко убедиться, что мультивибратор представляет собой последовательное включение двух каскадов с общим эмиттером, которые инвертируют фазу сигнала. Два каскада совместно производят сдвиг фазы на 3600. Таким образом, баланс фазы обеспечивается схемой соединения транзисторов. Во время переключения транзисторов рабочие точки транзисторов некоторое время находятся в активной области. Этим, с учётом больших значений коэффициентов усиления, объясняется лавинообразный характер переключения транзисторов.
Рис. 13.4. Схема мультивибратора для пояснения его самовозбуждения.
Цепи из резисторов и конденсаторов C1RK2 и С2RK1 являются фильтрами высокой частоты. Они пропускают сигналы в широком спектре частот и обладают минимальным затуханием в полосе прозрачности.
Далее на примере мультивибратора, выполненного на интегральных логических микросхемах мы убедимся, что достаточно одной времязадающей цепи.