5.3 Схемы генераторов с резонансными lc-контурами без трансформаторной ос

Для упрощения предыдущей схемы, изображенной на рис. 5.5 (для устранения вторичной обмотки) применяют схему с индуктивной трехточкой, когда индуктивности L1 и L2 наматывают одним проводом, но с отводом 2 (рис. 5.8). Индуктивность L₂ как и дроссель Др предназначены для разрыва непосредственной связи по переменному току от клеммы источника питания. L₂ и Др выполняют одну и ту же роль и, видимо, генератор будет нормально функционировать, если Др исключить. С другой стороны сигнал на базу транзистора передается с помощью последовательного L₂C₂-контура. В зависимости от выбора значений L ₂ и С₂ этот контур может иметь фазовый сдвиг + (опережение) или (запаздывание) (см. приложение П.5). Резонансный параллельный контур на левом участке от резонансной частоты имеет емкостный характер, справа – индуктивный (рис. 5.6). Параллельный LC-контур (рис. 5.5) позволяет брать сигнал, сдвинутый на ±π/2 в цепь обратной связи. Для окончательного баланса фаз используется L₂C₂-контур и на базу транзистора поступает сигнал в противофазе с сигналом U_вых1. Схема рис. 5.8 получила название индуктивной трехточки (в резонансном контуре имеются три точки подключения и две индуктивности).

L₁

L₂

Рис. 5.8. Схема генератора с индуктивной трехточкой

На рис. 5.9 приведена еще одна схема генератора с измененным LC-контуром (модификация параллельного резонансного LC-контура - LC-генератор Хартли). Индуктивность L также выполнена в виде автотрансформатора и сигнал ОС через разделительную емкость (разрыв по постоянному току) поступает на эмиттер транзистора (транзистор включен по схеме с общей базой). В схеме сигналы на эмиттере и коллекторе синфазные. Сигнал в индуктивности L имеет сдвиг в +π/2. Выбором величин индуктивности отводка в катушке и емкости С_F это запаздывание можно ликвидировать (см. П.5 – последовательный LC-контур).

Рис. 5.9. LC-генератор Хартли

На рис. 5.10 приведена схема генератора синусоидальных колебаний с резонансным последовательно-параллельным контуром (см. приложение 6, схема замещения кварца). Если в кварце нельзя подкачивать к контуру энергию (там другая среда функционирования), то здесь это возможно благодаря доступу к индуктивности L. Используется в контуре только параллельный резонанс. Назначение дросселя и емкости С₃ аналогично схеме рис. 5.8. За счет захвата баланса фаз будет использоваться емкостный участок резонансной кривой последовательно-параллельного контура, а емкость С₃ сдвигает еще дополнительно сигнал в цепи обратной связи на -π/2 (баланс фаз будет равен 2π). Такой резонансный контур с доступом к индуктивности (в отличие от схемы замещения кварцем) получил название емкостной трехточки (2 емкости и 3 точки подключения).

Рис. 5.10. Схема генератора с емкостной трехточкой

На рис. 5.11 приведена схема генератора с емкостной трехточкой, включенной в цепь затвора полевого транзистора с p-n-переходом. Назначение основных элементов то же, что и в схеме рис. 5.10.

Рис. 5.11. Схема генератора с емкостной трехточкой, включенной в цепь затвора полевого транзистора (генератор Колпитца), частота 20 МГц

5.4 RC-генераторы синусоидальных колебаний

Наиболее удачным (более применяемым) является генератор, построенный на ОУ и пассивной RC-цепи второго порядка (мост Вина, см. приложение 3). В соответствии со схемой рис. 5.1. K₁=К и K_oc(jw), а сигнал ε имеет сдвиг равный нулю. Структурная схема генератора на стандартном мосте Вина приведена на рис. 5.12, а. Частота колебаний

. Необходимый минимальный коэффициент усиления ОУ K₁=1+g₁/g₂+C₃/C₄. Если взять одинаковые номиналы резисторов и конденсаторов, то K₁=3, где g=1/R. Ограничение входной амплитуды - за счет насыщения усилителя, хотя при этом качество генератора будет хуже (искажение гармоники).

На рис. 5.12, б приведена структурная схема генератора с видоизмененным мостом Вина. Резонансная частота его та же, но требуемый коэффициент усилителя рассчитывается по другой формуле:

K₂=1+g₂/g₁+C₂g₂/(C₄g₁)_.

Если номиналы резисторов и емкостей одинаковые (R₁=R₂, C₃=C₄), то получим ту же величину K₂=3. Но имеется возможность выбором соотношения g₂/g₁ эту величину уменьшить. Такая возможность может помочь при высоких частотах колебаний, так как при увеличении ω коэффициент передачи ОУ стремится к единице (f_гр при K_оу=1 - справочный параметр ОУ).

а) б)

Рис. 5.12. Генераторы синусоидальных колебаний с RC-мостом Вина

На рис. 5.13 приведена электрическая схема генератора с мостом Вина на базе неинвертирующего усилителя, позволяющего существенно улучшить качество устройства, так как в этом варианте входное сопротивление ОУ по неинвертирующему входу составляет несколько МОм. K_ус=1+R₆/R₈. Цепь из моста диодов и ±U_см позволяет регулировать амплитуду выходного напряжения (ограничитель) U_огр=E₀g₅/(g₅+g₆+g_{нагрузки}). Для расчетов можно принять g_н g₁. При |U_вых|>|U_огр| один из диодов будет закрываться и выключит ПОС (срыв автоколебаний). Такой ограничитель значительно улучшает качество гармоник в отличие от схем с насыщением ОУ рис. 5.12.

Рис. 5.13. Электрическая схема синусоидального генератора с RC-мостом Вина и диодным ограничителем

На рис. 5.14 приведена электрическая схема синусоидального генератора с RC-мостом Вина и следящей обратной связью, поддерживающей коэффициент усиления на требуемом уровне (нелинейные искажения гармоник составляют 0,001%). При малых выходных сигналах полевой транзистор открыт, усиление схемы на ОУ велико (больше 3, K₁=1+10k/R_VT) и ПОС обеспечивает возникновение колебаний. Когда амплитуда достигнет напряжения отпирания диодно-стабилитронной цепи (U_д+U_стаб), транзистор начнет закрываться до тех пор, пока усиление в петле ПОС не станет равным 3. Чтобы не было резких регулировок, постоянная цепи затвора выбирается большой (τ=5мкФ_*1МОм=5 сек).

VD1

VD2

VT

Рис. 5.14. Электрическая схема генератора Вина со следящей ООС по усилению

Для синтеза RC-генераторов применяют цепи фильтров нижних или верхних частот в базовой цепи транзистора (см. приложения 1 и 2). Так как одно звено RC-фильтра изменяет фазу в пределе на π/2, то приходится брать как минимум 3 каскада. Эти каскады фильтров в литературе называют параллелями (к фильтру низких частот – С-параллели, к фильтру верхних частот – R-параллели). Схемы таких генераторов приведены на рис. 5.15.

а) б)

Рис. 5.15. Генераторы синусоидальных колебаний с R- (а) и C-параллелями (б)

В первой схеме (рис. 5.16, а) сопротивления R_б1, R_б2 участвуют в формировании каскада фильтра высоких частот (R-параллели) и предназначены для задания рабочей точки по току транзистора VT. В схеме 5.16, б рабочая точка задана с помощью резисторов R_к, R₁, R₂. Два последних сопротивления являются одновременно и элементами низкочастотного фильтра. В первой схеме в базовой цепи создается опережающая фаза и баланс фаз наступит при фазе в 0π, во второй – фаза запаздывающая и баланс фаз обеспечивается при 2π. Схема сама “захватит” баланс фаз на частоте большей чем ω_рез=1/RC. Чтобы генератор функционировал на нужной для потребителя частоте, подбирают специальное соотношение значений |X_c|=1/ωC и R (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Векторная диаграмма

При трехзвенном фильтре необходимо геометрически решить задачу для получения φ=180°/3=60°. Обычно величины R или С задаются произвольно с учетом других факторов (токов, напряжений и т.д.). Решение получается для всех схем рис. 5.15 при