Лекция 17 генераторы синусоидальных колебаний

Цель: Объяснить курсантам принцип работы генераторов синусоидальных колебаний, выучить и понять два условия самовозбуждения колебания в автогенераторе.

План

1. Классификация автогенераторов.

2. Принцип работы транзисторного автогенератора типа LC.

3. Трехточечные автогенераторы.

4. Энергетические показатели транзисторного автогенератора типа LC.

5. Автогенератор на туннельном диоде.

1. Классификация автогенераторов.

Электронный генератор − это устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, ча­стоты и мощности.

По принципу работы различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением, которые по существу являются усилителями мощности высокой частоты.

Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и автогенераторы колебаний несинусоидальной формы, которые принято называть релаксационными (импульсными) автогенераторами.

Являясь первоисточником электрических колебаний, генера­торы с самовозбуждением широко используются в радиопереда­ющих и радиоприемных (супергетеродинных) устройствах, в изме­рительной аппаратуре, в осциллографах, в электронных вычислительных машинах, в радиолокационных станциях, в устройствах телеметрии, в телевизорах генераторы строчной и кадровой развертки используются для формирования светящегося экрана и т. д.

Ниже приводится деление генераторов по диапазону генерируемых частот.

Тип генератора Диапазон частот

Инфранизкочастотные менее 10 Гц

Низкочастотные От 0,01 Гц до 100 кГц

Высокочастотные От 100 кГц до 100 МГц

Сверх высокочастотные От 100 МГц и выше

Наиболее распространенные схемы автогенераторов содержат усилительный элемент и колебательную систему, связанные между собой цепью положительной обратной связи.

Ранее было показано, что любой усилитель может быть превра­щен в автогенератор, если его охватить положительной обратной связью и обеспечить выполнение условия βК ≥ 1.

Для построения автогенератора синусоидальных колебаний обычно используются два типа усилительных схем − резонансные усилители и усили­тели на резисторах.

Автогенераторы, выполненные на основе схе­мы резонансного усилителя, часто называют автогенераторами типа LC, а автогенераторы, построенные на основе схемы уси­лители на резисторах,— автогенераторами типа RC или RL. Первые используются главным образом на высоких частотах, вторые — на низких.

В качестве усилительных элементов схем автогенераторов, используемых в устройствах электронной автоматики и вычисли­тельной техники, наиболее широко применяются транзисторы и туннельные диоды.

2. Принцип работы транзисторного автогенератора типа lc

Известно много разновидностей схем транзисторных автогенера­торов типа LC, но любая из них должна содержать:

колебательную систему (обычно колебательный контур), в кото­рой возбуждаются требуемые незатухающие колебания;

источник электрической энергии, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания;

транзистор, с помощью которого регулируется подача энергии от источника в контур;

элемент обратной связи, посредством которого осуществляется подача необходимого возбуждающего переменного напряжения из выходной цепи во входную.

П ростейшая схема транзисторного ге­нератора типа LC показана на рис.1. Такая схема называется генератором с трансформаторной связью и исполь­зуется обычно в диапазоне высоких частот.

Элементы R_Б, R_Б, R_Э и С_Э предназначены так же как и в усилителях для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. С помощью конденсатора С_Б, емкостное сопротивление которого на высокой частоте незначительно, заземляется один конец базовой обмотки.

В момент включения источника питания в коллекторной цепи транзистора появляется ток I_К, заряжающий конденсатор С_К коле­бательного контура. Так как к конденсатору подключена катушка L_R, to после заряда конденcатор начинает разряжаться на катушку. В результате обмена энергией между конденсатором и катушкой в контуре возникают свободные затухающие колебания, частота которых определяется параметрами контура и равна

(18.1)

Переменный (колебательный) ток контура, проходя через ка­тушку L_К, создает вокруг нее переменное магнитное поле. Вслед­ствие этого в катушке обратной связи L_Б, включенной в цепь базы транзистора, наводится переменное напряжение той же частоты, с которой происходят колебания в контуре. Это напряжение вызы­вает пульсацию тока коллектора, в котором появляется переменная составляющая.

Переменная составляющая коллекторного тока восполняет по­тери энергии в контуре, создавая на нем усиленное транзистором переменное напряжение. В свою очередь это приводит к новому нарастанию напряжения на катушке связи L_Б, которое повлечет за собой новое нарастание амплитуды переменной составляющей тока коллектора и т. д.

Разумеется, нарастание коллекторного тока не происходит бес­предельно — оно наблюдается лишь в пределах активного участка выходной характеристики транзистора (на участке насыщения, как известно, ток коллектора практически не меняется). Что же ка­сается амплитуды колебаний в контуре, то ее рост ограничивается сопротивлением потерь контура, а также затуханием, вносимым в контур за счет протекания тока в базовой обмотке.

Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выполнении двух основных условий, которые получили название условий самовозбуждения.

Первое из этих условий называют условием баланса фаз.

Сущ­ность его сводится к тому, что в схеме должна быть установлена именно положительная обратная связь между выходной и входной цепями транзистора. Только в этом случае создаются необходимые предпосылки для восполнения потерь энергии в контуре.

Поскольку резонансное сопротивление параллельного контура носит чисто активный характер, то при воздействии на базу сигна­ла с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекто­ре будет сдвинуто по фазе на 180° (как для обычного резистивного каскада усиления). Напряжение, наводимое на базовой катушке за счет тока I_К, протекающего через контурную катушку L_K,

(18.2)

где М — коэффициент взаимоиндукции между катушками. Очевидно, необходимо так выбрать направление намотки базовой катушки чтобы, . Только в этом случае общий фазовый сдвиг в цепи усилитель — обратная связь будет равен нулю: φ_К + φ_β = 0, т. е. в схеме будет установлена положитель­ная обратная связь.

Если же то обратная связь окажется отри­цательной и колебания в контуре прекратятся.

Выполнение условия баланса фаз является необходимым, но недостаточным для самовозбуждения схемы.

Второе условие само­возбуждения состоит в том, что для существования автоколеба­тельного режима ослабление сигнала, вносимое цепью обратной связи, должно компенсироваться усилителем. Иными словами глу­бина положительной обратной связи должна быть такой, чтобы потери энергии в контуре восполнялись полностью.

При наличии положительной обратной связи в соответствии с формулой (14.15) коэффициент усиления составляет

где β — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для рассматриваемой схемы коэффициент β, показывающий, какая часть

переменного напряжения контура подается на базу транзистора в установившемся режиме работы,

Где I_Km — амплитуда тока в контуре автогенератора.

Учитывая, что усилитель с положительной обратной связью переходит в

режим генерации при условии βK >> 1, найдем зна­чение коэффициента обратной связи, необходимое для самовозбу­ждения,

Коэффициент усиления схемы на резонансной частоте приближенно можно

считать равным, поэтому

Условие самовозбуждения, выраженное формулой (18.6), получило название условия баланса амплитуд.

Следует отметить еще одну особенность трансформаторной обратной связи. используемой в схеме генератора, приведенной на рис.1. Однополярные кон­цы обмоток трансформатора для возбуждения генератора должны быть включены таким образом, чтобы любое возмущение колебательной системы приводило к появлению сигнала обратной связи, который, складываясь с начальным возмуще­нием, увеличивал бы его. Учитывая, что транзистор изменяет полярность сигнала на противоположную, трансформатор также должен изменять полярность сигна­ла, с тем, чтобы полный сдвиг фазы составил 2π.

Б олее совершенная схема генератора с индуктивной обратной связью может быть построена на дифференциальном усилителе, как показано на рис.2. Как и в простейшем генераторе с трансформаторной обратной связью, в схеме имеется обмотка обратной связи L_СВ, которая включена между базами транзисторов VT1 и VT2. Транзистор VT3 является генератором тока, который питает дифференци­альный каскад. Для уменьшения влияния нагрузки на стабильность генерируемых колебаний и увеличения нагрузочной способности генератора выходное напряже­ние снимается с эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе VT4.

Процесс возникновения, нарас­тания и установления колебатель­ного режима транзисторного авто­генератора (при выполнении усло­вий баланса фаз и амплитуд) можн о объяснить с помощью так назы­ваемой колебательной характеристики автогенератора, пред­ставляющей собой зависимость U_вых = f(U_вх). На рис. 18.2 изобра­жены амплитудная характеристика собственно усилительного звена

и прямая линия, выражающая зависимость коэффициента передачи цепи обратной связи от величины входного напряжения и характеризующая ослабляющее действие цепи обратной связи. Предположим, что на вход транзистора поступает напряжение U_вх1. После усиления в К раз на выходе усилителя появится на­пряжение U_вых1. Это напряжение, ослабленное в β раз, вызовет по­явление на входе напряжения U_вх2, которое создаст на выходе новое напряжение и т. д. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока величина выходного сигнала не достигнет своего установивше­гося значения (точка А), при котором выполняется условие βК = 1.

Из-за нелинейности характеристик транзистора амплитудная характеристика усилителя также оказывается нелинейной, т. е с ростом уровня выходного сигнала коэффициент усиления умень­шается. Именно поэтому амплитуда колебаний в контуре не может увеличиваться беспредельно и ограничивается на определенном уровне, соответствующем установившемуся режиму. Из рис. 18.2 видно, что после включения источника питания автоколебания возникают и развиваются при воздействии на вход транзистора любого, сколь угодно малого, напряжения, которое всегда имеется вследствие флуктуационных изменений режима работы схемы.