2.9 Генератори гармонійних коливань

2.9.1 Загальні відомості

Генератором гармонійних коливань називають пристрій, що перетворює енергію джерела постійного струму в енергію електромагнітних коливань синусоїдальної форми необхідної частоти й потужності.

Залежно від частоти генератори підрозділяються на:

• низькочастотні (0,01 ... 100 кГц);

• високочастотні (0,1 ... 100 мГц);

• надвисокочастотні (понад 100 мГц).

За способам збудження розрізняють генератори з незалежним зовнішнім збудженням та зі самозбудженням (автогенератори). Для роботи схеми в режимі генерації необхідне виконання двох умов: ( ).

1) Фазові зрушення сигналу, підсилювачем ( )і ланкою ЗЗ ( )у сумі повинні бути кратні 2 , що свідчить про наявність у пристрої додатного ЗЗ

(51)

співвідношення (51) визначає умову балансу фаз.

2) Умова балансу амплітуд:

(52)

Нерівність визначає необхідну умову для самозбудження генератора. Рівність відповідає переходу генератора до сталого режиму роботи. Умова балансу амплітуд відповідає тому, що втрати енергії в генераторі заповнюються ланкою додатного ЗЗ від джерела живлення генератора. Генератори по виду елементів, що входять у ланки зворотного зв'язку, підрозділяються на LC - генератори (високочастотні) і RC - генератори (низькочастотні).

0. 2.9.2 LC – генератори

LC - генератори виконують звичайно на однокаскадному підсилювачі, у якому LC - контур включають, як ланку додатного зворотного зв'язку послідовно із транзистором або паралельно йому. На рис.2.28 зображена схема генератора, у якому LC - контур включений послідовно із транзистором стосовно джерела електроживлення. Підсилювальний каскад виконаний на транзисторі з ЗЕ з відомими елементами R₁, R₂ ,R₃ ,С_е, призначеними для завдання режиму спокою й температурної стабілізації. Вихідний сигнал знімається з колектора транзистора.

Рисунок 2.28 - Схема LC - генератора

У схемі однокаскадного підсилювача із чисто активним навантаженням вихідний сигнал перебуває в протифазі із вхідним сигналом. У зв'язку із цим для забезпечення умови балансу фаз ланка додатного ЗЗ на резонансній частоті повинна здійснювати поворот на 180 фази сигналу, переданого на вхід підсилювача. Частота коливань, що генеруються близька до резонансної частоти коливального контуру, обумовлена ємністю конденсатора С и індуктивністю L первинної обмотки W₁ трансформатора:

(53)

Сигнал ЗЗ знімається із вторинної обмотки W2, індуктивно пов'язаної з обмоткою W1 , і через розділяючий конденсатор подається на вхід транзистора. Поворот фази сигналу ЗЗ на 180⁰ здійснюється відповідним підключенням обмотки W₂ до бази транзистора. При ідеальному індуктивному зв'язку обмоток W₁ і W₂ для забезпечення умови балансу амплітуд необхідно, щоб коефіцієнт передачі струму транзистора в точці спокою дорівнює:

(54)

Сигнал ЗЗ може бути знятий безпосередньо з коливального контуру. У схемах таких генераторів коливальний контур має три точки з'єднання з підсилювачем, у зв'язку із чим їх називають триточковим. Якщо точки підключення підсилювача з'єднані з котушкою індуктивності, то генератор називають "індуктивна трьох точка", а якщо підсилювач підключений до конденсаторів коливального контуру, то генератор називають "ємнісною трьох точкою”.

2.9.3 RC - генератори

Для одержання гармонійних коливань низької й інфранизької частот (від декількох сотень до часток герців) застосовують генератори, у яких як ланки зворотних зв'язків використовуються частотно-залежні RC-чотириполюсники. Застосування RC-чотириполюсників викликане тим, що LC-контури на таких частотах стають громіздкими. За допомогою RC - генераторів можна одержати коливання й високу частоту. RC-генератор також містить однокаскадний або двухкаскадний підсилювач. У генераторі з однокаскадним підсилювачем RC - чотириполюсник повинен забезпечувати зсув по фазі на 180⁰ , а в генераторах із двухкаскадними підсилювачами ( ) RC - чотириполюсник повинен мати нульовий зсув фази. В RC-генераторах у якості частотнозалежних чотириполюсників застосовують Г-образні RC-ланцюги (рис.2.29), міст Віна (рис.2.30) і подвійний Т-образний міст (рис.2.31). Частоту f₀ називають частотою настроювання або частотою квазирезонанса.

Для 3- х ланкового Г-образного ланцюга при C₁ = С₂ = С_з і R₁ = R₂ = R₃ = R на частоті f₀ коефіцієнт передачі зворотного зв'язку = 1/29. Отже самозбудження генератора можливо, якщо коефіцієнт посилення підсилювача К_U 29,

а) б)

Рисунок 2.29 - Г- образний RC – ланцюг

Рисунок 2.30 - Мост Віна Рисунок 2.31 –Подвійний Т- образний мост

Для моста Віна при R₁ = R₂ = R і C₁ = C₂ = С на частоті генерації f₀ , , самозбудження можливо при К 3. Для подвійного Т- образного моста при R₁ = R₂ = R, R₃ = R / 2, C₁ = C₂ = C и С₃ = 2С, ,

R_зз

U_вих

C1

DA

∞

R1

R₀

R₂ C2

Рисунок 2.32 – Схема RC- генератора з мостом Віна

На рис.2.32 наведена схема RC- генератора з мостом Віна на операційному підсилювачі. Ланка частотно-частотно-залежного зворотного зв'язку включено між виходом і входом, що не інвертує, ОП. Елементи R_зз і R₀ призначені для одержання необхідного коефіцієнта підсилення підсилювача, К_у 3. Відповідно до виразу (2.49) це буде відповідати вибору співвідношення R_зз/R_o 2. Як в LC-генераторах, так і в RC -генераторах параметри елементів, що частотно-задаються, змінюють свою величину при зміні температур і тимчасові зміни ("старіння"), що приводить до зміни частоти сигналів, що генеруються. Для стабілізації частоти генераторів застосовують кварцові резонатори.