2.4.1 Класифікація та призначення генераторів гармонічних коливань

Генератором гармонічних коливань називають електронний пристрій, який перетворює електричну енергію джерела постійного струму в енергію незатухаючих синусоїдальних коливань заданої частоти та потужності. До складу генератора входить активний елемент та частотно-вибіркова система (чотириполюсник).

Як активні елементи використовують транзистори, інтегральні підсилювачі (особливо операційні) та тунельні діоди, які мають відрізок від'ємного опору на вольт-амперній характеристиці. Гармонічні коливання в генераторах підтримуються частотно-вибірковими чотириполюсниками: резонансними LC-контурами або іншими резонуючими елементами (кварци, об'ємні резонатори та ін.) або за допомогою фазуючих RC-кіл, що їх вмикають у коло зворотного зв'язку підсилювачів. Тому розрізняють LC-генератори і RC-генератори гармонічних коливань.

Внутрішньою класифікаційною ознакою генераторів гармонічних коливань є принцип керування режимом їх роботи. За цією ознакою розрізняють генератори з незалежним збудженням, режимом роботи яких керують від зовнішнього джерела сигналу, і генератори з самозбудженням — автогенератори. Схеми LC-генераторів з незалежним збудженням по суті не відрізняються від схем резонансних підсилювачів, але характеризуються значно більшим рівнем потужності, яка виділяється у навантаженні.

У залежності від генерованих частот генератори гармонічних коливань поділяють на низькочастотні (0,01 ... 100 кГц), високочастотні (0,1 ... 100 МГц) і надвисокочастотні (більше 100 МГц). У пристроях промислової електроніки використовуються в основному низькочастотні та високо частотні генератори. Їх застосовують у вимірювальних та регулюючих пристроях, у пристроях живлення технологічних установок ультразвукової обробки матеріалів, а також як задавальні генератори.

2.4.2 Умови самозбудження автогенераторів

При створенні у підсилювачах позитивного зворотного зв'язку вони самозбуджуються, оскільки коефіцієнт підсилення на певних частотах досягає нескінченно великого значення. Така схема працює в автоколивальному режимі і є автогенератором. При цьому основною ознакою автогенератора є частота генерування коливань, тобто частота перетворення постійної напруги джерела живлення схеми в коливання змінної напруги. Таким чином, автогенератор гармонічних коливань є підсилювальною ланкою з коефіцієнтом підсилення , охопленою позитивним зворотним зв'язком з коефіцієнтом передачі за напругою _U (рис. 2.46).

Для напруги, що знімається з виходу кола зворотного зв'язку можна записати:

(2.70)

У свою чергу, напруга на виході генератора

, (2.71)

або з урахуванням (2.70)

. (2.72)

Отже, сталі коливання існуватимуть у схемі за умови, що

(2.73)

При > 1амплітуда коливань безперервно зростає.

Умову (2.73) можна записати так:

(2.74)

Через те, що — величина комплексна, то процес самозбудження автогенератора, який описується рівнянням (2.74), можна подати у вигляді двох умов

(2.75)

. (2.76)

Рівняння (2.75) показує, що для існування автоколивань, послаблення сигналу, яке вноситься колом зворотного зв'язку, повинно компенсуватися підсилювачем. Ця умова відображає процес балансу амплітуд.

Рівняння (2.76) відображає процес балансу фаз, при якому зсув фаз у замкнутому колі автоколивальної системи повинен дорівнювати 2n, де n = 0,1,2,3, ...

Для генерування коливань синусоїдальної форми система автогенератора повинна мати частотно-вибірковий чотириполюсник, який створює умови балансу фаз та амплітуд на тій самій частоті.

2.4.3 LC-автогенератори

У схемі автогенератора з резонансним LC-контуром (рис. 2.47) використовується індуктивний зв'язок обмотки резонансного контура L_кС_к, що є навантаженням однокаскадного підсилювача за схемою із загальним емітером, з другою обмоткою L_б, ввімкненою у коло збудження підсилювача (у коло бази). Елементи R1, R2, R_E та С_Е призначені для забезпечення режиму за постійним струмом і його термостабілізації. Опори r_к та r_б враховують активні втрати, відповідно, в контурній і базовій обмотках. За рахунок конденсатора С, реактивний опір якого на частоті генерації незначний, заземлюється один кінець базової обмотки. Опір конуру на резонансній частоті має чисто активний характер і дорівнює .

Тому, при дії на базу сигналу змінного струму(виникає із флуктуаційних шумів) з частотою, що дорівнює частоті резонансу, напруга на колекторі буде зсунута за фазою на 180 град. (як для каскаду підсилення за схемою із загальним емітером). Оскільки база і контурна обмотка мають взаємну індуктивність, зміна напруги на базовій обмотці U_BE за рахунок струму I_к, що протікає через контурну обмотку L_к, дорівнює jMI_к, де М — коефіцієнт взаємоіндукції. Якщо вибрати напрям намотки котушок таким, щоб U_BE= – jMI_к, то загальний фазовий зсув у замкнутому колі підсилювач – л анка зворотного зв'язку дорівнює нулю, що забезпечує виконання умови балансу фаз. Мінімальне підсилення, що забезпечує виконання умови балансу амплітуд на резонансній частоті (частоті генерування)

(2.77)

де — опір активних втрат та індуктивність коливального контура з врахуванням паралельно увімкненої вихідної провідності транзистора.

Отже, щоб отримати стійкий автоколивальний режим роботи з частотою коливань

(2.78)

необхідно вибрати транзистор, у якому параметр h_21Е не менший розрахованого за формулою (2.77).

Високі технічні показники мають LC-автогенератори гармонічних коливань, в яких використані як підсилювальні ланки операційні підсилювачі. У зв'язку з надлишковістю коефіцієнта підсилення таких підсилювачів є можливість, крім позитивного зворотного зв'язку через частотно-вибірковий резонансний контур, вводити досить глибокий зворотний зв'язок, що суттєво підвищує стабільність частоти вихідних коливань.

2.4.4 RC-автогенератори

Технічні характеристики LC-автогенераторів у діапазоні низьких частот суттєво знижуються, оскільки згідно з виразом (2.78) непомірно збільшується індуктивність та ємність коливального контуру. Це призводить до збільшення омічного опору обмотки котушки і струмів витоку конденсатора, заниженню добротності коливального контура і стабільності частоти автогенератора. Тому в автогенераторах гармонічних коливань низько частотного діапазону використовують частотно-вибіркові кола з елементів R та С (активний опір та ємність) і, в залежності від створюваного ними зсуву фази на квазірезонансній частоті, інвертуючі або неінвертуючі підсилювачі.

На відміну від резонансної частоти ₀ коливального LC-контуру для частотно-вибіркових RC-кіл частоту ₀ кратну n, де n = 0 або 1, називають квазірезонансною частотою. Такі автогенератори називають RC-генераторами. За габаритними і ваговими характеристиками в області частот від частин герца до десятків кілогерц вони мають значні переваги перед LC-автогенераторами.

С труктурна схема RC-автогенератора аналогічна схемі, показаній на рис. 2.46. Для того, щоб із всього можливого спектра частот автогенератор генерував лише одну гармонічну складову, умови самозбудження генератора (формули (2.75), (2.76)) повинні виконуватися на цій частоті.

Як фазуючі використовують кола, що складаються із простих Г-подібних RC-ланок (звичайно трьох або чотирьох). На рис. 2.48 зображений триланковий ланцюжок, так звана R-паралель, а на рис. 2.49 — його частотна і фазова характеристики. Як видно з рисунка 2.49, на квазірезонансній частоті фазовий зсув _ для цього ланцюжка дорівнює 180 град., а коефіцієнт передачі напруги

має дійсне значення ₀, що дорівнює1/29. При цьому квазірезонансна частота ланцюжка визначається параметрами R і С.

(2.79)

Таким чином, підсилювальний каскад із зсувом фази напруги підсилювального сигналу на 180 ел. град. За допомогою три ланкового ланцюжка R-паралель може генерувати гармонічні коливання з частотою f₀ (формула 2.79), якщо його коефіцієнт підсилення перевищує 29, що відповідає також виконанню умови балансу амплітуд (формула 2.75).

Д ля чотириланкового ланцюжка R-паралель ₀ = 1/18,4. Тому коефіцієнт підсилення підсилювальної ланки RC-генератора може бути меншим (К_пU > 18,4). Подальше збільшення числа ланок фазуючого ланцюжка не дає суттєвого зменшення затухання, ускладнюючи схему.

Найбільш часто застосовують RC-автогенератори, що використовують послідовно-паралельний частотно-вибірковий RC-ланцюжок (рис. 2.50). Квазірезонансна частота для цього ланцюжка

(2.80)

і коефіцієнт передачі напруги на квазірезонансній частоті

(2.81)

Через те, що дуже часто R₁ = R₂ = R і С₁ = С₂ = С, співвідношення (2.80) та (2.81) для цього випадку, відповідно, мають вигляд

Оскільки коефіцієнт передачі напруги — величина позитивна, зсув фази вхідного сигналу на квазірезонансній частоті відсутній. Таким чином, для виконання умов самозбудження підсилювальна ланка RC-генератора повинна забезпечувати фазовий зсув _к = 2n, де n = 0, 1, 2, 3, ... , оскільки _ = 0 і коефіцієнт підсилення більше трьох (_UК_пU  1). Цим самим задовольняються умови балансу фаз і амплітуд.