12.3. Схеми lc-генераторів

Класифікація схем генераторів проводиться за рядом ознак. За типом керованого елемента розрізняють генератори на біполярних чи польових транзисторах, лампові, на тунельних діодах, за видом зворотного зв'язку—із трансформаторними (індуктивними), автотрансформаторними, ємнісними зворотними зв'язками, за схемою включення керованого елемента і контуру стосовно джерела живлення — з послідовним і паралельним живленням, за місцем розташування контуру - в колі колектора, бази чи емітера. Розглянутий LC-генератор є транзисторним генератором з трансформаторним зворотним зв'язком, послідовним живленням і контуром у колі колектора.

Рис. 12.4. Автогенератори з включенням контурів по триточкових схемах:

а — з автотрансформаторним зв'язком і контуром у колі колектора; б — з ємнісним зв'язком і контуром у колі колектора; в — з ємнісним зв'язком і контуром у колі бази; г — з автотрансформаторним зв'язком і контуром у колі бази; д — з ємнісним зв'язком і загальною базою

Поширені автогенератори, у яких напруга зворотного зв'язку знімається з частини витків котушки контуру (рис. 12.4, а). Колектор безпосередньо і емітер через конденсатор СЗ з'єднуються відповідно з початком і кінцем котушки контуру, а база через конденсатор Cl — з відводом від витка всередині котушки. У зв'язку з цим схему називають триточковою з автотрансформаторним зворотним зв'язком.

Н апруга зворотного зв'язку може бути подана з конденсатора С4 дільника напруги з двох послідовно включених конденсаторів СЗ і С4 у колі контуру (рис. 12.4, б). Загальна ємність конденсаторів контуру . Стосовно джерела живлення транзистор і контур L2C3C4 включені паралельно. Отже, це — триточкова схема з ємнісним зворотним зв'язком і паралельним живленням. Розділовий конденсатор С2 перешкоджає проходженню постійного струму по котушці. Котушка L1 володіє досить великим індуктивним опором для змінної складової колекторного струму. Замість котушки L1 може бути встановлений резистор. Однак у такому випадку знижується постійна напруга колектора, а резистор шунтує контур, що викликає зменшення його добротності.

Рис. 12.5. Схеми автогенераторів на операційному підсилювачі (а), двотактного (б)

Введення двох додаткових елементів L1 і С2 у коло зменшує стабільність частоти і надійність генератора, але при цьому на елементи контуру не надходить постійна напруга, простіше здійснюється стикування генератора з іншими пристроями.

Триточкова схема з ємнісним дільником напруги може бути просто реалізована шляхом включення контуру в коло бази (рис. 12.4, в). Слід однак враховувати, що при цьому вхід транзистора виявляється підключеним паралельно контуру генератора, а резистор R3 — паралельно конденсатору С2. Це понижує добротність контуру.

В автогенераторах діапазону метрових і дециметрових хвиль доцільніше застосовувати підсилювальні каскади за схемою з загальною базою, що володіють, як відомо, у діапазоні високих, надвисоких і ультрависоких частот рядом переваг у порівнянні з підсилювачами за схемою з загальним емітером. При включенні транзистора за схемою з загальною базою позитивний зворотний зв'язок може бути створений шляхом з'єднання колектора і емітера через конденсатор С4 (рис. 12.4, д).

LC-генератор може бути побудований на базі операційного підсилювача (рис. 12.5, а). Коливальний контур і резистор R3 утворять дільник вихідної напруги. Напруга на контур підводиться до неінвертуючого входу підсилювача. На резонансній частоті опір контуру є активним, і напруга зворотного зв'язку збігається по фазі з вихідною напругою. На цій частоті в генераторі досягається баланс фаз.

Для збільшення вихідної потужності можуть бути побудовані двотактні генератори (рис. 12.5, б). Керуючі напруги на базах транзисторів по фазі протилежні. У розглянутому варіанті схеми вони надходять з витків котушки L2.

12.4. RC-генератори

RC-генератори є автоколивальними системами, що містять аперіодичний підсилювач і частотно-залежне коло зворотного зв'язку з резисторів і конденсаторів. У них збуджуються гармонійні коливання, хоча коливальні системи типу LC-контурів чи інші відсутні.

Підсилення коливань має місце в широкій смузі частот, у якій на любій із частот може бути досягнутий баланс амплітуд. Кола зворотного зв'язку забезпечують баланс фаз у вузькому інтервалі частот. А тому одержувані на виході генератора коливання можуть бути гармонійними.

RC-генератори застосовують для одержання низькочастотних коливань, коли утворення коливальних контурів високої добротності з прийнятними габаритами пов'язано з певними труднощами. Поширення одержали RС- генератори двох різновидів: з поворотом фази напруги в колі зворотного зв'язку на кут  чи - (генератори з фазозсувними колами) і подачею напруги зворотного зв'язку, що збігається по фазі з вихідною (генератори з мостом Віна).

В однокаскадному резисторному підсилювачі вихідна напруга зсунута відносно вхідної на кут . Для утворення на його базі автогенератора в колі зворотного зв'язку необхідно здійснити фазовий зсув вихідної напруги на кут  чи -. Тоді буде досягнутий баланс фаз і стане можливим збудження коливань. Відомо, що ланка, яка включає конденсатор і резистор при з'єднанні їх за схемою, зображеною на рис.12.6, а, створює фазовий зсув на кут , а ланка, з'єднана за схемою, поданою на рис. 12.6, б,—на кут  =arctg(—RC).

Р ис. 12.6. Фазозсувні RC-кола:

а — з випередженням фази вихідної напруги; б — з відставанням; в — R-паралель; г — С-паралель

Значення кута  не перевершує /2. Тому для одержання фазового зсуву на кут  чи — необхідно мати мінімум три послідовно з'єднаних ланки. Звичайно коло зворотного зв'язку містить не більш п'яти ланок. Застосовуються переважно фазозсувні кола з однаковими опорами резисторів і однаковими ємностями конденсаторів у них, тобто R₁=R₂=…=R_n=R, C₁=C₂=…=C_n=C. У колі, з'єднаному за схемою, приведеною на рис. 12.6, в (R- паралель), одержують фазовий зсув на кут , а в колі, зібранму за схемою, поданою на рис. 12.6, г (С-паралель),— на кут -. Від числа ланок залежать частота генеруючих коливань і необхідне підсилення в періодичному підсилювачі (табл. 12.1).

Для зниження загасання у фазообертаючих RC-колах встановлюють прогресивні ланцюжки. Опори резисторів відповідають рівням R₂=mR₁, R₃=m²R₂,…, ємності конденсаторів — співвідношенням де m>1. Триланкове коло (як R-паралель, так і C-паралель) характеризується значенням 1/11. Для побудови генератора необхідний підсилювач з коефіцієнтом підсилення K_u1. Частота генеруючих коливань для схеми R- паралель розраховується по формулі

для схеми С-паралель — по формулі я по формулі

Таблиця 12.1

Схема	Число R-паралель ланок	Формула для розрахунку частоти	Значення 	Необхідне значення Ku
R-паралель	3	0,0644/RC	1/29	29
R-паралель	4	0,133/RC	1/18,4	18,4
C-паралель	3	0,39/RC	1/29	29
C-паралель	4	0,19/RC	1/18,4	18,4

Підсилювальні каскади RС-генераторів можуть бути виконані на польових чи біполярних транзисторах, або на базі інтегральних операційних підсилювачів. Варіант RС- генератора з підсилювачем на біполярному транзисторі (рис. 12.7, а) містить фазозсувне коло у виді трьох RС-ланок, включене між входом і виходом підсилювача. Для збудження коливань підсилювач повинен забезпечувати підсилення в 29 разів. Коло зворотного зв'язку шунтує резистор R4, що впливає на коефіцієнт підсилення в каскаді.

Рис. 12.7. RC- генератори з фазозсувними колами на біполярному транзисторі (а) і на операційному підсилювачі з нелінійним зворотним зв'язком (б)

На виході підсилювача відсутні фільтруючі кола. Тому синусоїдальна форма генеруючих коливань може бути отримана, якщо підсилювач працює в лінійному режимі й амплітуда напруги на його виході не перевершує визначеного значення. Для виконання цієї умови RC-генератори доповнюють колами негативного зворотного зв'язку, причому обов'язково з нелінійними елементами в них. В міру збільшення амплітуди вихідної напруги коефіцієнт передачі напруги в колі зворотного зв'язку повинний зростати. Тільки тоді можливе обмеження амплітуди вихідної напруги до рівня, необхідного для реалізації лінійного режиму в підсилювачі.

Варіант утворення нелінійного негативного зворотного зв'язку розглянемо на прикладі RC-генератора на операційному підсилювачі (рис. 12.7, б). Для досягнення балансу фаз у ньому фазозсувне коло у вигляді трьох RC-ланок включається між виходом і інвертуючим входом. Діоди VD1 і VD2 є елементами кола негативного зворотного зв'язку. При позитивній полярності напруги на виході можливий вплив вихідної напруги на інвертуючий вхід підсилювача через діод VD2, а при негативній його полярності — через діод VD1. Щоб при малих амплітудах вихідної напруги цей вплив не проявився, на діоди подаються замикаючі напруги: на діод VD1 — знімається з резистора R7, на діод VD2 — знімається з резистора R8. Коли амплітуда напруги на виході перевершує замикаючу напругу на діодах, відбувається відмикання діода і напруга негативного зворотного зв'язку надходить на інвертуючий вхід підсилювача. В міру збільшення амплітуди напруги на виході опори діодів стають меншими і негативний зворотний зв'язок підсилюється.

Істотним недоліком RC- генераторів з фазозсувними колами є складність регулювання частоти коливань, оскільки це регулювання можливе шляхом зміни параметрів великого числа елементів кола. Генератори цього типу працюють на фіксованій частоті чи в крайньому випадку у вузькому діапазоні частот.

Інший різновид RC-генераторів виконується на базі двокаскадних підсилювачів. У двокаскадному резисторному підсилювачі з включенням транзисторів по схемі з загальним емітером фазовий зсув сигналу на виході щодо вхідного складає 2. Якщо з'єднати вихід підсилювача з його входом через коло з активним опором, буде виконуватися умова балансу фаз. При дотриманні умови К_uβ1 у пристрої можливі автоколивання різних частот і поява на виході напруги складної форми. Для одержання синусоїдальних коливань створюють послідовно-паралельне коло зворотного зв'язку, так званий міст Віна (рис. 12.8, а). Коефіцієнт передачі цього кола визначається співвідношенням

де

Після підстановки виразів для Z₁ і Z₂ і перетворень одержуємо

Р ис. 12.8. Міст Віна:

а - схема; б, в - амплітудно-частотна і фазочастотна характеристики

На визначеній частоті ₀ можливе виконання рівності . Звідси або На частоті f₀ коефіцієнт передачі чотириполюсника у вигляді моста Віна виражається дійсним числом, що означає відсутність зсуву фаз між вихідною і вхідною напругами чотириполюсника. На цій частоті

Якщо R₁=R₂=R; C₁=C₂=C, тo

Модуль коефіцієнта передачі моста Віна і внесений ним фазовий зсув є функціями частоти (рис. 12.8, б, в). Таким чином, у двокаскадному підсилювачі включення моста Віна як кола зворотного зв'язку забезпечує досягнення балансу фаз на визначеній частоті. При К_иЗ реалізується баланс амплітуд. Значення К_иЗ у двокаскадному підсилювачі одержати досить просто.

Практична реалізація автогенераторів з мостом Віна труднощів не викликає. У генераторі з підсилювачем на біполярних транзисторах (рис. 12.9, а) елементами моста Віна є резистори Rl, R2 і конденсатори Cl, C2. Відмітимо, що резистор R2 виявляється шунтуючим вхідним опором транзистора VT1, що повинно враховуватися при розрахунку частоти генеруючих коливань.

Рис. 12.9. Автогенератори з мостом Віна:

а - з підсилювачем на дискретних елементах; б - з операційним підсилювачем

У генераторі є коло негативного зворотного зв'язку. Воно містить у собі резистори R5, R8 і терморезистор R6. Опір терморезистора залежить від температури. При збільшенні амплітуди вихідної напруги відбувається його нагрів, опір зменшується, амплітуда прикладеної на резистор R5 напруги негативного зворотного зв'язку зростає.

У генераторі на операційному підсилювачі (рис. 12.9, б) міст Віна включається між виходом і неінвертуючим входом підсилювача. Автоматично регульоване коло негативного зворотного зв'язку утворене резисторами Rl, R2 і терморезистором R3.

Конденсатори моста Віна використовують змінні (приєднуються за допомогою перемикача), а резистори — змінного опору. Тоді частота генеруючих коливань може перестроюватись в широкому діапазоні частот. Генератори з мостом Віна застосовуються для одержання коливань з частотами 1—10⁷ Гц.

RC-генератори прості у виготовленні, мають малі габарити і масу, низьку вартість, використовуються для генерації коливань як вкрай низьких, так і дуже високих частот. Стабільність частоти в них значно нижча, ніж у LC-генераторах. Синусоїдальні коливання можливі при малих амплітудах коливань, що відповідають лінійному режиму підсилювальних каскадів.

12.5. Генератори негармонійних коливань

Загальні відомості. У генераторах негармонійних коливань вихідна напруга має форму короткочасних імпульсів, із плоскою чи гострою вершиною, прямокутних, трапецеїдальних, трикутних і т.д. Спостерігаються чергуючі швидкі і відносно повільні зміни вихідної напруги. Такі коливання називають релаксаційними (розривними). Розглянемо генератори негармонійних коливань на прикладі мультивібратора.

М

Рис. 12.10. Схема транзис-торного мультивібратора

ультивібратор. Мультивібратором називається релаксаційний генератор майже прямокутних імпульсів. Спектр частот коливань його є широким. Звідси назва — генератор багатьох коливань. Транзисторний мультивібратор являє собою двокаскадний резисторний підсилювач, у якого вихід першого каскаду з'єднаний із входом другого, а вихід другого — із входом першого. Зворотний зв'язок є позитивним, здійснюється в широкому діапазоні частот, коефіцієнт зворотного зв'язку дорівнює одиниці. Найбільш поширені мультивібратори з включенням транзисторів за схемою з загальним емітером і струмозадаючими резисторами в колах баз (рис. 12.10). У симетричному мультивібраторі обидва каскади містять однакові елементи.

Здавалося б, у симетричному мультивібраторі в колах баз і колекторів транзисторів повинні встановитися однакові струми і напруги баз і колекторів. Насправді через наявність позитивного зворотного зв'язку такий режим зберегтися не може. Наприклад, при деякім збільшенні колекторного струму першого транзистора і_К1 частина зарядів зтече з обкладок конденсатора. Напруга на конденсаторі С1 і одночасно колекторна напруга u_К1 почнуть зменшуватися (рис. 12.11, а), у колі конденсатора з'явиться розрядний струм i_p1. Проходження цього струму через емітерний перехід транзистора VT2 неможливе, струм i_p1 піде через джерело живлення і по резисторі R_Б2. Стала кола розрядки _p1=C₁R_Б2.

Рис. 12. 11. Напруга електродів транзисторів у симетричному мультивібраторі:

а - напруга колектора транзистора VT1; б - напруга бази транзистора VT1; в — напруга колектора транзистора VT2, г — напруга бази транзистора VT2

Через відкритий транзистор VT1 напруга u_c1 прикладається до переходу база — емітер транзистора VT2, виступає як замикаюча напруга (рис. 12.11, г). Струм і_К2 у колі колектора транзистора VT2 відсутній. Відбувається зарядка конденсатора С2 через резистор R_К2 і емітерний перехід транзистора VT1 і поступове збільшення напруги u_K2 (рис. 12.11, в). Зарядний струм i_Е2 конденсатора С2 є струмом бази і_Б1 транзистора VT1. Цей струм досягає максимального значення в початковий момент, коли відбувається запирання транзистора VT2. Одночасно колекторна напруга знижується до напруги насичення (див. рис. 12.11, а), а потенціал бази транзистора VT1 досягає максимального значення (рис. 12.11, б).

Таким чином, незначне збільшення струму і_К1 приводить до миттєвого переходу транзистора VT1 у режим насичення і запиранню транзистора VT2.

В міру зарядки конденсатора С2 напруга u_K2 (рис. 12.11, в) підвищується до значення Е_К, струм і_Б1 стає меншим, трохи збільшується напруга u _K1 (див. рис. 12.11, а). Одночасно знижуються напруги на конденсаторі С1 і замикаюча напруга u_Б2 (рис. 12.11, г).

Після повної розрядки конденсатора С1 починається його зарядка через резистор R_Б2 і транзистор VT1, напруга u_Б2 стає позитивною. При її значенні, рівному часткам вольта, транзистор VT2 відмикається і починається розрядка конденсатора С2. Стала кола розрядки _р2=С₂R_Б1. Транзистор VT2 переходить у режим насичення, а транзистор VT1 запирається. До емітерного переходу VT1 прикладена негативна напруга u_Б2, близька по величині до значення Е_К,. У колі розвиваються процеси, аналогічні тим, що були описані для випадку запирання транзистора VT2.

У процесі роботи мультивібратора колекторні напруги транзисторів змінюються в межах від u_Kнас до Е_K (невеликий зворотний струм колекторного переходу не враховується). Перепадом цих напруг, близьких до значення Е_K, визначається амплітуда коливань транзисторного мультивібратора.

Для одержання імпульсів вихідної напруги з плоскими основами і вершинами і стабільною амплітудою коливань відкритий транзистор повинний знаходитися в режимі насичення. У такому випадку необхідно, щоб струм бази транзисторів І_БС в умовному режимі спокою мав значення

Як видно, опори R_Б і R_К взаємозалежні: R_Бh_21ER_K.

Час розрядки конденсаторів можна визначити з наступних співвідношень:

Переходи транзисторів від стану запирання до стану насичення відбуваються дуже швидко. Тому період коливань Т=₁+₂0,7(R_Б1C₂+R_Б2C₁). Для симетричного мультивібратора R_Б1=R_Б2=R_Б, C₁=С₂=С і Т=1,4R_БС.

Необхідна частота коливань мультивібратора встановлюється підбором ємностей конденсаторів у його колі. Частота коливань може складати від часток герца до сотень кілогерц. Плавне регулювання частоти коливань можна здійснити, підключивши резистори R_Б1, R_Б2 до джерела регульованого в деяких межах напруги.

Застосування операційних підсилювачів інтегрального виконання дозволяє спростити схеми мультивібраторів, одержати імпульси напруг із крутими фронтами і стабільними параметрами.

Мультивібратор на операційному підсилювачі (рис. 12.12, а) містить коло позитивного зворотного зв'язку у вигляді дільника напруги на резисторах R3, R4. На інвертуючий вхід підсилювача надходить напруга позитивного зворотного зв'язку

До інвертуючого входу, підключений конденсатор С, який через резистор R1 і діод VD1, а також через резистор R2 і діод VD2 з'єднаний з виходом підсилювача.

Рис 12 12. Мультивібратор на операційному підсилювачі.

а — схема, б — напруга на конденсаторі, у — вихідна напруга

При подачі напруги живлення на виході підсилювача встановлюється максимально можлива напруга позитивної u_нас+ чи негативної u_нас- полярності. Нехай, вона є позитивною. Тоді через діод VD1 і резистор R1 буде відбуватися зарядка конденсатора (рис. 12.12, б). Коли величина напруги досягне значення u_R3+ відбудеться швидка зміна полярності вихідної напруги, значення її стане рівним u_нас- (рис. 12.13, в). На інвертуючому вході встановиться напруга u_R3-. Почнеться розрядка конденсатора С через резистор R2 і діод VD2. Коли конденсатор розрядиться, між його обкладками буде рости напруга негативної полярності. При u_R3- знову відбудеться зміна полярності вихідної напруги.

Імпульси напруги на виході генератора є двополярними. Тривалості їх ₁, ₂ визначаються сталими кола зарядки конденсаторів (CR1, CR2) і коефіцієнтом передачі напруги зворотного зв'язку на інвертуючий вхід. Для генерації імпульсів обох полярностей однакової тривалості немає необхідності в установці діодів у колі зворотного зв'язку, замість резисторів R1 і R2 включається один резистор.

Мультивібратори можуть працювати в ждучому режимі, у режимі синхронізації і розподілу частоти.