Вопрос31. Генератор гармонических колебаний rc-типа: принципиальная схема, принцип работы, параметры выходного сигнала.

1.4 RC – генератор с фазосдвигающей RС-цепью RС-автогенераторы с фазосдвигающей RС-цепью в качестве цепи положительной обратной связи строятся на основе однокаскадных и многокаскадных электронных усилителей. Такие автогенераторы иногда называют цепочечными генераторами типа RC . Выход усилителя, имеющего k-каскадов ( k=1,3,5,…), имеет фазовый сдвиг   относительно   равный 180°. Для получения положительной обратной связи фазосдвигающие (или фазовращающие) цепи должны обеспечивать на рабочей частоте поворот фазы выходного напряжения усилителя относительно входного еще на  . Эта задача решается с помощью фазовращающей цепи, состоящей из нескольких обратный Г-образных RC звеньев. Изменение фазы зависит от числа звеньев п и равно В связи с тем, что одно RC звено изменяет фазу на угол  , минимальное число звеньев фазовращающей цепи п = 3. В практических схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепи. На рисунке 5 изображены два варианта таких цепочек, получивших название соответственно «R-параллель» и «С-параллель».  Рисунок 5 – Два варианта фазовращающих цепей: а) R-параллель; б) С-параллель Из теории известно, что трехзвенная RС-цепь (R-параллель) имеет типовые частотную   и фазовую   характеристики, показанные на рисунке 6. Рисунок 6 – Частотная зависимость коэффициента передачи ? и фазового сдвига ?_? трехзвенной RC- цепи. Анализ графиков частотной и фазовой характеристик показывают, что на квазирезонансной (якобы резонансной) частоте генерации f₀ трехзвенная RС-цепь положительной обратной связи имеет вещественное значение коэффициента передачи   и вносит фазовый сдвиг  . Поэтому для обеспечения в автогенераторе баланса амплитуд необходимо выбирать коэффициент усиления усилителя  . Можно показать, что квазирезонансная частота генерации определяется формулой: . Как следует из этой формулы, частота генерации зависит только от параметров цепи обратной связи R и С . В трехзвенной цепи RС-цепь (R-параллель) квазирезонансная частота будет определяться другим соотношением: . На рисунке 7 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой на одном транзисторе. Рисунок 7 – Схема транзисторного RС-генератора с фазовращающей цепью обратной связи из трех звеньев На рисунке 7 изображена схема RС-генератора с цепью обратной связи в виде трехзвенной RС-цепи. Резисторы   и   включены как делители напряжения для создания необходимого режима работы транзистора по постоянному току. Резисторы R₁, R₂.,R₃ и конденсаторы С₁, С₂, С₃ образуют трехзвенную цепь положительной обратной связи. С_р1 – разделительный конденсатор. В этом генераторе, собранном на одном транзисторе c общим эмиттером, обеспечивается условие баланса фаз для одной частоты.  Однако данная схема имеет один большой недостаток: цепочка обратной связи шунтирует вход усилителя и снижает его усиление. А из-за малого входного сопротивления транзистора нельзя обеспечить условие самовозбуждения. Поэтому реальная схема автогенератора содержит два усилительных каскада (рисунок 8). Каскад, выполненный на первом транзисторе, включен по схеме с общим коллектором, т.е. работает как эмиттерный повторитель. Его назначение – согласовать сопротивление RC-цепи с входным сопротивлением усилителя. Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся незатухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают. Рисунок 8 – Схема транзисторного RС-генератора с фазовращающей цепью обратной связи на двух транзисторах Недостатком автогенераторов с фазовращающими цепями является то, что обычно они применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты автогенератора в широком диапазоне частот.  1.5 Транзисторный RС-автогенератор с последовательно-параллельной фазовращающей цепью обратной связи Диапазонные автогенераторы типа RC, то есть, автогенераторы перестраивающиеся по частоте, строятся несколько иначе. В них применяются усилители, имеющие четное число каскадов. Если один каскад поворачивает фазу входного сигнала на  ; то усилители, имеющие четное число каскадов, при охвате положительной обратной связью достаточной глубины поворачивает фазу входного сигнала на  (n = 2,4,…) и могут генерировать электрические колебания без включения специальной фазовращающей цепочки. Для выделения требуемой частоты синусоидальных колебаний из всего спектра частот, генерируемых такой схемой, необходимо обеспечить выполнение условий самовозбуждения только для одной частоты. С этой целью в цепь обратной связи включается последовательно-параллельная избирательная цепочка, схема которой приведена на рисунке 9. Мост Вина состоит из последовательного (R₁C₁) и параллельного (R₂C₂) звеньев. Сигнал низкой частоты при прохождении через мост теряется на C₁, а сигнал высокой частоты гасится на C₂. Поэтому наибольший коэффициент передачи мост имеет на некоторой частоте f₀. Рисунок 9 – Последовательно-параллельная избирательная цепочка Определим свойства этой цепочки, рассматривая ее как делитель напряжения. Между выходным и входным напряжениями существует следующая зависимость , где  . Коэффициент передачи напряжения этой цепью равен . (9) На квазирезонансной частоте   коэффициент передачи напряжения должен быть равен действительному числу. Это возможно лишь в том случае, если сопротивления, выраженные соответствующей математической записью в числителе и знаменателе последней формулы, будут иметь одинаковый характер. Данное условие обеспечивается лишь в том случае, если действительная часть знаменателя равна нулю, т. е. Отсюда квазирезонансная частота имеет вид:  (10) или Тогда коэффициент передачи напряжения на квазирезонансной частоте равен  (11) Подставляя в формулу (11) значение   из (10), получим выражение для модуля коэффициента передачи цепи: Считая   и  , найдем окончательные значения   и  :  (12)  (13). Выделив из формулы (9) комплексного коэффициента передачи цепи действительную и мнимую части, можно найти аргумент коэффициента передачи:  (14) Рисунок 10 – Частотная и фазовая характеристики  последовательно-параллельной цепи Графики зависимости модуля комплексного коэффициента передачи фазобалансной цепи   и фазового сдвига   представлены на рисунке 10. Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте,  (15) Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть равен 3. Это требование достаточно легко выполняется. Реальный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее K=3. Рисунок 11 – Схема RC –автогенератора с последовательно-параллельной цепью положительной обратной связи. Поэтому наряду с положительной обратной связью в усилитель вводят отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время существенно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого генератора приведена на рисунке 11. Транзисторы включены по схеме с общим эмиттером, а так как в этом случае каждый транзистор поворачивает фазу на 180°, то необходимо иметь два (или четыре) каскада усиления. Последовательно-параллельной цепь состоит из емкостей C₁ и С₂ и сопротивлений R₁ и  . Последовательно включенные резисторы   и   составляют делители напряжения для получения напряжения смещения на базах транзисторов. Резисторы R_к1 и R_к2 выполняют роль нагрузки в каждом транзисторе. Конденсатор C_р1 – разделительный конденсатор между двумя каскадами усилителя. Резисторы R_э1 и R_э2предназначены для термостабилизации транзисторов. Конденсатор C_э2 предотвращает отрицательную обратную связь по току. Кроме того, в этом усилителе вводят цепь отрицательной обратной связи (R_св, C_св), с помощью которой изменяется коэффициент усиления усилителя в зависимости от амплитуды колебаний генератора. Наиболее эффективно отрицательная связь работает в том случае, когда применяются терморезисторы, сопротивление которых сильно зависит от приложенного к ним напряжения. В данной схеме терморезистор R_э1 в цепи эмиттера транзистора VT₁ предназначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Изменение сопротивления термистора приводит к изменению глубины отрицательной обратной связи, что изменяет коэффициент усиления К. Регулировка частоты осуществляется с помощью спаренного потенциометра R₁R₂.