1. Виды частотно-зависимых цепей

В своей основе RC-автогенератор имеет одно- или многокаскадный усилитель и цепь ОС на элементах R и С. Цепь может быть Г-образной или мостовой. На рис.1. приведена схема генератора с трёхзвенной Г-образной ( лестничной) цепью. В этой схеме используется инвертирующий усилитель. В усилителе происходит сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением на . Для выполнения условия баланса фаз (т. е. чтобы общая ОС была положительной) необходимо, чтобы цепь ОС также обеспечивала фазовый сдвиг .

Рис.6.2. Генератор с трёхзвенной ( лестничной) RC-цепью

Выполнение этого условия возможно с помощью трёхзвенной Г-образной RC-цепи, каждое звено которой создает сдвиг фазы на . Если принять: и , то самовозбуждение этого генератора произойдёт на частоте

,

при коэффициенте усиления усилителя .

Возможно использование в этой же схеме RC-цепи “обратного” вида, в которой место включения элементов R и С изменено на противоположное. При тех же значениях R и С самовозбуждение такой схемы произойдёт на частоте

.

Таким образом, для наиболее низких частот предпочтительно использование цепей первого вида, а для высоких частот - “обратных” Г-образных цепей. Для уменьшения шунтирующего влияния Г-образной цепи ОС на выходе RC-генераторов этого вида устанавливается дополнительно эмиттерный повторитель.

На рис.6,3. приведена схема RC-автогенератора с использованием в цепи ОС несимметричного Т-образного моста. При выполнении условий:

; ;

; ;

0,207 ≤ a ≤ 0,5; К ≥ 11

самовозбуждение генератора происходит на частоте

.

Рис.6.3а .Генератор с двойным несимметричным Т-образным мостом и регулировкой амплитуды	Рис.6.3 б. АЧХ режекторного фильтра

Наибольшее применение в этих устройствах получила времязадающая цепь на основе моста Вина (рис.6.4.).

Рис.6.4. Простейшая схема генератора с мостом Вина	Рис.6.5. АЧХ моста Вина

Мост Вина, примененный в данном генераторе, обладает на резонансной частоте нулевым фазовым сдвигом, поэтому RC цепь включается в положительную обратную связь.

При выполнении условия в устройстве возникают автоколебания, частота которых определяется формулой:

.

Обычно используются равные сопротивления и ёмкости , а частоту находят из соотношения:

_{Для выполнения условия баланса амплитуд необходимо обеспечить коэффициент усиления усилителя:}

Автоколебания возникают при условии, что коэффициент усиления усилителя больше трех, обычно для запуска генератора применяют цепи АРУ.

.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ)

Установившиеся автоколебания в замкнутой цепи возможны только при условии точного равенства единице коэффициента петлевого усиления на частоте . Но для возникновения автоколебаний нужно, чтобы вначале коэффициент петлевого усиления был больше. После возникновения автоколебаний их амплитуда стабилизируется на таком уровне, при котором за счёт нелинейного элемента в петле коэффициент усиления снижается до единицы. Если не предпринимать специальных мер, то упомянутая нелинейность проявляется в амплитудной характеристике ОУ, в этом случае форма автоколебаний может заметно отличаться от синусоиды.

Так как идеальное значение K_ОС установить нельзя, то требуется применить систему автоматической регулировки усиления. Эта система обычно влияет на изменение коэффициента передачи цепи ООС так, чтобы стабилизировать колебания при малых искажениях. Схемы АРУ могут быть достаточно сложными.

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно- нелинейную цепь отрицательной обратной связи (ООС) и операционный усилитель (ОУ). Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала увеличивается коэффициент передачи цепи ООС и снижается петлевое усиление до единицы.

Если требуется обеспечить высокую стабильность амплитуды автоколебаний в RC-генераторе, то цепь регулировки глубины ООС выполняют на основе сравнения амплитуды генерируемого напряжения с опорным постоянным напряжением. Обычно вначале выпрямляют переменное напряжение с выхода с интегратора, затем из него вычитают опорное напряжение, разность усиливают и используют для управления одним из сопротивлений, входящих в ветвь ООС генератора. В качестве управляемых сопротивлений при этом могут использоваться полевые транзисторы, фото- и терморезисторы и другие элементы. Наиболее простым решением являются два диода, включённые по встречно-параллельной схеме в цепь ООС (последовательно с R_ос). По мере возрастания выходного напряжения динамическое сопротивление диодов падает в соответствии с соотношением: , что приводит к снижению величины К_ос и R_ос Величина выходного сигнала устанавливается потенциометром .

Регулировка и стабилизация частоты

Основной проблемой во всех трёх рассмотренных разновидностях RC-цепей и генераторах на их основе является реализация перестройки частоты в широком диапазоне, т. к. обычно это требует одновременного изменения параметров двух или трех элементов. Интересные решения возможны при управлении частотой генератора путём изменения напряжения на одном из элементов схемы или с использованием управляемого конденсатора-варикапа.

Для стабилизации частоты генераторов необходимо:

- обеспечить высокую стабильность элементов времязадающей цепи, в частности, выбирать конденсаторы с малым значением ТКЕ;

- стабилизировать рабочую точку усилительного элемента введением ООС и терморезисторов в цепи задания режима.

Наиболее кардинальным решением для обеспечения относительной нестабильности частоты порядка 10^-6 является применение кварцевых резонаторов. Однако номенклатура низкочастотных резонаторов достаточно ограничена; в этом случае часто проектируют генератор на частоту выше 1 МГц с применением последующего делителя (что одновременно позволяет решить проблему точной перестройки частоты без применения переменных элементов времязадающей цепи).

Выбор операционного усилителя

Максимальная частота выходных колебаний ограничивается скоростью нарастания напряжения на выходе усилителя. Выбор операционного усилителя для создания генератора синусоидальных колебаний основывается на поиске усилителя общего применения с малым смещением нуля, малыми входными токами, незначительным температурным дрейфом и достаточной скоростью нарастания выходного напряжения

где - максимальная частота генерации;

- амплитуда выходного напряжения.

В ряде случаев допускается применение операционных усилителей, относящихся к группе прецизионных или быстродействующих (с соответствующим обоснованием).

.