3.5 Генераторы гармонических колебаний

3.5.1 Общие сведения

Электронным генератором называется устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности.

В зависимости от формы выходного напряжения различают генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и импульсные (релаксационные) генераторы: прямоугольных импульсов, линейно-изменяющегося напряжения, треугольной формы и т.д. По способу возбуждения колебаний различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и с внешним возбуждением. Генераторы с внешним возбуждением по существу являются резонансными усилителями, работающими в режиме больших амплитуд.

Для получения незатухающих колебаний в автогенераторах используются элементы, у которых на ВАХ имеется или создан с помощью положительной ОС участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Наиболее распространенной схемой автогенератора является схема на основе усилителя с ПОС. Функциональная схема такого генератора приведена на рисунке 3.34а. В разделе 3.4.3 отмечалось, что при К  1 и  = 0 усилитель теряет устойчивость и необходимы специальные меры для обеспечения его работоспособности. В автогенераторах такой режим является рабочим. На рисунке 3.34б приведены передаточные характеристики усилителя (2,3,4) и звена обратной связи (1).

Если усилитель имеет передаточную характеристику вида второй кривой, то колебания в генераторе возникают при самых незначительных изменениях входного напряжения (шумы, помехи, флуктации питания и т.п.). Изменение входного напряжения усиливается усилителем и затем через цепь обратной связи подается на вход. Если

К 1 , (3.116)

 +  = 0, (3.117)

то амплитуда колебаний на выходе генератора будет нарастать. Процесс нарастания колебаний показан на рисунке 3.34в, и он будет продолжаться до тех пор, пока не начнут проявляться нелинейные свойства усилителя. При насыщении усилителя его коэффициент усиления начинает уменьшаться и при К = 1 амплитуда колебаний стабилизируется. Условие 3.116 называется балансом амплитуд, а 3. 117 – балансом фаз. Баланс фаз означает, что суммарный фазовый сдвиг усилителя и цепи обратной связи должен быть равен нулю или кратен 2, то есть в системе действует ПОС. в таком генераторе колебания возникают сразу после подачи питания и режим самовозбуждения называется «мягким»..

а б в

г д

е ж

з и

а – функциональная схема; б, в – условия и процесс нарастания колебаний; г – генератор с резонансным контуром в базовой цепи; д – генератор с резонансным контуром в коллекторной цепи; е, ж – LC-генераторы с параллельным питанием; е – по схеме индуктивной трехточки; ж – по схеме емкостной трехточки; з – LC-генератор на ОУ; и – эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Рисунок 3.34 – Генераторы гармонических колебаний

Если усилитель имеет характеристику типа кривой 3, то колебания могут возникнуть только в том случае, если входное напряжение больше порогового. Пороговое напряжение определяется точкой пересечения кривых 3 и 1 (точка А рисунок 3.34б). До точки А К < 1, т.е. условие самовозбуждения не выполняется. Такой режим возбуждения генератора называется "жестким".

Если характеристика усилителя имеет вид кривой 4, а цепь ОС – прямой 1 (рисунок 3.34б), то в такой системе колебания возникнуть не могут, так как условия самовозбуждения не выполняются – К < 1.

Форма выходного напряжения генератора определяется частотной характеристикой цепи усилитель-обратная связь. Если условия самовозбуждения выполняются только на одной частоте, то на выходе генератора будут гармонические колебания. В этом случае система должна иметь характеристику резонансного типа. Если система усилитель-цепь обратной связи широкополосная и условия самовозбуждения выполняются одновременно на многих частотах, то результирующее колебание будет определяться суммой гармоник. Чаще всего колебания на выходе имеют прямоугольную или близкую к ней форму и генератор в таком случае называют мультивибратором.

Таким образом, для реализации автогенератора гармонических колебаний необходимо, чтобы баланс фаз и баланс амплитуд выполнялись только на одной частоте. Частотно-зависимую цепь обратной связи можно выполнить, используя LC резонансный контур или RC цепи с квазирезонансными характеристиками (см. раздел 3.3.3). Соответственно и называют LC-генераторы или RC-генераторы. RC-генераторы, как правило, выполняют на более низкие частоты и они проще реализуются в интегральном исполнении.

Основными параметрами автогенераторов являются рабочая частота, выходная мощность, нестабильность частоты. Нестабильность частоты оценивают коэффициентом относительной нестабильности частоты, который определяется соотношениями:

для LC-генераторов К_н = f/f₀ = -(1/2)(L/L_к + C/C_к);

для RC-генераторов К_н = f/f₀ = -(C/C + R/R),

где f₀ – рабочая (резонансная) частота;

f – изменение частоты;

R, L, C – изменение величины сопротивления, индуктивности, емкости, определяющих резонансную частоту.

Изменение параметров элементов происходит под действием температуры, старения и т.п. факторов.

3.5.2 LC-генераторы

На рисунке 3.34г приведена схема LC-генератора с контуром, распо­ложенным в базовой цепи. Частота генератора определяется величинами L₁, C₁ и рассчитывается из соотношения:

.

ПОС в генераторе реализуется за счет индуктивной связи между L₁ и L₂, включенной в цепи коллектора транзистора. Резистор R₁ определяет положение рабочей точки. Цепочка R₂C₃ создает ООС по постоянному току и осуществляет термостабилизацию рабочей точки транзистора. Выходное напряжение может быть взято с коллектора транзистора через разделительный конденсатор С4 или, как показано на рисунке , с помощью L₃ за счет индуктивной связи с L₂. Контур подключен к базе через разделительную емкость С2, чтобы L1 не шунтировала переход, БЭ VT по постоянному току.

На рисунке 3.34д приведена схема генератора, у которого колебательный контур L₂C₃ расположен в коллекторной цепи. Такой генератор обладает большим КПД и выходной мощностью, но через колебательный контур протекает постоянная составляющая коллекторного тока, и контур находится под большим напряжением. Это вызывает увеличение габаритов L и С и ухудшение температурной стабильности. ПОС в генераторе осуществляется с помощью соответствующего подключения обмотки обратной связи L₁. Рабочая точка транзистора задается делителем R₁, R₂, напряжение с которого через L₁ подается на базу (для постоянного тока L₁  0). Емкость С₁ необходима для подачи напряжения с L₁ на базу; для переменной составляющей 1/C₁  0 и верхняя точка L₁ соединена с общей шиной. В связи с этим, напряжение L₁ приложено между базой VT и общей шиной. Назначение остальных элементов такое же как и в предыдущей схеме.

Для исключения протекания постоянной составляющей коллекторного тока через контур и уменьшения напряжения на контуре используются схемы с параллельным питанием (рисунок 3.34е, рисунок 3.34ж). Колебательный контур подключается параллельно транзистору через разделительный конденсатор С₂ (рисунок 3.34е) или С₃ (рисунок 3.34ж). Для устранения короткого замыкания переменной составляющей через источник питания питающее напряжение подается через дроссель L₂, имеющий большую индуктивность, так что L₂ . Кроме того, схемы (рисунок 3.34е и рисунок 3.34ж) собраны по так называемым трехточечным схемам, в которых LC-контур к усилителю подключается тремя точками. Это позволяет снимать сигнал обратной связи непосредственно с резонансного контура. Различают индуктивную трехточку (рисунок 3.34е) и емкостную трехточку (рисунок 3.34ж). Условие резонанса в первой схеме обеспечивается при

1/₀(L₁ + L₂) = ₀,

а во второй – при

1/₀L = ₀C₁ ^. C₂/(C₁ + C₂).

Условие баланса фаз в трехточечном генераторе выполняется вследствие того, что напряжение обратной связи U_ос и напряжение на контуре U_к находятся в противофазе и, кроме того, напряжение на затворе и стоке транзистора также на 180⁰. С помощью резистора R₂ создается ООС, осуществляющая стабилизацию режима работы генератора. Так как в схемах используются полевые транзисторы с управляющим РN переходом, то дополнительное смещение затвора не производится и он соединяется с общей шиной через резистор R₁. Рабочая точка транзистора определяется величиной резистора R₂ и тока истока.

На рисунке 3.34з приведена схема генератора на ОУ. Колебательный контур находится в цепи ПОС и присоединен к неинвертирующему входу ОУ. ООС в генераторе введена для улучшения формы, выходного напряжения и обеспечивает выполнение условий самовозбуждения только на одной частоте.

Одним из важнейших параметров, определяющим качественные характеристики электронного устройства, работающего с гармоническим информационным сигналом, является стабильность его частоты. Для уменьшения нестабильности используют различные способы стабилизации частоты. Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию частоты. Параметрическая стабилизация сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту и осуществляется термостабилизацией рабочей точки транзистора (раздел 3.4.4), подбором для колебательного контура элементов с малым температурным коэффициентом, термостатирование генератора и т.д. Параметрическая стабилизация частоты позволяет получить нестабильность до 10^-5.

Кварцевая стабилизация заключается в применении в колебательном контуре кварцевого резонатора. Кварцевый резонатор – это кристалл кварца или турмалина, закрепленный в кристаллодержателе. Кристалл кварца обладает прямым пьезоэффектом (появление электрических зарядов на гранях при механическом воздействии) и обратным пьезоэффектом (возникновение упругих механических колебаний при воздействии переменного электрического поля). Таким образом, кварцевый резонатор представляет собой электромеханическую систему с резонансными свойствами. В зависимости от геометрических размеров и ориентации среза кристалла частота кварца может изменяться от нескольких килогерц до сотен мегагерц.

Эквивалентная схема и частотная характеристика кварцевого резонатора приведена на рисунке 3.34и. В резонаторе может быть резонанс напряжений с частотой

и резонанс токов с частотой

,

где С_экв = С₀С_кв/(С₀ + С_кв);

С_кв, L_кв – емкость и индуктивность кристалла;

С₀ – емкость кристаллодержателя.

На частотах ниже _н и выше _т сопротивление резонатора носит емкостный характер, а на частотах выше _н и ниже _т – индуктивный. В связи с этим, возможно различное использование резонатора: в качестве емкости, индуктивности или контура. Добротность кварцевого резонатора достигает значения до 10⁶, температурная нестабильность мала и равна 10^-8.

3.5.3 RC-генераторы гармонических колебаний

Для генерирования колебаний низкой частоты (до сотен кГц) применяются схемы RC-генераторов, так как использовать LC-генераторы в этом диапазоне нецелесообразно из-за значительных габаритов емкости и индуктивности контура. Обеспечение условий самовозбуждения генератора на рабочей частоте осуществляется с помощью частотнозависимых цепей, выполненных на резисторах и конденсаторах. Простейшим вариантом является RC-генератор с фазосдвигающими цепочками (рисунок 3.35а). На транзисторе VT выполнен усилитель по схеме с общим эмиттером. Так как входной и выходной сигналы такого усилителя находятся в противофазе (см. раздел 3.4.4), то для обеспечения баланса фаз цепь обратной связи должна осуществлять сдвиг фазы выходного сигнала усилителя на 180⁰. Такой фазовый сдвиг осуществляется посредством трех последовательно соединенных RC-цепочек дифференцирующего типа. Каждая из цепочек обеспечивает фазовый сдвиг, равный 60⁰. В подобных схемах могут использоваться и RC-цепочки интегрирующего типа (см. раздел 3.3.5). Коэффициент передачи трехзвенной RC-цепи  = 1/29, следовательно, коэффициент усиления усилителя должен быть больше 29. Частота колебаний генератора определяется из соотношения:

,

где R = R₅ = R6; C = C₂ = C₃ = C₄.

Сопротивление R₇ = R - (R₁R₂h₁₁).

а б

в г

д е

а, б – генератор с фазосдвигающими цепочками; в, г – генератор с мостом вина; д, е – генератор с двойным Т-образным мостом; б, г, е – АЧХ и ФЧХ цепи обратной связи

Рисунок 3.35 – RC- генераторы гармонических колебаний

Так как передаточная характеристика цепи ОС не имеет максимума (см. рисунок 3.35б), то возбуждение генератора возможно и на соседних частотах, что вызывает искажение формы выходного сигнала. Для устранения этого явления в генераторе вводят ООС по переменному току. Это можно сделать отключив емкость С₁ (рисунок 3.35а).

На практике для реализации схем RC-генераторов гармонических колебаний чаще используют RC-цепочки с квазирезонансными характеристиками (см. раздел 3.3.3). На рисунке 3.35в приведена схема генератора на ОУ с мостом Вина. Мост включен в цепи ПОС. Частота квазирезонанса определяется из выражения

,

где R = R₂ = R₄, C = C₁ = С₂.

На частоте ₀ мост имеет нулевой фазовый сдвиг, а коэффициент передачи  = 1/3 (рисунок 3.35г). Исходя из этого, усилитель должен иметь коэффициент передачи К > 3.

Отрицательная обратная связь (резисторы R₁, R₃) необходима для улучшения формы выходного сигнала и стабилизации режима работы.

На рисунке 3.35д приведена схема генератора с двойным Т-образным мостом, а на рисунке 3.35е АЧХ и ФЧХ. Мост включен в цепи ООС ОУ в связи с тем, что на частоте квазирезонанса  имеет минимальное значение, а фазовый сдвиг моста равен 180⁰. Цепь положительной обратной связи создается с помощью резисторов R₁, R₂. При С₁ = С₃ = С, С₂ = С/0,207 и R₃ = R₅ = R, R₄ = 0,207R частота квазирезонанса и коэффициент передачи определяются соотношениями:

₀ = 1/RC;  = 1/11.

Включение моста в цепь ООС и ПОС (R₁, R₂) обеспечивает баланс амплитуд только на частоте ₀. Это объясняется тем, что мост не пропускает гармоническую составляющую с частотой ₀ (нет ООС). Для остальных частот ООС действует и К < 1.