9.2 Генератори гармонічних коливань

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

Як активні елементи використовують транзистори, інтегральні під­силювачі (особливо операційні). Гармонічні коли­вання в генераторах підтримуються частотно–вибірковими чотирипо­люсниками: резонансними LС – контурами або іншими резонуючими еле­ментами (кварцами, об'ємними резонатор і т. ін.) або за допомогою фазую­чих RС – кіл, які вмикаються у коло зворотного зв'язку. То­му розрізняють LС – генератори і RС – генератори гармонічних коливань. Підкреслимо: в генераторах гармонічних коливань умови самозбудження створюються лише на одній частоті f.

В залежності від генерованих частот генератори гармонічних ко­ливань поділяють на низькочастотні (0,01...100 кГц), високочастотні (0,1...100 МГц) і надвисокочастотні (> 100 МГц).

9.2.1 LC – автогенератори

У схемі автогенератора з резонансним LС – контуром (рис. 9.1) вико­ристовується індуктивний зв'язок обмотки резонансного контура L_KС_К, що є навантаженням однокаскадного підсилювача за схемою СЕ , з другою обмоткою L_Б, ввімкненою в коло ЗЗ ( в коло збудження підсилювача, в коло бази). Елементи R1, R2, R5 та С3 призначені для забезпечення режиму за по­стійним струмом і його термостабілізації. Опори R3 та R4 враховують активні втрати відповідно в колекторній і базовій обмотках. За рахунок конденсатора С1, реактивний опір якого на частоті генерації незначний, заземлюється один кі­нець базової обмотки.

Опір контура па резонансній частоті має чисто активний характер і дорів­нює L_к /R₃С₂ . Тому при виникненні на базі сигналу змінного струму ( флюктуаційних шумів) на виході підсилювача ( на колекторі ) виділяється лише сигнал з частотою, що дорівнює частоті резонан­су. Це забезпечує баланс амплітуд лише на резонансній частоті. Але напруга на колекторі, буде зсунута за фазою на 180⁰, відносно напруги на базі (як для каскаду підсилення за схемою СЕ). Тому безпосередня передача сигналів з виходу на вхід не забезпечить балансу фаз. Ця задача вирішується шляхом зустрічного вмикання колекторної та базової обмоток. В результаті загальний фазовий зсув у замкнутому колі підсилювач – ланка зворотного зв'язку дорівнює нулю, що забезпечує виконання умови балансу фаз. Частота генерації визначається частотою резонанса контура за виразом: f =1/ 2π

Високі технічні показники мають LС – автогенератори гармонічних коли­вань, в яких використані як підсилювальні ланки операційні підсилювачі. В зв'язку з надлишковістю коефіцієнта підсилення таких підсилювачів є мож­ливість, крім позитивного зворотного зв'язку через частотно–ви6ірковий ре­зонансний контур, вводити досить глибокий негативний зворотний зв'язок, що суттєво підвищує ста6ільність частоти вихідних коливань.

9.2.2 Низькочастотні rс –генератори

Т ехнічні характеристики LС – автогенераторів у діапазоні низьких частот суттєво знижуються, оскільки непомірно з6ільшуються індуктивність і ємність коливального контура. Це призводить до з6і­льшення омічного опору обмотки котушки і струмів витоку конденсатора, зниженню до6ротності коливального контура і ста6ільності частоти автогенератора. Тому в автогенераторах гармонічних коливань низькочастотного діапазону для забезпечення умов самозбудження використовують частотно–ви6іркові кола з елементів R та С.

На відміну від резонансної частоти f₀ коливального LС – контура для частотно–ви6іркових RС – кіл частоту f₀ , на якій забезпечуються умови самозбудження, називають квазірезонансною частотою. Такі автогенератори називають RС – генераторами. За га6аритними і ваговими характеристиками в області частот від частин герца до десятків кілогерц вони мають значні переваги перед LС–­автогенераторами.

Структурна схема RС – автогенератора аналогічна схемі, показаній на рис.1.8. Для того, щоб із всього можливого спектра частот автогенератор гене­рував лише одну гармонічну складову, частотно-вибіркові RC - кола повинні забезпечити умови самоз6удження генератора на вибраній частоті. Для цього використовують два типи таких схем. Перший тип – RC – схеми, які забезпечують необхідний зсув за фазою (баланс фаз ) тільки на квазірезонансній частоті. Це фазуючі або фазообертальні схеми. Другий тип – це схеми, за допомогою яких відбувається селективне підсилення сигналів, а відтак – баланс амплітуд на заданій частоті, як в LC- генераторах.

Рис.9.2. Трьохелементна

фазообертальна ланка

Я к фазообертальні використовують кола, що складаються з простих Г – подібних RС – ланок (трьох або чотирьох). На рис. 9.2 зображена триланкова схема, так звана R– паралель. Стала часу кожної ланки однакова τ = RC. Використовують різні співвідношення між параметрами елементів (α), але так, щоб стала часу, яка визначає квазірезонансну частоту залишалась незмінною. Якщо α = 1, ємність конденсаторів та опір резисторі відповідно однакові, а квазірезонансна частота визначається за виразом: f₀ =1/ 2π RC . При цьому R-паралель зменшує амплітуду вихідного сигналу в 29 разів, що обумовлює необхідність забезпечення коефіцієнту підсилення не менша 29 (умова балансу амплітуд). Необхідний коефіцієнт підсилення можливо зменшити до 14,5 та 13, якщо α=2 або 3. При цьому С₂ = С₁ /α; R₂ = αR₁; C₃ = C₁/α²; R₃ =α²R₁.

Принципова електрична схема RC-генератора на польовому транзисторі з фазообертальною ланкою подана на рис.9.3. Польовий транзистор з керувальним р-п переходом дозволяє для забезпечення початкового стану використати елементи автоматичного зміщення R5, С4 (розділ 5.3.). Вхід ланки підключається безпосередньо до виходу підсилювача, який визначається опором резистора в колі стоку (R4). Для виключення впливу ланки на режим підсилювача необхідно забезпечити співвідношення R_вх.лан >> R_{вих.під}., що необхідно враховувати при виборі величини резисторів на етапі розрахунку квазірезонансної частоти. Одночасно слід враховувати наступне. Ми розглядаємо генератори діапазону низьких частот, де опір конденсаторів суттєво зростає, що викликає зменшення коефіцієнту передачі ланки на квазірезонансній частоті. Тому при проектуванні генераторів такого типу необхідне значення слід забезпечувати за рахунок збільшення ємностей конденсаторів при зменшенні опору резисторів. Як варіант вирішення сформованої задачі в розділі 9.6.1 досліджується генератор з фазообертальною ланкою та каскадом узгодження – підсилювачем на біполярному транзисторі за схемою СК (емітерним повторювачем).

Д ля забезпечення балансу амплітуд підсилювач повинен забезпечувати коефіцієнт підсилення не менше 29. Таку задачу значно простіше реалізувати за допомогою операційних підсилювачів.

Для вивчення та засвоєння процесу перетворення сигналів за допомогою фазообертальної схеми рекомендую провести модулювання та дослідження, сформовані в завдані 9.6.1.

Д ля побудови другого типу RC-генераторів використовують послідовно-паралельну частотно-вибіркову ланку – міст Віна (рис.9.4). Така схема забезпечує значне загасання електричних сигналів в області низьких та високих частот і лише на квазірезонансній частоті коефіцієнт передачі суттєво зростає (рис.9.5). Така схема є нульовим фазообертачем і не вносить зсув за фазою, що дозволяє баланс фаз досягати шляхом її безпосереднього вмикання в коло позитивного зворотного зв`язку. Квазірезонансна частота визначається за виразом: f₀ = w₀ /2π = 1/2π ; коефіцієнт передачі: K_U = U_вих / U_вх =1/(1+R₁/ R₂+C₁ /C₂ ).

Часто R₁=R₂=R і C₁=C₂=С,тому маємо: f₀ =1/2πRC; K_U =1/3. Тобто, для виконання умови балансу амплітуд достатнім є коефіцієнт передачі підсилювача більше трьох.

Для побудови RC-генераторів такого типу доцільно використовувати операційні підсилювачі.

Принципова електрична схема подана на рис.9.6. Частотно-вибіркова ланка (R1, C1, R2, C2 ) ввімкнена в коло позитивного зворотного зв`язку між виходом ОП та його неінвертувальним входом, тому загальний фазовий зсув за за­мкненою петлею дорівнює нулю, що забезпечує баланс фаз. Коефіцієнт підсилення ОП з великим перевищенням створює умови для виконання балансу амплітуд. Таким чином виконуються умови самозбудження генератора.

Н а відміну від резонансного LC - контура RC – схема з нульовим фазовим зсувом має суттєво меншу добротність, що може забезпечити баланс амплітуд в деякому діапазоні частот. В результаті на виході формується складний сигнал, який відрізняється від необхідного гармонійного – однієї гармоніки з частотою квазірезонанса. Щоб забезпечити на виході допустимі нелінійні спотворення (виключити вищі гармонійні складові) та сформувати чисто синусоїдальний сигнал, в коло негативного зворотного зв`язку вмикається подільник напруги R3, R4, R5. За допомогою потенціометра результуючий коефіцієнт підсилення ОП регулюється таким чином, щоб баланс амплітуд відбувався лише на вершині АЧХ , на частоті квазірезонанса. Зверніть увагу на таку можливість при дослідженнях, описаних в розділі 9.6.1.