9.1. Загальні відомості

Електронний генератор – пристрій, призначений для утворення періодичних коливань електричного струму. В залежності від форми сигналу на виході генератора розрізняють електронні та імпульсні генератори гармонічних коливань.

Періодичні коливання струму в електронному генераторі є автоколиваннями, постійність яких забезпечується джерелом напруги. Для отримання гармонічних коливань використовують додатний зворотний зв’язок.

У 1887 Генріх Герц на основі котушки Румкофа винайшов та побудував іскровий генератор електромагнітних хвиль.

У 1913 Александр Майснер (Німеччина) винайшов електронний генератор Майснера на ламповому каскаді зі спільним катодом із коливальним контуром у вихідному (анодному) колі з трансформаторним додатнім зворотнім зв’язком на сітку.

У 1914 Едвін Армстронг (США) запатентував електрон-ний генератор на ламповому каскаді із спільним катодом та коливальним контуром у вхідному (сітковому) колі з трансформаторним додатнім зворотним зв’язком.

У 1915 американський інженер із Western Electric Company Ральф Гартлі, розробив лампову схему, відому як генератор Гартлі, відому ще як індуктивна триточкова схема. На відміну від схеми Мейсснера, в ній використано автотрансформаторне увімкнення контуру. Робоча частота такого генератора зазвичай вища за резонансну частоту контура.

У 1919 Едвін Колпітц винайшов генератор Колпітца на електронній лампі з підключенням до коливального контуру через ємнісний подільник напруги. Схема отримала назву «ємнісна триточка».

Електронні генератори гармонічних коливань знайшли широке застосування в електроніці. Їх використовують у приладах для контролю складу і якості різних речовин, в установках для високочастотного нагрівання металів, сушіння і зварювання діелектриків, термічної обробки виробів тощо.

Електронні генератори гармонічних коливань класифікують за рядом ознак, основними з яких є частота і спосіб збудження.

Залежно від частоти генератори поділяють на:

• низькочастотні (0,01–100 кГц);

• високочастотні (0,1–100 МГц);

• надвисокочастотні (понад 100 МГц).

За способом збудження розрізняють генератори із зовнішнім збудженням і з самозбудженням. Останній вид генераторів називають автогенераторами. Генератори із зовнішнім збудженням є, по суті, підсилювачами потужності з відповідним частотним діапазоном, на вхід яких подаються електричні сигнали від автогенераторів.

Електронні генератори можуть працювати в кожному з режимів А, В або С, але зазвичай в них використовується режим С через можливість одержати найбільший ККД

9.2. Принцип отримання незатухаючих гармонійних коливань

Для вивчення фізичних основ процесу генерації звернемося до звичайного контуру з високою добротністю Q>> 1 (рис. 9.1). Якщо контуру повідомити деяку енергію, зарядив-ши, наприклад, конденсатор С (положення ключа 1), а потім відключити джерело і підключити конденсатор до контуру (положення ключа 2), то в контурі виникнуть вільні коливання.

Рис. 9.1. Схема коливального контуру

Відомо, що вираз для контурного струму i в квазіколе-бательном режимі (при Q> 0,5) має вигляд:

(9.1) де Е / w ₁ L – початкова амплітуда струму; δ = r/2L – коефіцієнт загасання контуру,

w₁= – частота власних коливань контуру; w ₀ = 1/ - резонансна частота контуру.

Коливання струму уму убувають по амплітуді за рахунок множника , тобто є згасаючими, оскільки опір контуру є позитивним. Для отримання незатухаючих коливань необхідно заповнювати втрати енергії, тобто вводити енергію в контур. Останнє можна трактувати як внесення в контур негативного опору r _(-) < 0 (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Введення в контур негативного опору

Якщо | r _(-) | = r, то

, (9.2) тобто амплітуда струму не змінюється. Це означає, що в контур вноситься стільки енергії, скільки втрачається на опорі r. Амплітуда коливань залежить при цьому від початкових умов (величини Е), що не відповідає визначенню автогенератора.

Якщо | r _(-) |> r,

то (9.3)

тобто амплітуда коливань зростає. Це означає, що в контур вноситься більше енергії, ніж втрачається на опорі r. Саме цей випадок використовується для створення генераторів. При цьому немає необхідності в первісної зарядці конденсатора С, тому що коливання будуть виникати від власних шумів, які практично завжди мають місце.

На рис.9.3. зображена структурна схема автогенератора, що складається із підсилювача з коефіцієнтом підсилення К і кола додатного зворотного зв’язку з коефіцієнтом зворотного зв’язку β. Коефіцієнти підсилення підсилювача і зворотного зв’язку є комплексними величинами, що залежать від частоти.

Рис. 9.3. Структурна схема

автогенератора

У якості підсилювача в автогенераторах можуть застосовуватися різні його різновиди: на транзисторах, інтегральних мікросхемах тощо. Елементом зворотного зв’язку є частотнозалежні кола: LC-контури і RС-чотириполюсники.

Якщо вважати, що напруги U_вх.m і U_вих.m близькі до гармо-нійних, то стаціонарний стійкий режим в автогенераторі, при якому амплітуди U_вх.m і U_вих.m мають незмінні значення, буде можливий тільки при виконанні умови, що називається умовою самозбудження:

(9.4)

Ці умови впливають із співвідношення:

(9.5)

Отже (9.6)

Вираз (9.1) можна представити у вигляді:

(9.7)

та – модулі коефіцієнтів підсилення і передачі відповідно підсилювача та кола зворотного зв’язку, а ψ і φ – аргументи цих

Умови (9.7) виконується за наступних рішень:

(9.8)

обо φ = -ψ + 2π. (9.10)

Вираз (9.8) називається умовою балансу амплітуд, а вираз (9.10) – умовою балансу фаз. Умова балансу фаз означає, що в стаціонарному режимі сума фазових зсувів вихідних напруг під-

силювача і кола зворотного зв’язку в автогенераторі дорівнює

нулю або цілому числу 2π що свідчить про наявність у розгля-

нутому пристрої додатного зворотного зв’язку.

Умова балансу амплітуд свідчить про те, що втрати енергії в автогенераторі поповнюються колом додатного зворотного зв’язку від джерела живлення автогенератора. Для одержання стаціонарних стійких коливань в автогенераторі умова (9.8) повинна відповідати співвідношенню:

(9.11)

Процес виникнення коливання в автогенераторі розгля-немо на прикладі пристрою, схема якого зображена на рис.9.4.

Рис. 9.4. Схема LC- автогенератора

У цьому автогенераторі підсилювач зібраний на польовому транзисторі і увімкнений за схемою із спільним витоком. Колом зворотного зв’язку є котушка L_З, увімкнена в стокове коло транзистора і індуктивно зв’язана з котушкою L_к резонансного контура L_кC_к.

Спочатку коливання в автогенераторі виникають або через флуктуацію струму в транзисторі, коливальному контурі або при подачі напруги живлення. Еквівалентний активний опір контура R_ек, що визначає активні втрати визначається за формулою:

(9.12)

де ρ – хвильовий опір контура.

В процесі роботи з’являються слабкі коливання із частотою:

(9.13)

які при відсутності додатного зворотного зв’язку повинні були б припинитися через втрати енергії в контурі. Але при наявності додатного зворотного зв’язку цього не відбувається. Дійсно, напруга u_к, що з’являєтья на контурі підсилюється транзистором. Ці коливання через котушку LЗ, індуктивно зв’язану з котушкою L_к, знову повертаються в коливальний контур. Розмах коливань поступово наростає (рис.9.4), що відповідає умові

В міру зростання амплітуди напруги в колі затвора підсилювача через нелінійність його амплітудної характерис-тики (ділянка ab на рис. 9.6) коефіцієнт підсилення починає зменшуватися і добуток

стає рівним одиниці.

а) б)

Рис. 9.6. Процес виникнення електричних коливань в

автогенераторі:

а) графік вихідної напруги; б) амплітудна характеристика.

При цьому з’являються коливання з постійною і автома-тично підтримуваною на необхідному рівні амплітудою, що відповідає сталому стаціонарному режиму автоколивань.

9.3. LC-автогенератори

LC-автогенератор (рис.9.5) в якому LC-контур вмика-ють як ланку додатного зворотного зв’язку.

Такий автогенератор досить часто застосовується в пристроях електроніки. Для створення коливального контура, налаштованого в резонанс, необхідно, щоб реактивні провід-ності паралельних гілок контура при ідеальних конденсаторах і котушках індуктивностей були рівні.

Рис. 9.5. LC-автогенератор

LC-автогенератори можна реалізувати на операційних підсилювачах, логічних елементах, та лампах.

Зміну частоти автоколивань можна здійснювати зміною ємності конденсатора С коливального контура або – зміною індуктивності котушки коливального контура L.

Часто в якості конденсатора коливального контура використовують варикап, ємність якого змінюється шляхом зміни постійної напруги, яка подається на варикап, що значно спрощує зміну частоти автоколивань.

На рис. 9.6. зображена схема LC-автогенератора з автотрансформаторним зворотним зв’язком.

Частота генерації змінюється конденсатором С_х. У цій схемі індуктивність L_БЕ по змінному струмі включена між базою і емітером, індуктивність L_КЕ – між колектором і емітером, а ємність С_К – між колектором і базою.

Таким чином, правило побудови індуктивної трьохточки виконано і, значить, виконується фазовий умова самозбудження. Конденсатор С_Б запобігає безпосередній зв’язок джерела Е_К з базою транзистора по постійному струму. Конденсатор С_БЛ шунтує джерело живлення по змінному струмі, виключаючи втрати енергії на його внутрішньому опорі. Конденсатор С_Р поділяє генератор і його навантаження по постійному струму.

U_вих

Рис. 9.6. LC- автогенератор з автотрансформаторним

зворотним зв’язком.

LC-автогенератори створюються і на операційних підси-лювачах, але на частотах, не вищих 15 МГц. Це пояснюється тим, що операційні підсилювачі на частотах понад 15 МГц мають, як правило, коефіцієнт підсилення, що дорівнює одиниці. Принципова схема такого автогенератора зображена на рис.9.7. Резистори R₁ і R₂ створюють коло від’ємного зворотного зв’язку. Резонансний LC-контур увімкнений як ланка додатного зворотного зв’язку.

Рис. 9.7. LC-автогенератор на ОП

9.4. RC-автогенератори

На низьких і середніх частотах хорошим джерелом синусоїдальних коливань з малим рівнем спотворень служить генератор з мостом Вина (рис.9.8). Ідея його полягає в тому, щоб створити підсилювач зі зворотним зв’язком, що має зсув фази 0° на потрібній частоті, а потім відрегулювати петлеве посилення таким чином, щоб виникли автоколивання.

Рис. 9.8. RC-автогенератор з мостом Вина

Для гарантованого порушення автогенератора за будь-яких коливаннях параметрів підсилювача і ланцюги ПОС петлеве посилення повинно бути дещо більшим, ніж одиниця. Після виникнення автоколивань їх амплітуда стабілізується, в кінцевому рахунку, на такому рівні, при якому за рахунок нелінійного елемента в петлі коефіцієнт посилення знижується до одиниці. Згадана нелінійність проявляється в амплітудної характеристиці ОУ.