книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

Напряжение с суммарной частотой не используется и отфильтро­ вывается, так что на выходе имеется лишь напряжение с разностной частотой

Uвых (t) = U0 cos (со0 — oij t.

Очевидно, что, плавно изменяя частоту coj, можно изменять разностную частоту в любых пределах — от десятков герц до десят­ ков килогерц. Напряжение с частотами ниже 5—10 гц получать нецелесообразно. Это объясняется нестабильностью работы генера­ торов, частота которых непрерывно флюктуирует с периодом в доли — единицы секунд и в каждом генераторе независимо.

Рис. 103.

Для генерирования синусоидальных колебаний звуковых и ин­ фразвуковых частот применяются генераторы с RC фильтрами в цепи положительной обратной связи. В качестве RC фильтра наиболее часто применяются: а) полосовые фильтры типа моста Вина, име­ ющие на частоте квазирезонанса нулевой фазовый сдвиг; б) режекторные фильтры типа двойного Т-образного моста, имеющие на частоте квазирезонанса (при соответствующем подборе элементов) фазовый сдвиг в 180°; в) многозвенные фильтры нижних и верхних частот, обеспечивающие на заданной частоте фазовый сдвиг в 180°.

каскадный усилитель с высоким входным и низким выходным сопро­

200

на частоте квазирезонанса является действительной положительной величиной, равной 1 / 3 .

Если коэффициент усиления К0 ^ 3, то при включении моста

Для того чтобы генерируемые колебания имели синусоидальную форму, коэффициент усиления должен быть точно равен 3. Но при этом самовозбуждение происходит очень медленно. Если Ко < 3, колебания не возникают. Поэтому в генератор вводят нелинейную отрицательную обратную связь, осуществляемую через терморези­ стор. При отсутствии генерации внутреннее сопротивление термо­ резистора велико, вследствие чего глубина отрицательной обратной связи мала и К0 3. Как только в генераторе возникнут колебания и на выходе появится переменное напряжение, внутреннее сопроти­ вление терморезистора уменьшается, глубина отрицательной обрат­ ной связи увеличивается и К о начнет уменьшаться, пока система не придет в состояние динамического равновесия, что наблюдается при К0 = 3.

Для построения низкочастотных генераторов применяются также двойные Т-образные мосты, у которых отношение одноименных продольных элементов к поперечным п <С 0,5.

При п = 0,2 сигнал на выходе моста сдвинут точно на 180е , а коэффициент передачи моста р (со) = — —. Если мост (рис. 103, 6)

с таким соотношением включить в цепь обратной связи усилителя, имеющего | К0 j :>= 11 и нечетное число каскадов (а следовательно, создающего собственный фазовый сдвиг в 180°), то в системе возник­ нут колебания на частоте квазирезонанса моста / р = l2nRC]~l, Генераторы также часто выполняются с использованием RC филь­ тров нижних и верхних частот, создающих на заданной частоте

фазовый сдвиг в 180° (рис. 103, в, г).

201

Коэффициент асимметрии RC фильтра а обычно выбирается в пределах от 1 до 10. В общем случае, чем больше а, тем меньший коэффициент усиления требуется для нормальной работы генератора и тем лучше форма генерируемого синусоидального напряжения. По часто в генераторе удобнее применять все три одинаковые сопро­ тивления R и конденсатора С, что достигается при а = 1.

Стабильность частоты RC генераторов определяется стабиль­ ностью параметров применяемых резисторов, конденсаторов и усили­ тельных элементов. Применяя резисторы и конденсаторы с малыми температурными коэффициентами (ТКС, ТКЕ) и охватывая усили­ тели глубокой отрицательной обратной связью, можно получить стабильность порядка А = 10~4 град - 1 . Если необходима более высокая стабильность частоты, то применяются генераторы с квар­ цевыми резонаторами и делители частоты.

Плавное изменение частоты достигается применением переменных резисторов в RC цепях. При этом для перестройки частоты в 2—5 раз необходимо изменять синхронно все резисторы. Для перестройки в небольших пределах (30—50%) достаточно изменить один из рези­ сторов.

В RC генераторах можно осуществлять электронную перестройку частоты. Для этого резисторы в RC цепях должны быть заменены электронными лампами или транзисторами, внутреннее сопротивле­ ние которых зависит от режима работы.

На рис. 103, д приведена схема перестраиваемого генератора. Перестройка осуществляется с помощью полевых транзисторов типа КП103, внутреннее сопротивление которых изменяется от еди­

не только вручную, но и автоматически. Например, если на затворы транзисторов подавать пилообразное напряжение, то получится генератор качающейся частоты. Такого типа генераторы приме­ няются в приборах для изучения частотных характеристик, в анали­ заторах спектров периодических сигналов, в частотных модуляторах и т. д.

§64. Релаксационные генераторы

Вотличие от генераторов гармонических колебаний, глубина положительной обратной связи в которых сравнительно мала и обрат­

ная связь лишь компенсирует потери в колебательном контуре, в релаксационных генераторах применяется 100-процентная положи­ тельная обратная связь. Это приводит к тому, что колебательный процесс в генераторе уже не происходит гармонически — в колеба­ тельный контур вводится энергии больше, чем расходуется. Вслед­ ствие этого в контуре происходит накопление энергии и в системе возникают релаксационные (разрывные) колебания.

Релаксационные колебания имеют форму, близкую к прямо­ угольной, что объясняется большой амплитудой колебаний в кон-

202

туре. Поэтому используемые в генераторе усилительные элементы работают то в режиме насыщения, то в режиме запирания, причем переход из одного состояния в другое происходит скачком. Частота и форма генерируемых релаксационных колебаний определяются не только параметрами колебательного контура, но и параметрами электронной схемы.

В релаксационных генераторах обычно применяют апериоди­ ческие цепи, поэтому большинство релаксационных генераторов имеют минимальное время перехода от состояния запирания в состо­ яние насыщения (и наоборот). Это время определяется шириной

жений; в) генераторы пилообразных напряжений (рис. 104).

Для получения импульсных напряжений наиболее часто при­ меняются блокинг-генераторы, выполняемые в виде однокаскадных

в начальный момент напряжение коллекторного питания равно нулю и плавно увеличивается до значения UK. Поскольку начальный ток базы равен нулю, в коллекторной цепи будет протекать малый ток / к 0 , обусловленный тепловыми электронами. Это положение не является устойчивым — достаточно случайного увеличения коллекторного тока, например в результате флюктуации, как положение резко

скольку э. д. с. приложена к переходу база — эмиттер в прямом направлении, появляется ток базы / б , что еще больше увеличивает ток коллектора. Это снова приводит к увеличению наводимой э. д. с , а следовательно, к еще большему увеличению тока базы. В итоге ток базы увеличивается настолько, что транзистор переходит в режим

203

насыщения, после чего дальнейшее увеличение тока п цепи кол­ лектора невозможно. Вследствие этого напряжение на вторичной обмотке и ток базы также не увеличиваются. Конденсатор Сб в базо­ вой цепи при этом оказывается заряженным до напряжения Uc m a x

«UK.

Состояние насыщения не является устойчивым и долго продол­ жаться не может. Как только ток коллектора перестанет увеличи­

приложенным в полярности: плюс на базу, минус на эмиттер, что приводит к запиранию транзистора.

В запертом состоянии транзистор находится до тех пор, пока конденсатор Сб не разрядится. Разряд конденсатора происходит через резистор R6 и вторичную обмотку L 6 трансформатора. По­ скольку индуктивность Ьб мала, основную роль в процессе разряда

Как только напряжение на конденсаторе С б уменьшится на­ столько, что через транзистор снова начнет протекать ток, вступает в действие положительная обратная связь и процесс повторяется снова.

Период генерируемых колебаний определяется параметрами RC цепи и зависит от режима работы и типа применяемого транзистора

Длительность импульсов определяется параметрами трансформа­ торов, внутренним сопротивлением R0 транзистора в режиме насы­ щения и величинами R6 и Сб. Если Д б > Ro, а индуктивность обмоток трансформатора велика, то

204

Если блокинг-генератор выполнен на электронной лампе или полевом транзисторе, то период генерируемых колебаний опре­ деляется как

где UCo — напряжение запирания усилительного элемента. Существует множество различных вариантов конкретного выпол­

нения импульсных генераторов, имеющих повышенную стабильность частоты генерируемых колебаний, более прямоугольную форму выходного напряжения и т. д. В частности, на рис. 106, а приведена схема импульсного генератора с оптической обратной связью. При

ЗИ301А

Рис. 106.

подключении источника питания начинается зарядка накопитель­ ного конденсатора С через фоторезистор ФР. Ток заряда создает падение напряжения на резисторе R2 в отпирающей полярности для перехода база — эмиттер транзистора Т1, что приводит к увеличению коллекторного тока. Это увеличивает свечение светодиода СД, в ре­ зультате чего уменьшается сопротивление фоторезистора и ток заряда конденсатора еще более увеличивается и т. д. В итоге тран­ зистор переходит в режим насыщения, светодиод излучает макси­ мальный световой поток, внутреннее сопротивление фото резистора минимально, напряжение на конденсаторе С приближается к макси­

(или ток заряда станет недостаточным для поддержания транзистора в режиме насыщения), начнется процесс запирания транзистора: уменьшается коллекторный ток, уменьшается свечение светодиода, увеличивается сопротивление фоторезистора и т. д. В итоге тран­ зистор окажется полностью запертым напряжением, имеющимся на конденсаторе С. В запертом состоянии транзистор будет нахо­ диться до тех пор, пока конденсатор не разрядится, после чего снова повторится весь цикл. Таким образом, процесс генерации протекает практически так же, как и в обычном блокинг-генераторе.

205

Генераторы импульсных напряжений также выполняются на уси­ лительных элементах с отрицательным сопротивлением: тиратронах, тиристорах, туннельных диодах. Например, на рис. 106, б приведена схема тиристорного генератора импульсов. При включении источ­ ника питания начинается заряд конденсатора С1. Как только напря­ жение достигнет определенного уровня, зависящего от типа тири­ стора и сопротивления резистора R1, происходит включение тири­ стора и конденсатор разряжается. Как только ток разряда станет меньше тока поддержания лавинных процессов, тиристор выклю­ чается и процесс повторяется. Напряжение на выходе имеет вид коротких положительных импульсов прямоугольно-экспоненциаль­ ной формы.

Для получения прямоугольных импульсов, следующих с частотой

При подаче на коллектор напряжения питания 0,2—0,4 в тун­ нельный диод работает в режиме отрицательного сопротивления. Поэтому, если последовательно с туннельным диодом включена индуктивность, в схеме возникнут релаксационные колебания.

Плавное изменение частоты в импульсных генераторах дости­ гается изменением величины времязадающего резистора R или напряжения запирания усилительного элемента С/С о .

Для генерирования прямоугольных напряжений применяются генераторы с двумя усилительными элементами (рис. 107, а), работа­ ющими в режиме переключения: когда один заперт, другой открыт (и наоборот). Генераторы прямоугольных напряжений обычно назы­ ваются мультивибраторами и выполняются на лампах, тиратронах, биполярных и полевых транзисторах, тиристорах, динисторах и тун-

206

нельных диодах. Для упрощения различения мультивибратора в сложных радиоэлектронных схемах их принято изображать в виде симметричной схемы с перекрестными связями.

В частности, на рис. 107, б приведена схема мультивибратора на полевых транзисторах. Когда к мультивибратору подключено напряжение питания, начинает протекать ток через транзисторы и одновременно начинают заряжаться конденсаторы С1 и С2. По­ скольку абсолютной симметрии схемы добиться практически не­ возможно, токи через транзисторы и токи заряда конденсаторов оказываются разными. Пусть, например, ток заряда конденсатора С1 оказался больше, чем зарядный ток С2. Это приводит к тому, что на резисторе R1 падает большее напряжение, чем на резисторе R2. Так как падение напряжения на этих резисторах приложено к затво­ рам транзисторов в отпирающей полярности, это означает, что в ле­ вом транзисторе ток оказывается больше, чем в правом, что приводит к уменьшению зарядного тока конденсатора С2, потому что, пройдя

Уменьшение зарядного тока конденсатора С2 приводит к умень­ шению тока транзистора Т2, что еще больше увеличивает ток заряда конденсатора С1. В какой-то момент времени заряд конденсатора С2 совсем прекращается и начинается его разряд через транзистор Т1 н сопротивление R2. При этом падение напряжения на резисторе R2 меняет знак и становится запирающим. Это в итоге приводит к запи­ ранию транзистора Т2 и полному отпиранию транзистора Т1.

Это положение не является устойчивым — как только конденса­ тор С2 несколько разрядится и ток разряда уменьшится настолько, что падение напряжения на резисторе R2 будет уже недостаточным для запирания транзистора Т2, в нем начнет протекать ток. Напря­ жение на его стоке уменьшится и конденсатор С1 начнет разряжаться через транзистор Т2 и резистор R1. При этом ток разряда создает падение напряжения на резисторе R1 с полярностью: плюс на за­ твор, минус на исток. Поэтому ранее открытый Т1 начнет запираться, что приведет к еще большему открыванию Т2, а следовательно, к еще большему запиранию Т1. В итоге Т1 окажется полностью запертым, а Т2 — полностью открытым. Это положение также не является устойчивым и процесс становится циклическим. Процессы переброса схемы из одного состояния в другое совершаются весьма быстро (определяясь в основном инерционностью процессов в транзисторах, их усилительной способностью и паразитными емкостями схемы). Поэтому форма выходного напряжения приближается к прямо­ угольной.

Период генерируемых колебаний определяется параметрами времязадающих RC цепей и параметрами транзисторов:

207

Для уменьшения зависимости генерируемой частоты от изменений напряжения источника питания на затворы (базы) транзисторов подают напряжение смещения в отпирающей полярности. В ча­ стности, на рис. 107, в приведена схема симметричного мультивибра­ тора с начальным смещением на базах. Период генерируемых коле­ баний

в широких пределах путем изменения напряжения смещения (напря­ жения отсечки) или одновременным изменением сопротивлений обоих времязадающих резисторов. Управляемые мультивибраторы используются как частотно-импульсные модуляторы и преобразова­ тели «напряжение — число». На рис. 107, г приведена схема мульти­ вибратора с оптическим управлением частотой колебаний: при изме­ нении входного сигнала V\ (t) изменяется яркость свечения свето­ диода СД, что приводит к изменению сопротивления времязадающих фоторезисторов и, следовательно, к изменению частоты генериру­ емых колебаний.

Генераторы пилообразных напряжений (токов) находят широкое применение в радиоэлектронике в качестве генераторов развертки электронно-лучевых осциллографов, в модуляторах и кодирующих устройствах, в схемах задержки и блоках запаздывания и т. д.

Для получения пилообразного (линейно изменяющегося) напря­ жения применяют схемы, основанные на заряде конденсатора неиз­ менным по величине током. При этом напряжение на конденсаторе С нарастает по линейному закону Uc (t) = kU0t, в то время как при заряде конденсатора через резистор R напряжение нарастает не-

208

Неизменность зарядного тока i3 (t) = const может быть достиг­ нута, если производить заряд через нелинейный элемент. В частности, если использовать транзистор (у которого коллекторный ток мало зависит от изменения напряжения), можно получить на конденсаторе линейно изменяющееся во времени напряжение.

Рис. 108.

Схема простейшего генератора пилообразного напряжения при­ ведена на рис. 108, а. При подключении к схеме источника питания начинается заряд конденсатора С2 неизменным по величине током через транзистор 77. Напряжение на конденсаторе будет линейно нарастать во времени до тех пор, пока не включится тиристор Т2. После этого произойдет разряд конденсатора по экспоненциальному закону (рис. 108, б), тиристор выключится и цикл повторится. Момент включения тиристора можно изменять с помощью рези­ стора- R2, меняя ток в цепи управляющего электрода. Резистор R3 необходим для ограничения тока и выключения тиристора. Гене­ раторы пилообразного напряжения с самовозбуждением применяются относительно редко (ввиду весьма большой нестабильности частоты). Более широко используются сложные генераторные устройства, состоящие из стабилизированного генератора импульсов и точного интегратора (рис. 108, в).

Упражнения к главе X V

1.Какая из схем транзисторных генераторов (рис. 100) имеет большую стабильность частоты?

2.Чем обусловлены флюктуации частоты в генераторах?