Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Основы электроники для специальности 1-53 01 04 Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами

ИУ характеризуется добротностью Q.

На рисунке 2.80 показаны АЧХ избирательных усилителей с различными добротностями Q.

Рисунок 2.80 – АЧХ с различными добротностями Q

При увеличении Q возрастает Кu усилителя на резонансной частоте и уменьшается полоса его пропускания, т.е. ИУ будет обладать лучшими избирательными свойствами.

Низкочастотные ИУ

В качестве RC-фильтров в избирательных усилителях могут использоваться различные RC-цепи, у которых коэффициент передачи 0 в диапазоне полосы пропускания от fн до fв .

Широкое применение в этих усилителях нашёл двойной Т- образный мост (рисунок 2.81).

Рисунок 2.81 - Принципиальная электрическая схема низкочастотного ИУ с

двойным Т-образным мостом.

Значение коэффициента передачи Uос /Uвых резко зависит от частоты. При f 0 ; 1, т. к. на очень низких частотах сопротивления

конденсаторов становятся малыми и всё напряжение передаётся на вход усилителя через «нижний» одинарный Т- образный мост (C, R/2, C).

112

На квазирезонансной частоте f0 1/(RC) ; 0 , т. к. на этой частоте

каждый из одинарных Т-образных мостов имеет равные по модулю и противоположные по фазе коэффициенты передачи и их выходные токи

взаимно компенсируются, так что Uос 0 .

Коэффициент усиления избирательного контура с двойным Т- образным мостом в цепи обратной связи определяется через параметры усилителя и цепи

113

Тема 2.12. Генераторы гармонических колебаний

Генератором гармонических колебаний называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности [6].

Классификация генераторов:

1)В зависимости от генерируемой частоты: а) низкочастотные (0,01…100 кГц); б) высокочастотные (0,1…300 МГц);

в) сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц).

2)по способу возбуждения колебаний:

а) с независимым возбуждением; б) автогенераторы или генераторы с самовозбуждением.

В структурную схему автогенератора (рисунок 2.82) входят два блока: усилитель с коэффициентом усиления Ku и звено положительной обратной связи с коэффициентом передачи β.

Рисунок 2.82 - Структурная схема автогенератора

Коэффициент усиления Ku усилителя и коэффициент передачи звена обратной связи β принимаются комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, на интегральных микросхемах и т.д.

Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи (LC-контуры и RC-четырехполюсники). Входным сигналом для усиления является часть выходного напряжения усилителя, передаваемая звеном положительной обратной связи на вход усилителя.

Стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды входных и выходных напряжений имеют неизменные значения, будет возможен при выполнении условия, называемого условием

самовозбуждения: Кu . β = 1, которое следует из соотношений

Uвых = Ku Uвх

Uвх = β Uвых.

Тогда Uвых = β Ku Uвых.

Условие самовозбуждения можно представить в виде:

114

|Ku| eiφ |β| eiψ = 1,

где |Ku| , |β| – модули коэффициентов усиления и передачи соответственно; φ , ψ – аргументы этих коэффициентов.

Это равенство выполняется при следующих условиях:

1.|Ku| |β| = 1 – условие баланса амплитуд;

2.φ + ψ = 2πn – условие баланса фаз,

где n = 0, 1, 2, 3, …,

φ – фазовый сдвиг выходного напряжения усилителя; ψ – фазовый сдвиг выходного напряжения звена обратной связи.

Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стационарных устойчивых колебаний условие баланса амплитуд должно удовлетворять соотношению:

|Кu|.|β| ≥ 1. Физический смысл неравенства |Кu|.|β| ≥ 1 заключается в том, что сигнал, усиленный усилителем в |Кu| раз и ослабленный звеном обратной связи в |β| раз, возникает вновь на входе усилителя в той же фазе, но с большей амплитудой.

Условие баланса фаз означает, что сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2π, что свидетельствует о наличии в данном устройстве положительной обратной связи.

Для получения синусоидального (гармонического) напряжения необходимо, чтобы условия самовозбуждения генератора выполнялись только для некоторой частоты. С этой целью цепь ПОС должна обладать избирательными свойствами. Такие свойства имеют колебательный LC-контур и RC-цепи.

LC – автогенератор

В данном автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком (рисунок 2.83). Звеном обратной связи является катушка Lc, включенная в стоковою цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой Lк резонансного контура LкCк. Первоначально колебания в автогенераторе возникают из-за флуктуации тока в колебательном контуре или при подаче напряжения питания. По этим причинам при условии, что

колебания с частотой ω0 = 1/ Lк.Cк , которые при отсутствии положительной

обратной связи прекратились бы из-за потерь энергии в контуре.

Но при наличии положительной обратной связи этого не происходит, т.к. появившееся напряжение на контуре усиливается транзистором. Эти колебания через катушку Lс индуктивно связанную с катушкой Lк, вновь возвращаются в

115

колебательный контур. Размах колебаний постепенно возрастает, что соответствует условию |КU| |β| > 1.

Рисунок 2.83– Схема LC – автогенератора

По мере роста амплитуды напряжение в цепи затвора транзистора из-за нелинейности его амплитудной характеристики (участок ab на рисунке 2.84, б) начинает уменьшаться и соблюдается условие |Кu| |β| = 1.

При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует стационарному режиму работы автогенератора.

Рисунок 2.84 - Временная диаграмма автогенератора (а) и амплитудная

характеристика транзистора (б)

С помощью звена RзCз осуществляется создание отрицательного смещения Uз0 относительно истока.

Рассмотренная схема, в которой LC-контур включен последовательно с транзистором, имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что элементы LC-контура находятся под низким напряжением. Но такой генератор обладает низким КПД.

Высоким КПД и большей мощностью генерируемых колебаний обладает автогенератор, где LC-контур включен параллельно с транзистором по

116

отношению к источнику питания (рисунок 2.85). Такой генератор называется

генератором с параллельным питанием.

Рисунок 2.85 - Схема LC-автогенератора с параллельным подключением LC-контура (генератор с параллельным питанием)

Скачки напряжения и тока, появляющиеся в контуре LкCк при подключении к генератору источника питания Ес, через обмотку Lз передаются в цепь затвора полевого транзистора VT. Тогда за счет взаимоиндукции М между усилителем и колебательным контуром действует положительная обратная связь (ПОС). Конденсатор Ср предотвращает протекание через контур постоянной составляющей коллекторного тока, а дроссель Lр уменьшает шунтирование контура по переменному току внутренним сопротивлением источника питания Ес.

Баланс амплитуд в таком автогенераторе с трансформаторной связью достигается выбором необходимого коэффициента взаимоиндукции М (т.е. числа витков катушки Lз), а баланс фаз - правильным подключением концов катушки Lз (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к затвору транзистора и общей шине).

Для построения LC-генераторов гармонических колебаний удобно использовать интегральные усилители, например, операционные (рисунок 2.86).

Рисунок 2.86 - Схема LC-автогенератора на ОУ

Колебательный LС-контур включается между выходом ОУ и неинвертирующим входом, обеспечивая нужную ПОС. В цепь отрицательной обратной связи (ООС) для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний включают терморезистор R с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКR). Увеличение амплитуды колебаний вызывает уменьшение сопротивления терморезистора. При этом увеличивается глубина ООС, приводящая к уменьшению амплитуды колебаний.

117

В LC – генераторах, ввиду зависимости L и C колебательного контура и параметров транзистора от температуры наблюдается зависимость от температуры t° и частоты f. В условиях постоянства t° нестабильность частоты вызвана изменениями дифференциальных параметров транзистора в зависимости от изменения положения рабочей точки покоя усилительного каскада, что обуславливает необходимость его стабилизации.

Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности, который определяется по формуле:

δf = ∆f/f . 100%

где ∆f – абсолютное отклонение частоты от номинального значения f. Мерами, повышающими стабильность частоты генератора являются:

1)увеличение температурной стабилизации выбранного режима покоя усилительных каскадов;

2)применение специальных средств, компенсирующих температурные изменения частоты (например, введение в

колебательный контур конденсаторов с зависимой от температуры

емкостью).

При использовании в генераторах кварцевого резонатора (КР – колебательная система+пьезоэлемент) δf = 10-3…10-5 %

RC – автогенераторы

Для получения гармонических колебаний низкой частоты (от нескольких сотен КГц до долей Гц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратной связи используются RC – четырехполюсники. Такие автогенераторы называются RC–автогенераторами. Применение RC – четырехполюсников вызвано тем, что LC – контуры на таких частотах становятся громоздкими, а добротность их не удовлетворяет необходимым требованиям. RC – автогенераторы на низких частотах обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC – автогенераторы.

RC – автогенератор содержит усилитель и звено обратной связи в виде частотно-зависимой RC – цепи. Такие цепи представлены на рисунке 2.87:

118

1)цепь обратной связи сильно шунтирует конденсатор усиления,

вследствие чего снижается KU и нарушается условие баланса амплитуд;

2)генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к f0.

RC-генератор с мостом Вина легко выполнить на интегральном ОУ, включив избирательный мост Вина между выходом и неинвертирующим входом (рисунок 2.89). С помощью переменного резистора R4 можно изменять коэффициент усиления усилителя, добиваясь наименьших нелинейных искажений генерируемых колебаний.

Рисунок 2.89 - Схема RC–автогенератора с мостом Вина на операционном усилителе

120