4.3. Автогенераторы типа rс

Применение генераторов с колебательными контурами (типа LC) для генерирования колебаний с частотами меньше 15—20 кГц затруд­нено и неудобно из-за громоздкости контуров. В настоящее время для этих целей широко используются генераторы типа RC, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RС-фильтры. Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габа­риты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких частот.

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний типа RC приведена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Структурная схема RC-генератора

Усилитель строится по обычной резистивной схеме. Для само­возбуждения усилителя, т. е. для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превы­шающую входное напряжение или рав­ную ему по величине и совпадающую с ним по фазе, иными словами, охватить усилитель положительной обратной связью достаточной глубины. При непо­средственном соединении выхода усили­теля с его входом происходит само­возбуждение, однако форма генерируемых колебаний будет резко отличаться от синусоидальной, поскольку условия самовозбуждения будут одновременно выполнять­ся для колебаний многих частот. Для получения синусоидальных ко­лебаний необходимо, чтобы эти условия выполнялись только на одной определенной частоте и резко нарушались на всех других частотах.

Рис. 4.6. Трехзвенные фазовращающие цепочки:

а – типа «R-параллель»; б – типа «C-параллель»

Эта задача решается с помощью фазовращающей цепочки, которая имеет несколько звеньев RC и служит для поворота фазы выходного напря­жения усилителя на 180°. Изменение фазы зависит от числа звеньев п и равно

В связи с тем что одно звено RC изменяет фазу на угол < 90°, ми­нимальное число звеньев фазовращающей цепочки п — 3. В практи­ческих схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепочки.

На рис. 4.6 изображены два варианта таких цепочек, получив­ших название соответственно «R-параллель» и «С-параллель». Час­тота генерируемых синусоидальных колебаний для этих схем при условии R1 = R₂ = R₃ = R и C_t = С₂ = С3 = С рассчитывается по следующим формулам: для схемы на рис. 4.6, а:

для схемы на рис. 4.6, б:

Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления уси­лителя должен быть равен затуханию, вносимому фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя, или превышать его.

Расчеты показывают, что для приведенных схем затухание

Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать синусоидальные колебания с частотой f₀ лишь в том случае, если коэф­фициент усиления усилителя превышает 29.

В фазовращающей цепи с одинаковыми звеньями каждое после­дующее звено оказывает шунтирующее действие на предыдущее. Для уменьшения шунтирующего действия звеньев и снижения затухания в фазовращающей цепи обратной связи могут применяться так назы­ваемые прогрессивные цепочки. В этом случае сопротивление рези­стора каждого последующего звена выбирается в tn раз больше сопро­тивления предыдущего звена, а емкости последующих звеньев во столько же раз уменьшаются:

Обычно величина т не превышает 4—5.

На рис. 4.7 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой.

С точки зрения обеспечения условия баланса фаз такой генера­тор можно было бы построить и на одном транзисторе (Т2) с общим эмиттером. Однако в этом случае цепочка обратной связи шунтирует резистор R_K усилительного транзистора и снижает его усиление, а малое входное сопротивление транзистора резко увеличивает затуха­ние в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т1.

Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содер­жит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включаю­щий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся неза­тухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают.

Автогенераторы с фазовращающими цепями обычно применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне. Диапазонные автогенераторы типа RC строятся несколько иначе. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Если усилитель поворачивает фазу входного сигнала на 2 (на­пример, усилитель, имеющий четное число каскадов), то при охвате положительной обратной связью достаточной глубины он может генерировать электрические ко­лебания без включения специальной фазовращающей цепочки. Для выделения требуемой частоты синусоидальных колебаний из всего спектра частот, генерируемых такой схемой, необходимо обеспечить выполнение условий самовоз­буждения только для одной частоты. С этой целью в цепь обратной связи может быть включена последовательно-параллельная избира­тельная цепочка, схема которой приведена на рис. 4.8.

Рис. 4.7. RC-генератор Рис. 4.8. Последовательно-параллельной

с фазовращающей цепью избирательная цепочка

обратной связи

Определим свойства этой цепочки, рассматривая ее как делитель напряжения.

Между выходным и входным напряжениями существует очевидная зависимость

Коэффициент передачи напряжения этой цепью

На квазирезонансной частоте w₀ коэффициент передачи напряжения должен быть равен действительному числу. Это возможно лишь в том случае, если сопротивления, выраженные соответствующей мате­матической записью в числителе и знаменателе последней формулы, будут иметь одинаковый характер. Данное условие обеспечивается лишь в том случае, если действительная часть знаменателя равна нулю, т. е.

Отсюда частота квазирезонанса

Что же касается коэффициента передачи напряжения, то на квази­резонансной частоте он равен

Подставляя в эту формулу значение ₀, получим

Считая R1 = R₂ = R и C₁ = С₂ = С, найдем окончательные значе­ния f₀ и ₀;

Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте, равно

Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть ра­вен 3. Очевидно, что это требование выполнить достаточно легко. Ре­альный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее К_о = 3. Поэтому целесообразно наряду с положитель­ной обратной связью ввести в усилитель отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время суще­ственно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого генератора приведена на рис. 4.9.

4.9. Схема транзисторного RC-генератора с перестройкой частоты

Терморезистор в цепи эмиттера транзистора Т1 пред­назначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Регулировка частоты осуществляется с по­мощью спаренного потенциометра R1R2.

В настоящее время дискретные элементы (транзисторы) достаточно редко используются для постоения генераторов. Чаще всего для этих целей применяют различные типы интегральных микросхем. Схемы, построенные на ОУ, перемножителях, компараторах и таймерах, отличаются простотой, стабильностью параметров, уни­версальностью. Гибкость и универсальность ОУ позволяют с минимальным количеством внеш­них компонентов создавать простые, но в то же время удобные при настройке и регулировке генераторы практически всех типов с удовлетворительными параметрами.

Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих RС-цепей. Суще­ствуют и другие способы генерирования синусоидальных колеба­ний, например фильтрацией импульсов треугольной формы или выделением первой гармонической составляющей прямоугольных импульсов.