Тема 7 електронні генератори Генератори синусоїдальних сигналів. Умови самозбудження автогенератора (баланс фаз та баланс амплітуд)
Генератор – це пристрій, що перетворює енергію джерела постійного струму на незатухаючі коливання необхідної форми, частоти і потужності.
За принципом роботи розрізняють три типи генераторів:
• генератори LС типу;
• генератори RС типу;
• генератори на базі елементів з негативним опором (на базі тунельних діодів).
За принципом виникнення коливань розрізняють генератори із самозбудженням (автогенератори) і генератори із зовнішнім збудженням, які по суті є підсилювачі потужності.
По формі вихідних коливань розрізняють:
• генератори гармонійних (синусоїдних) коливань;
• генератори несинусоїдних коливань (прямокутної, пилкоподібної та інші);
За діапазоном генерованих частот генератори поділяються так:
Тип генератора |
Діапазон частот |
Низькочастотні (НЧ) Високочастотні (ВЧ) Надвисокочастотні (НВЧ) |
Від 0,01 Гц до 100 кГц Від 100 кГц до 100 МГц Від 100 МГц і вище |
Генератор (рис.1) – це замкнута в кільце система. Кільцева схема виконується так, що в ній діє додатний зворотний зв’язок (ДЗЗ).
Основними елементами автогенератора є:
активний елемент – підсилювач із коефіцієнтом підсилення К;
частотно-вибірний чотириполюсник із коефіцієнтом передачі β.
Рисунок 1. Структурна схема автогенератора
Коефіцієнт
підсилення підсилювача із позитивним
зворотним зв’язком: 
Де
– відповідно комплексний коефіцієнт
передачі підсилювача і ланки зворотного
зв’язку.
Якщо
,
тоді
.
Отже,
–
умова збудження генераторів, або
Так
як
–
величини комплексні, то їх можна виразити
наступним чином:
.
Тоді
можемо записати так:
Із комплексного виразу випливає, що необхідно забезпечити дві умови збудження генераторів:
–
умова
балансу фаз, де n=0,1,2,3...
–
умова
балансу амплітуд.
LC-генератора з трансформаторним зворотним зв'язком
Будь-яка схема транзисторного автогенератора типу LС складається із наступних елементів:
• коливальний контур, в якому генеруються незатухаючі коливання;
• джерело електричної енергії, за рахунок якого в контурі підтримуються незатухаючі коливання;
• транзистор (біполярний або польовий), за допомогою якого регулюється подача енергії від джерела в контур;
• елемент зворотного зв'язку, за допомогою якого здійснюється подача збудженої енергії із вихідного кола у вхідне;
На рисунку представлена схема транзисторного LС-генератора. Така схема називається генератором з трансформаторним зв’язком і використовується в області високих частот.
Рисунок 1. Транзисторний автогенератор із трансформаторним зв’язком
Елементи R1, R2 призначені для забезпечення необхідного режиму каскаду за постійним струмом (так як і в підсилювачах). Елементи RЕ, СЕ забезпечують термостабілізацію режиму роботи каскаду за постійним струмом. За допомогою конденсатора СБ заземлюється один кінець базової котушки LВ.
В момент ввімкнення джерела ЕК в колекторному колі транзистора з’являється струм ІК, яким заряджається конденсатор СК коливального контуру. Так як до конденсатора приєднана котушка LК, то після заряду конденсатор починає розряджатись через котушку LК.
В результаті обміну енергією між конденсатором і котушкою в контурі виникають коливання, частота яких визначається параметрами контура і рівна:
=
Змінний струм контура, проходячи через котушку LК, створює навколо неї змінне магнітне поле. Внаслідок цього в котушці зворотного зв’язку LБ, яка ввімкнена в коло бази транзистора, наводиться змінна напруга тієї ж частоти, з якою проходять коливання в контурі. Ця напруга спричинює пульсацію струму колектора, в якому появляється змінна складова.
Змінна складова колекторного струму поповнює втрати енергії в контурі, створюючи на ньому підсилену транзистором напругу. В свою чергу це призводить до нового зростання напруги на котушці LБ, яке знову приведе до зростання амплітуди змінної складової колекторного струму.
Проте це зростання колекторного струму не може відбуватися до безконечності, воно обмежується лінійною ділянкою вихідної характеристики транзистора.
Для виникнення незатухаючих коливань в контурі автогенератора необхідне виконання двох основних умов самозбудження.
Розглянемо першу умову – баланс фаз.
Умова балансу фаз означає, що в установленому режимі роботи сума фазових зсувів вихідних напруг підсилювача і ланки зворотного зв’язку в автогенераторі рівна нулю або цілому числу 2π, тобто наявність позитивного зворотного зв'язку.
Друга умова самозбудження генератора – баланс амплітуд. Під цією умовою розуміють, що глибина додатного зворотного зв’язку повинна бути такою, щоби втрати енергії в контурі повністю поповнювалися.
Схема автогенератора індуктивної триточки
В електронній апаратурі широке застосування отримали так звані триточкові схеми з індуктивним та ємнісним зв'язком.
В приведених схемах генераторів підсилювальний каскад виконаний на транзисторі VT з схемою із СЕ. Елементами R1, R2 забезпечується режим роботи транзистора за постійним струмом, а елементи RЕ і СЕ забезпечують його термостабілізацію.
Рисунок 1. Схема автогенератора з триточковим індуктивним 33 (схема Хартлея)
За змінним струмом високої частоти коливальний контур приєднаний до трьох електродів транзистора — емітера, бази, колектора — трьома точками: Е, Б, К.
В схемі, приведеній на рис. 1, вивід від відповідного витка контурної котушки приєднаний до емітера транзистора через малий внутрішній опір джерела живлення.
В схемі рис. 1 («індуктивна триточка») напруга зворотного зв’язку знімається з частини витків контурної котушки (Lb) і через конденсатор СР1 поступає на базу транзистора. Так як знаки миттєвих значень напруг на Lb і Lk відносно середньої точки зсунуті між собою по фазі на 180°, а підсилювальний каскад на VT повертає фазу ще на 180°, то зворотний зв'язок буде позитивним і умова балансу фаз виконується.
Схема автогенератора ємнісної триточки
В електронній апаратурі широке застосування отримали так звані триточкові схеми з індуктивним та ємнісним зв'язком.
В приведених схемах генераторів підсилювальний каскад виконаний на транзисторі VT з схемою СЕ. Елементами R1, R2 забезпечується режим за постійним струмом, а елементи RЕ і СЕ забезпечують його термостабілізацію.
Рисунок 1. Схема автогенератора з триточковим ємнісним зворотним зв’язком
За змінним струмом високої частоти коливальний контур приєднаний до трьох електродів транзистора — емітера, бази, колектора — трьома точками: Е, Б, К.
В схемі автогенератора рис. 1, («ємнісна триточка»), коливальний контур, який складається із індуктивної котушки LК і послідовно з’єднаних конденсаторів С1, С2 увімкнений паралельно до вихідного кола підсилювального елементу. Напруга зворотного зв'язку знімається з конденсатора С2 відносно загального провідника і подається на вхід транзистора через конденсатори СР1 і СЕ, обходячи коло джерела живлення. Напруга на конденсаторах С1 і С2 відносно їх спільної точки знаходиться в противофазі і тому зворотний зв’язок є додатним.