Режимы самовозбуждения автогенераторов.

Чтобы выявить Особенности самовозбужденияавтогенератора и определить стационарную выходных колебаний, наиболее удобно использовать метод совместного анализа (предложен автором) амплитудной характеристики собственно усилителяКи прямой линии обратной связи β=U_ОС/U_выхотражающей влияние цепи положительной ОС (рис. 11). Отметим, что амплитудная характеристика собственно усилителя в теории автогенераторов соответствуетколебательной характеристике.Сущность метода традиционна и заключается в том, что схему автогенератора (рис. 9) мысленно (и по существу) разделяют на две цепи: линейную и нелинейную. Линейная цепь представляет собой петлю положительной ОС, а нелинейная цепь — собственно усилитель (ОУ и цепь отрицательной ОС).

Рис. 11.Графики амплитудной характеристики и линии обратной связи при мягком режиме самовозбуждения автогенератора

Обратимся к типовому виду амплитудной характеристики нелинейного усилителя, созданного на ОУ (11). Из нее следует, что при малой амплитуде входного напряжения усилитель работает в линейном режиме и U_ВЫХ/ U_ВХ = К. С ростом же этой амплитуды начинает проявляться нелинейность передаточной характеристики ОУ, и коэффициент усиления К (а, значит, и выходное напряжение) будет практически постоянным и даже может уменьшаться. Напряжение обратной связи Uoc = Uвх линейно связано с выходным напряжением Uвых и определяется коэффициентом передачи цепи положительной ОС β (ведь Uoc= β Uвых). Это напряжение действует на входе усилителя, поэтому линия обратной связи (зависимость Uвых от Uoc) проводится на том же графике в виде прямой линии β расположенной под углом γ = arctg(l/ β) к оси абсцисс (рис. 11).

Стационарную амплитуду автоколебаний можно определить по координатам точки пересечения амплитудной характеристики усилителя с линией обратной связи (точка А на рис. 11). Нетрудно показать, что точка А является точкой устойчивого равновесия, и при случайном отклонении амплитуды выходного напряжения от стационарного значения U_СТ автогенератор всегда возвращается в исходное состояние. Допустим, что амплитуда выходного напряжения Uвых уменьшилась относительно Uст на величину ΔUвых. Это вызовет снижение напряжения обратной связи Uoc на значение ΔUос, что, в соответствии с амплитудной характеристикой, в свою очередь, приведет к увеличению выходного напряжения. При этом выходное напряжение будет расти до стационарного значения U_СТ, а нестабильность напряжения обратной связи ΔUос уменьшится до нуля.

Несложный анализ графиков амплитудной характеристики и линии обратной связи позволяет пояснить также возникновение, развитие и установление колебательного процесса в автогенераторе. Графически результат анализа показан стрелками на рис. 11. Положим, что на вход усилителя воздействует небольшое входное напряжение Uвх1. Тогда после усиления в K раз на выходе генератора появится напряжение Uвых1. Это напряжение, ослабленное цепью положительной ОС в β раз, поступает на вход усилителя виде напряжения Uвх2.Оно затем, в свою очередь, усилится до напряжения Uвых2. Подобный процесс будет протекать до тех пор, пока амплитуда выходного колебания не достигнет стационарного значения, при котором выполняется условие баланса амплитуд (12).

Рис.12. Зависимость амплитуды U_СТот коэффициента передачи βпри мягком режиме самовозбуждения автогенератора

Исследуем влияние величины коэффициента передачи цепи положительной ОС β на режим самовозбуждения автогенератора с типом амплитудной характеристики собственно усилителя, показанной на рис. 12. Кстати заметим, что изменение величины коэффициента передачи β в схеме рис. 9 можно, согласно формуле (1), осуществлять либо регулировкой величины сопротивления резистора R, либо изменениемкоэффициента включенияколебательного контура (неполным включением).

Если плавно увеличивать коэффициент передачи β (уменьшать наклон линии β), то, начиная с некоторого критического значения β кр, амплитуда стационарного колебания Uст будет нарастать (рис. 11 и 12). Такой режим самовозбуждения автогенератора называют мягкий.

Для его обеспечения амплитудная характеристика усилителя должна выходить из нуля и иметь достаточно большой угол наклона к оси абсцисс в начале координат. Мягкий режим характерен тем, что подбором величины коэффициента передачи β можно установить любую, даже очень небольшую (близкую к уровню шумов), стационарную амплитуду выходных колебаний. В мягком режиме самовозбуждения на выходе автогенератора возникают колебания при появлении на входе его усилителя очень малых уровней шумовых или импульсных напряжений.

Другая картина наблюдается в процессах в автогенераторах, амплитудная характеристика усилителя которых имеет S-образную форму (рис. 13,а). Такой амплитудной характеристикой обладает усилитель, при расположении его рабочей точки на нелинейном участке передаточной характеристики ОУ.

Рис. 13.Жесткий режим самовозбуждения:

а —графики амплитудной характеристики и линии обратной связи;б—зависимость амплитудыUст от коэффициента передачи β

Для самовозбуждения этих автогенераторов требуется очень сильная положительная ОС, и выходные колебания возникают мгновенно — скачком.

Очень резкое самовозбуждение автогенератора происходит при значении коэффициента передачи цепи ОС β = β₁, когда линия обратной связи (линия 1) касается снизу амплитудной характеристики в точке 0. Генерация колебаний срывается скачком при величине коэффициента передачи β, меньшей β₂, когда линия обратной связи (линия2на рис. 13,а)становится касательной к выпуклой части амплитудной характеристики. На графиках рис. 13,аточкаАотражает стационарный режим работы автогенератора, а точкаС—режим неустойчивого равновесия. Такое положение объясняется следующим образом. При амплитудах выходных колебаний автогенератора, располагающихся на графиках ниже точки С, колебания затухают, а при амплитудах колебаний, находящихся выше точки С, — будут нарастать, и достигнут стационарной амплитуды в точкеA.

Чтобы вновь возбудить автогенератор, необходимо опять увеличить коэффициент передачи β до значения β₁, соответствующего положению линии 1. Такой режим самовозбуждения автогенератора называютжестким.На рис. 13,бпоказана зависимость стационарной амплитудыU_СТот величины коэффициента передачи цепи положительной ОС, причем стрелками показано направление изменения β.

Жесткий режим самовозбуждения автогенератора считается нежелательным и применяется крайне редко.