Покровский / УМК ОРЭ ч.1(для студентов) / Радиоэлектроника(часть1) / Ответы(часть1)№28и31

Автогенераторы - 3 -

АВТОГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

В данной главе рассмотрены методы и устройства создания электрических колебаний, когда внешний источник колебаний отсутствует. Такие устройства называют автоколебательными системами, или системами с самовозбуждением, а возникшие в них сигналы — автоколебаниями. В общем случае процесс полу­чения переменных напряжений и токов требуемой формы и частоты называется генерированием электрических колебаний.

ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Прежде чем приступить к анализу автогенераторов (автоколебательных сис­тем), сформулируем основные понятия. Устройства, предназначенные для соз­дания электрических колебаний, называют генераторами. С точки зрения режима работы их разделяют на автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением.

Автогенератор (часто, просто генератор) устройство, преобразующее энер­гию постоянного тока в энергию электрических колебаний требуемой частоты и формы.

Генератор с внешним возбуждением (в импульсной технике — ждущий ге­нератор) переходит в режим генерации, формирования, или усиления электри­ческих колебаний только при поступлении на его вход сигналов возбуждения (запуска).

В зависимости от формы вырабатываемых напряжений различают генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. Генератор гармониче­ских колебаний (к ним относятся и генераторы СВЧ колебаний) вырабатывает сиг­нал, в спектре которого присутствует практически одна гармоника. Выходные коле­бания релаксационного генератора содержат широкий спектр гармонических со­ставляющих, часто имеющих соизмеримые амплитуды. Можно отметить и генера­торы линейных пилообразных напряжений, которые относятся к релаксационным. Особую группу представляют автогенераторы случайных колебаний (сигналов) — шумовые генераторы, рассматриваемые здесь схематично.

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического выпол­нения автогенератор любых перечисленных колебаний (кроме параметри­ческих схем) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи (ОС) и источника питания постоянного тока. Форма и частота выходных колебаний определяется только параметрами самого автогенератора, между тем как в генераторе с внешним возбуждением амплитуда и частота колебаний навя­зываются извне.

Генератор гармонических колебаний должен обязательно содержать узкополос­ную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов осно­ван на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях положительной обратной связи.

Самовозбуждение генератора

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора гармонических колебаний. Для процесса возбуждения и генерации колебаний часть их мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подается на его вход по цепи поло­жительной ОС. Говоря другими словами, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний можно упрощенно трактовать следующим образом. При запуске в колебательной системе автогенератора самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжений в усилительном приборе и т. д. Благодаря специально введенной цепи положительной ОС, часть энергии ко­лебаний, возникающих на выходе усилителя, поступает на его вход. Ввиду наличия узкополосной (обязательно высокодобротной) колебательной системы описанные процессы происходят на одной частоте ω_р и резко затухают на других частотах.

Вначале, после включения питания автогенератора, усиление сигнала проис­ходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, суще­ственную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента. В результате амплитуда выходных колебаний генератора, нарастая, достигает некоторого установившегося уровня и остается практически неизменной. Энер­гия, отбираемая у источника постоянного тока усилителем схемы за один пери­од колебаний, оказывается равной энергии, расходуемой за то же время в на­грузке. В этом случае говорят о стационарном режиме работы автогенератора.

Автогенератор гармонических колебаний (как, впрочем, и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 5.1), состоящей из нелинейного усилителя с комплексным коэффициентом усиления K = K(jω) и цепи положи­тельной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению β = β(jω). В представленной схеме ге­нератора отмечены комплексные амплитуды следую­щих напряжений: входного - ; выходного - и обратной связи - .

Выражение для напряжения ОС на любой частоте генерации со запишем в виде

Тогда выходное напряжение U_вых = KU_вх, или с учетом (5.1):

Как следует из соотношения (5.2), автогенератор будет работать в стацио­нарном режиме при условии, что

Если же Kβ > 1, то амплитуда выходных колебаний будет непрерывно на­растать, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора.

Представим формулу (5.3) следующим образом:

Здесь и - действительные значения коэффициента уси­ления собственно усилителя (без цепи положительной ОС) и коэффициента передачи цепи положительной ОС; и - фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепью положительной ОС на теку­щей частоте ω.

В теории автогенераторов выражение (5.4) принято представлять в виде двух равенств:

где K_ос - коэффициент усиления усилителя с ОС; параметр n = 0,1,2,3, ....

Соотношение (5.5) определяет условие баланса амплитуд в автогенераторе. Из него следует, что в стационарном режиме на генерируемой частоте коэф­фициент усиления усилителя с обратной связью K_ос равен единице.

Равенство (5.6) характеризует условие баланса фаз. Оно показывает, что в стационарном режиме суммарные фазовые сдвиги сигнала на частоте генера­ции, создаваемые усилителем и цепью положительной ОС, должны быть рав­ны (или кратны) 2π. Следует отметить, что только условие баланса фаз по­зволяет определить частоту генерируемых колебаний.

В схемах автогенераторов гармонических колебаний, работающих в стацио­нарном режиме, соотношения (5.5) и (5.6) выполняются на одной фиксирован­ной частоте ω_р, которая является резонансной для узкополосной колебательной системы. При работе автогенератора негармонических колебаний условия (5.5) и (5.6) должны выполняться для некоторой полосы частот.

Наиболее часто в автогенераторах гармонических колебаний в качестве узко­полосных колебательных систем используются резонансные LC-контуры и частотно-зависимые (фазирующие) RC-цепи. Автогенераторы гармонических ко­лебаний с упомянутыми резонансными контурами называют LC-генераторами, а с фазирующими RC-цепями — RC-генераторами. LC-генераторы способны выра­батывать колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), a RC-генераторы используются для создания гармонических колебаний низ­кочастотного диапазона (от десятков кГц до единиц и даже долей Гц).

Литературный источник: [1] страницы 315-317.