3.4. Генераторы Генераторы гармонических колебаний Принцип работы генератора гармонических колебаний

Генераторы гармонических колебаний осуществляют преобразование энергии источника питания постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Они выполняются на основе усилителей со звеном положительной частотно-зависимой обратной связи, обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на заданной частоте (рис. 4.1 а).

Частотно-зависимая обратная связь обычно выполняется на основе пассивных или- цепей, поэтому .

Из конструктивных соображений на высоких частотах в основном применяются LC- генераторы, на низких -RC- генераторы, а на инфранизких частотах более эффективныRLиRLM– генераторы.

а)

б)

Рис. 4.1. Структурная схема генератора и частотные характеристики цепи обратной связи.

Для работы схемы в режиме генерации необходимо выполнение двух условий. Первое – фазовый сдвиг, создаваемый усилителем и звеном обратной связив сумме должны быть кратными:

, (4.1)

где n = 0,1,2,3….. целые числа.

Это условие баланса фаз. Второе условие вытекает из уравнения для коэффициента передачи усилителя, охваченного положительной обратной связью

, (4.2)

где s– оператор Лапласа.

Из уравнения (4.2) следует, что для самовозбуждения схемы необходимо, чтобы

. (4.3)

В установившемся режиме для устойчивой генерации колебаний необходимо, чтобы

. (4.4)

Это условие баланса амплитуд, которое достигается благодаря насыщению какого-либо элемента схемы. Для уменьшения искажений формы колебаний стабилизацию амплитуды входного напряжения осуществляют введением в схему генератора специальных нелинейных элементов, а также отрицательных обратных связей.

Генераторы lc-типа

Генераторы LC– типа используют резонансные свойства параллельного колебательного контура, обладающего узкополосной частотной характеристикой (рис.4.1б), который включается в цепь обратной связи.

Частота генерации определяется частотой настройки f_oколебательного контура, когда его сопротивление является чисто активным. Выполнение условия баланса фаз (4.1) для частотыf_oобеспечивается изменением фазового сдвига, вносимого обратной связью при отклонении генерируемой частоты от резонансной. Выполнение условия баланса амплитуд (4.4) обеспечивается тем, что коэффициент передачи обратной связи на резонансной частотеf_o имеет максимальное значение, а также уменьшением коэффициента передачи транзистора при увеличении амплитуды колебаний.

Наиболее распространенные схемы LCгенераторов на однокаскадных транзисторных усилителях приведены на рис. 4.2.

Усиление обеспечивает транзисторный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером. Резисторы предназначены для задания точки покоя (обеспечения работы транзистора в режимеА) и температурной стабилизации. Конденсаторобеспечивает увеличение усиления каскада по переменному току. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора, и в случае чисто активной нагрузки находится в противофазе с входным сигналом т.е.. Таким образом, для выполнения условия баланса фаз (4.1) звено обратной связи на резонансной частотеf_oдолжно осуществлять сдвиг фазы сигнала, передаваемого на вход усилителя, на 180^о.

В схеме на рис.4.2 ачастотозадающий колебательный контур образуется емкостьюСи индуктивностьюпервичной обмотки трансформатора с числом витковW_к. Сигнал обратной связи снимается со вторичной обмотки трансформатора с числом витковW_ос. Через разделительный конденсаторсигнал обратной связи, снимаемый со вторичной обмотки, подается на вход транзистора. Конденсаторвыбирается так, чтобы его емкостное сопротивление на частоте генерации было значительно меньше индуктивного сопротивления вторичной обмотки трансформатора и входного сопротивления транзистора.

Условие баланса амплитуд для данной схемы принимает вид

,

где - коэффициент трансформации;- коэффициент усиления транзисторного каскада по напряжению.

При условии, что индуктивная связь обмоток сильная, из условия баланса амплитуд можно найти соотношение числа витков трансформатора, необходимое для возникновения генерации

,

где - индуктивности первичной обмотки и обмотки обратной связи соответственно.

Рис.4.2. Схемы реализации генераторов на однокаскадных транзисторных усилителях.

Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура.

(4.6)

Сигнал обратной связи может быть снят непосредственно с колебательного контура. В схемах таких генераторов индуктивность колебательного контура выполнена секционированной (рис. 4.2 б), поэтому такой генератор иногда называют “индуктивной трёхточкой”. Сигнал обратной связи определяется напряжением на всей индуктивностиW_к. Требуемая фаза этого сигнала определяется тем, что напряжения на секцияхW_ос иW_котносительно общей точки, подключенной к+U_пит, находятся в противофазе. На вход транзистора сигнал с секцииW_кподается через разделительный конденсатор. Частота генерируемых колебаний определяется по формуле (4.6).