Министерство образования Республики Беларусь УО «Брестский государственный политехнический колледж»

Основы электроники и микроэлектроники

Раздел 4. Основы электронной схемотехники

Тема 4.9 Генераторы ><синусоидального ><напряжения

4.9.1 Структурная схема автогенератора. ><Условия ><самовозбуждения

<Генератором>< ><синусоидального,>< ><или ><гармонического,>< ><напряжения>< ><(ГСН) ><называют ><электронное ><устройство, ><преобразующее ><электрическую ><энергию ><источника ><постоянного ><тока ><в ><энергию ><незатухающих ><электрических ><колебаний ><синусоидальной ><формы.>

<Различают ><ГСН ><с ><внешним, ><или ><независимым, ><возбуждением ><и ><с ><самовозбуждением. ><ГСН ><с ><внешним ><возбуждением – ><–– ><это ><резонансные ><усилители, ><работающие ><в ><режиме ><больших ><амплитуд. ><ГСН ><с ><самовозбуждением, ><называемые ><обычно ><автогенераторами, ><представляют ><со><бой ><автономные ><электронные ><устройства, ><в ><которых ><гене><рирование ><электрических ><колебаний ><происходит ><благодаря ><выполнению ><условии ><самовозбуждения. ><Автогенераторы, ><как ><правило, ><применяются ><в ><качестве задающих ><генераторов, ><колебания ><которых могут ><могут><использоваться ><для ><возбуждения ><следующего, ><более ><мощного ><каскада ><или ><генератора ><с ><внешним ><возбуждением.>

<В ><зависимости ><от ><частоты ><генерируемых ><колебаний ><ГСН ><подразделяются ><на ><низкочастотные ><(от ><10 ><Гц ><до ><100 ><кГц), ><высокочастотные ><(от ><100 ><кГц ><до ><100 ><МГц) ><и ><сверхвысокочастотные ><(свыше ><100 ><МГц).>

<По ><виду, ><используемого ><в ><ГСН ><частотно-избирательного ><четырехполюсника ><различают ><LC><-генераторы ><и ><RC-><генераторы ><синусоидального ><напряжения.>

<Любой ><автогенератор ><электрических ><колебаний ><представляет >< >< ><собой >< >< ><усилитель, >< >< ><охваченный >< >< ><цепью >< >< ><положи><тельной ><обратной ><связи ><(рисунок ><8.1).>< ><При ><ПОС ><часть выход><ного ><напряжения U_ос ><U ><через ><цепь ><ПОС ><поступает ><на ><вход ><усилителя ><в ><фазе ><с ><входным ><напряжением, ><обеспечивающим заданное >><><><><значение >< U_вых. ><Чтобы ><амплитуда ><выходного напряжения ><><не ><изменилась, ><должно ><быть ><выполнено ><усло><><><вие U_ос = U_вх. ><Так ><как >< U_вх = U_вых /К_u ><и >< >< U_ос = U_вых, ><><><><то из равенства U_ос = U_вх ><><><><><><><><><следует>< >< U_вых = U_вых/ К_u, >< ><или

>

К_u = 1 (8.1)

Рисунок 8.1 – Структурная схема автогенератора

<Уравнение ><(8.1)>< ><является ><условием ><существования >><незатухающих ><электрических ><колебаний. ><Ему соответствуют>< ><два ><уравнения:>

К_u = 1, (8.2)

<отражающее >< ><баланс >< ><амплитуд >< ><в >< ><автогенераторе, >< >< ><и

>

_u + _ = 2n (8.3)

<отражающее >< ><баланс >< ><фаз, >< ><в >< ><котором n = 0,>< ><><1, ><2, >< ><3, >< >< ><...>

<Уравнение ><(8.1)>< ><требует ><от ><усилителя ><такого ><коэффи­><циента ><усиления, ><при ><котором ><полностью ><компенсируются ><потери >< ><напряжения, >< ><поступающего ><через >< ><цепь ><ПОС.>

<Уравнение ><(8.3) ><определяет ><условие, ><при ><котором ><в ><замкнутой ><системе ><(усилитель><-f ><цепь ><ПОС) ><обеспечи­><вается ><ПОС.>

<Следует ><отметить, ><что ><уравнение ><(8.2) ><справедливо для >>><установившегося, ><или ><стационарного, ><режима ><работы ><автогенератора. ><При ><проектировании ><автогенератора ><должно ><быть ><выполнено ><условие >< К_u ><> ><1. ><В ><этом ><случае ><при ><подаче ><на ><автогенератор ><напряжения ><питания ><любые ><сколь ><угодно ><малые ><напряжения ><на ><входе ><(например, ><напряжения ><шумов) ><будут ><вызывать ><возрастающие ><по ><амплитуде ><выходные ><напряжения. ><По ><мере ><увеличения ><U_вых ><вследствие ><нелинейности ><амплитудной ><характери­><стики ><усилителя ><его ><коэффициент ><усиления ><К_u ><будет ><уменьшаться, ><и ><стационарное ><состояние ><установится ><при К_u = 1.>

<В ><зависимости ><от ><вида ><амплитудной ><характеристики ><усилителя ><различают ><мягкий ><(рисунок ><8.2, ><а) ><и ><жесткий ><(рисунок 8><.2, ><б) ><режимы ><самовозбуждения. ><На ><рисунке ><8.2 ><кри­><вая ><К_и ><отражает ><зависимость ><выходного ><напряжения ><усилителя ><от ><входного, ><поступившего ><по ><цепи ><ПОС, ><а ><пря­><мая ><  ><зависимость ><входного ><напряжения ><усилителя ><от ><выходного.>

<При ><мягком ><режиме ><самовозбуждения ><для ><возникно­><вения ><электрических ><колебаний ><в ><генераторе ><необходимо ><и ><достаточно ><выполнение ><условий ><(8.2) ><и ><(8.3).>< ><При ><жестком ><режиме ><самовозбуждения, ><кроме ><этих ><условий, ><для ><возникновения ><колебаний ><в ><первоначальный ><момент на входе усилителя необходимо задать напряжение U_вх > U_вх1.

Рисунок 8.2 – Амплитудные характеристики автогенератора с мягким (а) и жестким (б) режимами самовозбуждения

Для получения синусоидального выходного напряжения необходимо, чтобы условия (8.2) и (8.3) выполнялись только для некоторой одной частоты. С этой целью цепь ПОС должна обладать избирательными свойствами. Такие свойства, как известно, имеют параллельный колебательный LC-контур (последовательный контур применяется очень редко) и RC-цепи.

4.9.2 LC-автогенераторы

Существует множество схем LC-генераторов, которые отличаются между собой способами включения колеба­тельного контура и создания ПОС. На рисунке 8.3, а приве­дена схема автогенератора с индуктивной трансформаторной (схема Майснера) ПОС. Скачки напряжения и тока, появляющиеся в контуре L_кC_к при подключении к генератору источника питания Е_к, через обмотку L_б передаются в базовую цепь транзистора VT. Обмотка трансформатора Т включена таким образом, что возникающая при этом переменная составляющая коллекторного тока усиливает переменную составляющую контурного тока т.е. за счет взаимоиндукции М между усилителем и колебательным контуром действует ПОС. Конденсатор С_р предотвращает протекание через контур постоянной составляющей коллекторного тока, а дроссель L_д уменьшает шунтирование контура по переменному току внутренним сопротивлением источника питания Е_к.

Рисунок 8.3 – Схемы транзисторных LC-автогенераторов с индуктивной трансформаторной (а) и автотрансформаторной (б) связью

Баланс амплитуд в автогенераторе с трансформаторной связью достигается выбором необходимого коэффициента взаимоиндукции М (т.е. числа витков катушки L_б), а баланс фаз – правильным выбором концов катушки L_б (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к базе транзистора и общей шине).

Рисунок 8.4 – Обобщенная трехточечная схема автогенератора

Вместо трансформаторной в автогенераторе может использоваться автотрансформаторная обратная связь (рисунок 8.3, б). Такая схема называется трехточечной, так как колебательный контур подключается к усилителю тремя точками. Обобщенная трехточечная схема автогенератора по переменному току показана на рисунке 8.4. Характер элементов Х₁, Х₂ и Х₃ колебательного контура определяется из условий баланса фаз и амплитуд. При этом возможны два случая:

если Х₁ имеет индуктивный характер, то сумма реактивных сопротивлений Х₂ и Х₃ должна носить емкостный характер;

если Х₁ имеет емкостный характер, то сумма реактивных сопротивлений Х₂ и Х₃ должна носить индуктивный характер.

В обоих случаях сопротивление суммы Х₂ + Х₃ должно равняться сопротивлению Х₁.

Характер реактивности элемента Х₂, с которого снимается напряжение ОС, должен быть таким же, как и у элемента Х₁. Только в этом случае ОС будет положительной.

Схему автогенератора, у которого Х₁ и Х₂ – индуктивные катушки, а Х₃ – конденсатор, называют индуктивной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой (схемой Хартли). Схему автогенератора, у которого Х₁ и Х₂ – конденсаторы, а Х₃ – катушка индуктивности (рисунок 8.5), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой (схемой Колпитца).

Во всех рассмотренных типах автогенераторов ча­стота генерируемых колебаний в основном определяется элементами контура

(8.4)

Для автогенератора, выполненного по емкостной трехто­чечной схеме, под С_к следует понимать емкость С1 х С2/(С1 + С2).

Для построения LC-генераторов гармонических коле­баний удобно использовать интегральные усилители: однокаскадные, дифференциальные, операционные и др. На рисунке 8.6 показан вариант возможной реализации LC-генератора синусоидальных напряжений па интегральном ОУ. Колебательный контур LC включается между вы­ходом ОУ и неинвертирующим входом, обеспечивая нуж­ную ПОС. В цепь ООС для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний включают терморезистор R с отрицательным TKС. Увеличение амплитуды колебаний вызывает уменьшение сопротивления терморезистора. При этом увеличивается глубина ООС, приводящая к уменьшению амплитуды колебаний.

Рисунок 8.5 – Транзисторный LC-автогенератор, выполненный по схеме «емкостная трехточка»

Рисунок 8.6 – Схема LC-автогенератора на ОУ

4.9.3 RC-автогенераторы

На частотах менее 50 кГц вследствие увеличения требуемых значений L и С увеличиваются размеры катушек конденсаторов и одновременно ухудшается добротность колебательного контура и стабильность его пара­метров. Поэтому на низких частотах вместо LC-автогенераторов обычно используют RС-автогенераторы, которые в этом диапазоне частот, особенно в нижней его части, обладают существенными преимуществами.

Частотно-зависимыми четырехполюсниками используемые RС-генераторах, являются Г-образные RC-цепи (рис. 1.20, а, 1.21, а), двойная Г-образная цепь, или мост Вина (рисунок 1.22, а), Т-образные мосты RC (рисунок 23, а, б) и двойной Т-образный мост (рисунок 1,24, а). Из этих четырехполюсников наибольшее применение в RC-генераторах нашли мост Вина и двойной Т-образный мост.

Рисунок 8.7 – Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики моста Вина, используемого в транзисторном RC-генераторе (в)

На рисунке 8.7 а, б показаны передаточная (АЧХ) и фазочастотная характеристики моста Вина. Из рисунка видно, что на некоторой частоте f₀, называемой частотой квазирезонанса, коэффициент передачи моста Вина оказывается вещественной величиной с максимальным значением β₀ = 1/3 и нулевым фазовым сдвигом _β = 0⁰. Так как один каскад усиления вносит фазовый сдвиг _u = 180⁰, то для получения нулевого фазового сдвига на число инвертирующих каскадов (рисунок 8.7, в). Для выполнения условия баланса амплитуд (8.2) на частоте квазирезонанса усилитель должен иметь коэффициент усиления К_и 3. Так как в двухкаскадном усилителе можно получить К_и >> 3, то это позволяет ввести в усили­тель, кроме положительной, отрицательную ОС, обеспе­чиваемую элементами R_э1 и R3. Введение в цепь ООС терморезистора R3 с отрицательным TKR позволяет осуществить стабилизацию амплитуды генерируемых ко­лебаний. Действительно, увеличение амплитуды, вызван­ное различными факторами, вызывает увеличениие тока через резистор R3. При этом сопротивление его умень­шается, что приводит к увеличению напряжения ООС, создаваемого на R_э1 и уменьшению коэффициента усиле­ния усилителя.

Обычно элементы моста Вина выбираются из условий:

С1 = С2= С; R1 = R2 = R.

При этом частота генерируемых колебаний

(8.5)

Однако ввиду шунтирования резистора R2 входным сопротивлением усилителя и делителем в цепи базы тран­зистора VT1 условие Rl = R2 не выполняется. В резуль­тате генерируемая частота оказывается зависящей не только от значений элементов R1, R2, С1 и С2, но и от параметров усилителя, а коэффициент усиления усили­теля, при котором выполняется условие баланса ампли­туд, может существенно превышать значение 3.

RС-генератор с мостом Вина легко выполнить на ин­тегральном ОУ, включив избирательный мост Вина между выходом и неинвертирующим входом (рисунок 8.8). С по­мощью переменного резистора R4 можно изменять коэф­фициент усиления усилителя, добиваясь наименьших не­линейных искажений генерируемых колебаний.

RС-генератор с мостом Вина легко сделать перестраи­ваемым по частоте. Для этого вместо резисторов R1 и R2 следует использовать сдвоенный переменный резистор либо вместо конденсаторов С1 и С2 – сдвоенный блок конденсаторов переменной емкости.

Рисунок 8.8 – Схема RC-генератора на ОУ с мостом Вина

Рисунок 8.9 – Схема RC-генератора на ОУ с двойным Т-образным мостом

В качестве избирательного четырехполюсника RC-генератора используются также Т-образный или двойной Т-образный мост. На квазирезона некоей частоте f₀ = f_p коэффициент передачи двойного симметричного Т-образного моста (см. рисунок 1.24, б) равен нулю. Следовательно, нулю будет равен и фазовый сдвиг на этой частоте. При включении такого моста в цепь ООС усилителя на частоте f₀ напряжение ООС равно нулю и увеличивается по мере удаления частоты от квазирезонансной в ту или другую сторону. Следовательно, для построения RC-генератора с двойным Т-образным мостом мост необходимо включать в цепь ООС (рисунок 8.9). С помощью делителя R1R2 создается необходимая ПОС, при которой обеспечивается генерация на частоте f₀. Частота генерируемых колебаний определяется из выражения (8.5).