1.4. Rс-генераторы

RC-генераторы являются автоколебательными системами, содержащими апериодический усилитель и частотно-зависимую цепь обратной связи из резисторов и конденсаторов. В них возбуждаются гармонические колебания, хотя колебательные системы типа LC-контуров или другие отсутствуют.

Усиление колебаний имеет место в широкой полосе частот, в которой на любой из частот может быть достигнут баланс амплитуд. Цепи обратной связи обеспечивают баланс фаз в узком интервале частот. А поэтому получаемые на выходе генератора колебания могут быть гармоническими.

RС-генераторы применяют для получения низкочастотных колебаний, когда образование колебательных контуров высокой добротности с приемлемыми габаритами связано с определенными трудностями. Распространение получили RС-генераторы двух разновидностей: с поворотом фазы напряжения в цепи обратной связи на угол л или —л (генераторы с фазосдвигающими цепочками) и подачей напряжения обратной связи, совпадающего по фазе с выходным (генераторы с мостом Вина).

В однокаскадном резисторном усилителе выходное напряжение сдвинуто относительно входного на угол л. Для образования на его базе автогенератора в цепи обратной связи необходимо осуществить фазовый сдвиг выходного напряжения на угол л или —л. Тогда будет достигнут баланс фаз и станет возможным возбуждение колебаний. Известно, что звено, включающее конденсатор и резистор при соединении их по схеме, изображенной на рис. 5.8, а, создает фазовый сдвиг на угол 1

Ф = arctg

/?Сш

а звено, соединенное по схеме, пред-

ставленной на рис. 5.8,6,— на угол 9 = arctg( — RCu>). Значение угла ф не превосходит л/2. Поэтому для получения фазового сдвига на угол л или —л необходимо

Рис. 5.8. Фазосдвигающие RС-цепи:

а — с опережением фазы выходного напряжения, б — с отставанием, в — R параллель,

г — С-параллель

иметь минимум три последовательно соединенных звена. Обычно цепь обратной связи содержит не более пяти звеньев. Применяются преимущественно фазосдвигающие цепи с одинаковыми сопротивлениями резисторов и одинаковыми емкостями конденсаторов в них, т. е. R\ =/?₂ = = ... = R_n = R, С\ = Сч = ... = С_п = С. В цепи, соединенной по схеме, приведенной на рис. 5.8, в (/^-параллель), получают фазовый сдвиг на угол л, а в цепи, собранной по схеме, данной на рис. 5.8, г (С-параллель),— на угол — л. От числа звеньев зависят частота генерируемых колебаний и требуемое усиление в периодическом усилителе (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Схема

Число звеньев

Формула для расчета частоты

Значение р

Требуе мое значение Ки

/^-параллель

С-параллель

0,0644

RC 0.133

RC 0,39

RC 0,19

RC

29 1

18,4 ]_ 29 1_

18Д

29 18,4

29 18,4

Для снижения затухания в фазовращающих /?С-цепях устанавливают прогрессивные цепочки. Сопротивления резисторов отвечают уровням Rz=mR\, R₃ = m²R2, ...,

емкости конденсаторов — соотношениям

С₂ = ^, С₃ =

148

—I,, ..., где т>\. Трехзвенная цепь (как А?-параллель,

так и С-параллель) характеризуется значением р « 1/11. Для построения генератора необходим усилитель с коэффициентом усиления Ки^И. Частота генерируемых колебаний для схемы /^-параллель рассчитывается по формуле

с___

2жд/3,44 RC

0.086 RC '

для схемы С-параллель /

^'3.44 2nRC

по формуле 0,295

RC

Усилительные каскады /?С-генераторов могут быть выполнены на полевых или биполярных транзисторах или на базе интегральных операционных усилителей. Вариант ^С-генератора с усилителем на полевом транзисторе (рис. 5.9, а) содержит фазосдвигающую цепь в виде трех

Рис 5.9 /?С-генераторы с фазосдвигающими цепочками на полевом транзисторе (а) и на операционном усилителе с нелинейной обратной

связью (б)

RC-звеньев, включенную между входом и выходом усилителя. Для возбуждения колебаний усилитель должен обеспечивать усиление в 29 раз. Цепь обратной связи шунтирует резистор R4, что влияет на коэффициент усиления в каскаде. При малой крутизне проходной характеристики транзистора возбуждения колебаний может не произойти из-за невыполнения условия баланса амплитуд.

На выходе усилителя отсутствуют фильтрующие цепи. Поэтому синусоидальная форма генерируемых колебаний может быть получена, если усилитель работает в линейном режиме и амплитуда напряжения на его выходе не превосходит определенного значения. Для выполнения этого условия /?С-генераторы дополняют цепями отрицательной обратной связи, причем обязательно с нелинейными элементами в них. По мере увеличения амплитуды выходного напряжения коэффициент передачи напряжения в цепи обратной связи должен возрастать. Только тогда возможно ограничение амплитуды выходного напряжения до уровня, необходимого для реализации линейного режима в усилителе.

Вариант образования нелинейной отрицательной обратной связи рассмотрим на примере /?С-генератора на операционном усилителе (рис. 5.9,6). Для достижения баланса фаз в нем фазосдвигающая цепь в виде трех /?С-звеньев включается между выходом и инвертирующим входом. Диоды VD1 и VD2 являются элементами цепи отрицательной обратной связи. При положительной полярности напряжения на выходе возможно воздействие выходного напряжения на инвертирующий вход усилителя через диод VD2, а при отрицательной его полярности — через диод VD1. Чтобы при малых амплитудах выходного напряжения это воздействие не проявилось, на диоды подаются запирающие напряжения: на диод VD1 — снимаемое с резистора R7, на диод VD2 -снимаемое с резистора R8. Когда амплитуда напряжения на выходе превосходит запирающее напряжение на диодах, происходит отпирание диода и напряжение отрицательной обратной связи поступает на инвертирующий вход усилителя. По мере увеличения амплитуды напряжения на выходе сопротивления диодов становится меньше и отрицательная обратная связь усиливается.

Существенным недостатком ^С-генераторов с фазо-сдвигающими цепями является сложность регулировки частоты колебаний, поскольку эта регулировка возможна путем изменения параметров большого числа элементов цепочки. Генераторы этого типа работают на фиксированной частоте или в крайнем случае в узком диапазоне частот.

Другая разновидность /?С-генераторов выполняется на базе двухкаскадных усилителей. В двухкаскадном резисторном усилителе с включением транзисторов по схеме с общим эмиттером фазовый сдвиг сигнала на выходе относительно входного составляет 2л. Если соединить выход усилителя с его входом через цепь с активным сопротивлением, будет выполняться условие баланса фаз. При соблюдении условия /C_up ^ 1 в устройстве возможны автоколебания различных частот и появление на выходе

150

Рис. 5.10. Мост Вина:

а — схема, б, в — амплитудно-частотная н фазочастотная характеристики

напряжения сложной формы. Для получения синусоидальных колебаний образуют последовательно-параллельную цепь обратной связи, называемую мостом Вина (рис. 5.10,а). Коэффициент передачи этой цепи определяется соотношением р = Z₂/(Z\ -f- 2%), где Z\=R\-

\_ CV

. «•(-'£)

•/Try,; Z₂ =—— j^-. После подстановки выражений о ;

А 2 / ~р,

С₂№

для Zi и Z2 и преобразований получаем

1

Р =

1 + ^ + ^

^h С, /?₂

Ч*'^С2й)-жЫ

На определенной частоте соо возможно выполнение ра-

венства /?iC2C0₀ =

I

/?₂С|(Оо

. Отсюда соо =

ИЛИ /о =

V«i/?2C,c₂

— . На частоте /₀ коэффициент передачи че-

2лУ^|/?2С|С₂

тырехполюсника в виде моста Вина выражается действительным числом, что означает отсутствие сдвига фаз между выходным и входным напряжениями четырехполюсника. На этой частоте

1

Р = № =

1+^+^' ^ С, * Ri

Если R_}=R₂ = R; Ci = C2 = C, то /о =

1

2nRC '

Р-тг

Модуль коэффициента передачи моста Вина и вносимый им фазовый сдвиг являются функциями частоты (рис. 5.10,6, в).

151

Таким образом, в двухкаскадном усилителе включение моста Вина в качестве цепи обратной связи обеспечивает достижение баланса фаз на определенной частоте. При К_и ^ 3 реализуется баланс амплитуд. Значение Ки^З в двухкаскадном усилителе получить довольно просто.

Практическая реализация автогенераторов с мостом Вина затруднений не вызывает. В генераторе с усилителем на биполярных транзисторах (рис. 5.11, а) элементами

Рис. 5.11. Автогенераторы с мостом Вина:

а — с усилителем на дискретных элементах, б— с операционным усилителем

моста Вина являются резисторы Rl, R2 и конденсаторы Cl, С2. Заметим, что резистор R2 оказывается шунтированным входным сопротивлением транзистора VT1, что должно учитываться при расчете частоты генерируемых колебаний.

В генераторе имеется цепь отрицательной обратной связи. Она включает в себя резисторы R5, R8 и терморезистор R6. Сопротивление терморезистора зависит от температуры. При увеличении амплитуды выходного напряжения происходит его нагрев, сопротивление уменьшается, амплитуда приходящегося на резистор R5 напряжения отрицательной обратной связи возрастает.

В генераторе на операционном усилителе (рис. 5.11,6) мост Вина включается между выходом и неинвертирующим входом усилителя. Автоматически регулируемая цепь отрицательной обратной связи образована резисторами Rl, R2 и терморезистором R3.

Конденсаторы моста Вина бывают сменными (присоединяются посредством переключателя), а резисторы -переменного сопротивления. Тогда частота генерируемых колебаний может перестраиваться в широком диапазоне

152

^

частот. Генераторы с мостом Вина применяются для получения колебаний с частотами 1 —10⁷ Гц.

/?С-генераторы просты в изготовлении, имеют малые габариты и массу, низкую стоимость, используются для генерации колебаний как крайне низких, так и очень высоких частот. Стабильность частоты в них значительно ниже, чем в LC-генераторах. Синусоидальные колебания возможны при малых амплитудах колебаний, соответствующих линейному режиму усилительных каскадов.