Министерство образования Республики Беларусь УО «Брестский государственный политехнический колледж»

Основы электроники и микроэлектроники

Раздел 4. Основы электронной схемотехники

Тема 4.9 Генераторы ><синусоидальных колебаний><ко

4.9 Генераторы ><синусоидальных колебаний><ко

4.9.1 Структурная схема автогенератора. ><Условия ><самовозбуждения и существования незатухающих электрических колебаний

<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 ><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 4. ><91).>< ><При ><ПОС ><часть выход><ного ><напряжения ><U ><через ><цепь ><ПОС ><поступает ><на ><вход ><усилителя ><в ><фазе ><с ><входным ><напряжением, ><обеспечивающим заданное >><><><><значение >< U_вых. ><Чтобы ><амплитуда ><выходного напряжения в автогенераторе ><><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 . (4.91)

Рисунок 4.91 – Структурная схема автогенератора

<Уравнение ><(4.91)>< ><является ><условием ><существования >><незатухающих ><электрических ><колебаний. ><Ему соответствуют>< ><два ><уравнения:>

К_u = 1, (4.92)

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

>

_u + _ = 2n (4.93)

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

<Уравнение ><(4.92)>< ><требует ><от ><усилителя ><такого ><коэффи­><циента ><усиления, ><при ><котором ><полностью ><компенсируются ><потери >< ><напряжения, >< ><поступающего ><через >< ><цепь ><ПОС.>

<Уравнение ><(4.93) ><определяет ><условие, ><при ><котором ><в ><замкнутой ><системе ><(усилитель><+ ><цепь ><ПОС) ><обеспечи­><вается ><ПОС. 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.>

<Следует ><отметить, ><что ><уравнение ><(4.92) ><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 ><4.92, ><а) ><и ><жесткий ><(рисунок 4.9><2, ><б) ><режимы ><самовозбуждения. ><На ><рисунке ><4.92 ><кри­><вая ><К_и ><отражает ><зависимость ><выходного ><напряжения ><усилителя ><от ><входного, ><поступившего ><по ><цепи ><ПОС, ><а ><пря­><мая ><  ><зависимость ><входного ><напряжения ><усилителя ><от ><выходного. >

Рисунок 4.92 – Амплитудные характеристики автогенератора с мягким (а) и жестким (б) режимами самовозбуждения

<При ><мягком ><режиме ><самовозбуждения ><для ><возникно­><вения ><электрических ><колебаний ><в ><генераторе ><необходимо ><и ><достаточно ><выполнение ><условий ><(4.92) ><и ><(4.93).>< ><При ><жестком ><режиме ><самовозбуждения, ><кроме ><этих ><условий, ><для ><возникновения ><колебаний ><в ><первоначальный ><момент на входе усилителя необходимо задать напряжение U_вх > U_вх1.

Для получения синусоидального выходного напряжения необходимо, чтобы условия (4.92) и (4.93) выполнялись только для некоторой одной частоты. С этой целью цепь ПОС должна обладать избирательными свойствами. Такие свойства, как известно, имеют параллельный колебательный LC-контур и RC-цепи.