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, используемыми в RС-генераторах, являются RC-цепи . Из этих четырехполюсников наибольшее применение в RC-генераторах нашли мост Вина (последовательно–параллельная RC-цепь) , фазосдвигающая RС-цепь и двойной Т-образный мост.

Рисунок 4.98 – Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики моста Вина, используемого в транзисторном RC-генераторе (в)

На рисунке 4.98 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 число инвертирующих каскадов равно двум (рисунок 4.98, в). Для выполнения условия баланса амплитуд (4.92) 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

(4.97)

_.

Однако ввиду шунтирования резистора R2 входным сопротивлением усилителя и делителем в цепи базы тран­зистора VT1 условие R1 = 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.

Практически все современные RС-генераторы малой и средней мощностей (до десяти — пятнадцати ватт) строятся на ОУ.

Напряжение положительной обратной связи в RС-генераторах на операционных усилителях можно подавать как на инвертирующий, так и на неинвертирующий входы. В схемах RС-генераторов с не инвертирующим включением операционного усилителя, частотно-избирательная цепь положительной ОС не должна вносить фазового сдвига в выходной сигнал. В RC-генераторах с инвертирующим включением ОУ, наоборот, RС-цепь положительной обратной связи на частоте генерации должна сдвигать фазу выходных колебаний на угол φ_β = π

RС-генератор с мостом Вина легко выполнить на ин­тегральном ОУ, включив избирательный мост Вина между выходом и не инвертирующим входом (рисунок 4.99). 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.

Автогенератор с фазосдвигающей RC-цепью содержит инвертирующий усилитель и трехзвенную RС-цепь положительной ОС (рисунок 4.100, а).

Рисунок 4.99 – Схема RC-генератора на ОУ с мостом Вина

а )

Рисунок 4.100– Автогенератор с трехзвенной RС-цепью: а — схема; б — частотная и фазовая характеристики

Данная трехзвенная RС-цепь (ее называют R-параллель) имеет типовые частотную β(f) и фазовую φ_β(f) характеристики, показанные на рисунке 4.100, б. Анализ графиков частотной и фазовой характеристик показывают, что на квазирезонансной (напомним, якобы резонансной) циклической частоте генерации f_K трехзвенная RС-цепь положительной ОС имеет вещественное значение коэффициента передачи β = 1/29 и вносит фазовый сдвиг φ_β = π. Поэтому для обеспечения в автогенераторе баланса амплитуд (4) необходимо выбирать коэффициент усиления усилителя |К| = R₂/R₁ > 29, а баланс фаз (5) обеспечивается автоматически путем инвертирующего включения ОУ.

Можно показать, что квазирезонансная частота генерации для схемы с идеальным ОУ (рисунок 4.100, а) определяется формулой

. (4.98)

Как следует из этой формулы, частота генерации зависит только от параметров цепи обратной связи R и С (т.е. внешних элементов усилителя).

Рисунок 4.101 – 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 квазирезонансной частоте f₀ = f_p коэффициент передачи двойного симметричного Т-образного моста 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 4.101). С помощью делителя R1R2 создается необходимая ПОС, при которой обеспечивается генерация на частоте f₀. Частота генерируемых колебаний определяется из выражения (4.97).

Пример 2. Частота колебаний в RC-генераторе с мостом Вина f_k = 500 Гц. Определите параметры схемы, обеспечивающие требуемую частоту.

Решение. Зададим сопротивление моста Вина R = 3,9 кОм. Тогда, согласно (15), С= 1/(2πf_KR) = 0,08 мкФ. Так как в автогенераторе |К| = R₂/R₁ > 3, то, выбрав сопротивление R₂ = 30 кОм, находим R₁ = 10 кОм.