5.2. Автогенераторы гармонических колебаний

Если в системе условия самовозбуждения выполняются в узкой полосе частот (в окрестности одной гармоники), то на выходе системы с ПОС возникнет колебание только этой единственной частоты, и такое устройство является автогенератором гармонических колебаний. Поэтому автогенераторы гармонических колебаний отличаются от автогенераторов негармонических колебаний тем, что в их составе всегда имеется частотно-избирательная цепь, определяющая частоту автоколебаний и их форму, близкую к гармонической. Обычно ею является LC-колебательная система, которая в автогенераторах с внешней ПОС может находиться как в прямой цепи, так и в цепи обратной связи.

5.2.1. LC-автогенератор с индуктивной (трансформаторной) связью.

В состав LC-автогенератора гармонических колебаний с индуктивной связью (см. структурную схему рис. 5.3) входит звено прямой передачи – резонансный усилитель и звено обратной связи – трансформатор, образованный индуктивностью LC-контура и индуктивностью связи, включенной в цепь управляющего электрода электронного прибора.

Варианты принципиальных схем LC-автогенератора гармонических колебаний с индуктивной связью на биполярном транзисторе и полевом транзисторе с управляющим p-n переходом, показаны на рис. 5.4. Как видно из рисунка, звено прямой передачи образует резонансный усилитель, основными элементами которого являются: ЭП, нагрузка ЭП – параллельный LC-контур и источник постоянного напряжения . Звеном обратной связи является индуктивностьL_СВ, включенная в цепь базы (затвора) транзистора и индуктивно связанная с индуктивностью L колебательного контура.

Рис. 5.3 Структурная схема LC-автогенератора гармонических колебаний с индуктивной связью

а) б)

Рис. 5.4 Варианты схем LC-автогенератора гармонических колебаний с индуктивной связью на биполярном транзисторе (а) и на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом (б)

Выясним условия, при которых LC-автогенератор самовозбуждается. Поскольку на начальном этапе самовозбуждения в системе действуют малые амплитуды автоколебаний, то можно воспользоваться элементами линейной теории усилителей. Коэффициент передачи резонансного усилителя в режиме линейного усиления определяется, как известно (см. в Разделе 4, Резонансный усилитель), формулой:

, (5.7)

где – крутизна транзистора в точке покоя, R_ЭКВ – эквивалентное сопротивление колебательного контура на резонансной частоте ,Q – добротность контура.

Рассматривая индуктивно-связанные индуктивности икак идеальный трансформатор, комплексный коэффициент передачиB цепи ОС определяется как

, (5.8)

где – коэффициент взаимной индукции. Знак плюс у коэффициента взаимной индукциисоответствует согласному включению катушек, а знак минус – встречному. На схемах точкой обозначается начало намотки индуктивности. Встречное включение на схемах условно обозначают точками с разных сторон индуктивностей.

Используя формулы (5.7) и (5.8), петлевое усиления запишем в виде

. (5.9)

Так как на резонансной частоте =1, то (5.9) примет вид

. (5.10)

Из формулы (5.10) следует, что и для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы, чему удовлетворяет

. (5.11)

Поэтому для обеспечения ПОС катушки L_СВ и L включают встречно. Амплитудное условие самовозбуждения (5.4) выполняется за счет высокого коэффициента усиления резонансного усилителя .

На примере схемы автогенератора (рис. 5.3а), рассмотрим качественно процесс самовозбуждения. При подаче постоянного напряжения питания схемы, в коллекторной цепи транзистора будет протекать ток. Этот ток, кроме постоянной составляющей, будет содержать еще ток, обусловленный флуктуационными шумами. Колебательный контур из спектра шумового тока выделит составляющую с частотой, амплитуда которой вследствие резонанса будет враз больше. Колебание напряженияв катушке индуктивностинаведет в индуктивностинапряжение обратной связи. Напряжениеподается на базу транзистора, причем напряжение на базе за счет ПОС находится в фазе с напряжением. Следовательно, увеличение напряжения на индуктивностиприведет к увеличению напряжения на базе транзистора. Транзистор будет сильнее открываться, что в свою очередь приведет к увеличению амплитуды напряжения. Процесс нарастания амплитуды напряжениябудет наблюдаться до тех пор, пока из-за нелинейности ВАХ транзистор не войдет в режим насыщения. При большой амплитуде напряжения крутизна транзисторауменьшается из-за нелинейности ВАХ, что приводит к уменьшению петлевого усиления. В следствие этого прекращается рост коллекторного напряжения, и в автогенераторе устанавливается стационарный режим колебаний с амплитудой колебаний. Форма колебаний близка к гармоническому с частотой.