автогенераторы

Автогенераторами (АГ) называются устройства, в которых энергия источника питания преобразуется в энергию ВЧ-колебания без внешнего возбуждения. Принципиальным отличием АГ от ГВВ является то, что частота колебаний и их амплитуда не задаются извне, а зависят от внутренних свойств АГ и устанавливаются сами собой через короткое время после его включения. Частота колебаний АГ задается входящей в состав АГ колебательной системой (КС). При получении некоторого первоначального запаса энергии в КС возникают свободные колебания, которые будут длиться бесконечно долго, если КС не имеет собственных потерь. Однако при подключении нагрузки колебания затухают даже в идеальной КС. Поскольку реальные КС имеют собственные потери, затухание колебаний происходит еще быстрее. Для того чтобы ВЧ-колебание, создаваемое колебательным контуром в нагрузке, было незатухающим, необходимо пополнять запас энергии в контуре в процессе ее расходования. Для этого КС включают в качестве нагрузки усилительного каскада. Подавая на вход этого УМ по цепи обратной связи (ОС) напряжение, по частоте и по фазе совпадающее с частотой и фазой свободных колебаний в контуре, можно обеспечить на его выходе постоянное по амплитуде незатухающее колебание.

Таким образом, АГ должен содержать колебательную систему и источник постоянного напряжения питания АЭ, цепь ОС, обеспечивающую передачу напряжения с выхода АГ на его вход (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Структурная схема автогенератора

АГ, построенный по этой схеме, генерирует в установившемся режиме постоянное по амплитуде колебание при выполнении следующих условий:

 условие баланса амплитуд – равенство между энергией вынужденных колебаний УМ и энергией, которая тратится на потери в КС и нагрузке;

 условие баланса фаз  колебания в замкнутой системе возбуждаются только тогда, когда фаза напряжения на выходе цепи ОС совпадает с фазой напряжения на входе УМ. Другими словами, цепь ОС должна вызывать такие сдвиги фаз, при которых в КС вносится энергия в такт с существующими в ней собственными колебаниями.

 условия устойчивости колебаний по амплитуде, частоте, фазе.

4.2.1. Режим мягкого самовозбуждения

Рассмотрим режим, когда напряжение смещения, поданное на АЭ, больше напряжения отсечки . Амплитудные характеристики и зависимость средней крутизны от амплитуды для этого случая представлены на рис. 4.2.

а б

Рис. 4.2. Амплитудные характеристики УМ и цепи ОС (а)

и зависимость средней крутизны от амплитуды

автоколебаний (б) при

В точке пересечения амплитудных характеристик (рис. 4.2, а) выполняется условие равенства напряжений на выходе цепи ОС и на входе УМ при замыкании петли ОС. Эта точка определяет устойчивое состояние АГ. Условие устойчивости АГ по амплитуде имеет вид

(4.2)

Таким образом, для устойчивой генерации колебаний необходимо, чтобы положительным приращениям амплитуды соответствовали отрицательные приращения крутизны (рис. 4.2, б). Действительно, пусть из-за внешних воздействий амплитуда напряжения на входе АЭ приняла значение . Тогда после прекращения внешнего воздействия амплитуда напряжения на выходе АЭ будет равняться . Это же напряжение подается на вход цепи ОС, напряжение на ее выходе будет . Поступая на вход АЭ, пониженное напряжение вызовет уменьшение напряжения на выходе АГ. Процесс изменения амплитуды будет продолжаться до тех пор, пока АГ не придет в устойчивое состояние с амплитудой . Аналогично рассуждая, можно показать, что АГ возвратится в устойчивое состояние, если напряжение на входе АЭ становится меньше .

Характерным для случая является то, что достаточно появления очень малой амплитуды напряжения на входе АЭ, всегда имеющейся в реальных схемах за счет флуктуаций носителей заряда, чтобы после включения питания АГ колебания начали нарастать от нуля до установившегося состояния (рис. 4.3). Такой режим колебаний называют мягким самовозбуждением.

4.2.2. Режим жесткого самовозбуждения

Рассмотрим случай, когда на АЭ подано запирающее напряжение смещения (). Амплитудные характеристики УМ и цепи ОС (рис. 4.4, а) пересекаются в двух точках и , в которых выполняется условие баланса амплитуд. Средняя крутизна АЭ имеет максимум в точке перегиба амплитудной характеристики усилителя (рис. 4.4, б).

Рис. 4.3. Возбуждение автоколебаний в мягком режиме

а б

Рис. 4.4. Амплитудные характеристики УМ и цепи ОС (а)

и зависимость средней крутизны от амплитуды

автоколебаний (б) при

Вопрос об устойчивости колебаний АГ в точках и решим с помощью амплитудных характеристик. Предположим, что по каким-то причинам амплитуда напряжения на входе АЭ стала меньше . При этом напряжение на выходе АГ уменьшится, что приведет к снижению амплитуды напряжения на входе цепи ОС и, следовательно, напряжения на входе АЭ. Последнее приведет к еще большему уменьшению напряжения на выходе АГ, что вызовет затухание колебаний в системе. Рассуждая аналогично, получаем, что при превышении значения колебания будут нарастать до тех пор, пока их амплитуда не достигнет значения . Амплитуда автоколебаний в точке 1 хотя и отвечает условию баланса амплитуд, но не удовлетворяет условию устойчивости амплитуды колебаний (4.2) и, таким образом, не является устойчивой. В точке 2 система устойчива и амплитуда напряжения определяет амплитуду установившихся колебаний на входе АЭ.

Следовательно, в АГ установится режим генерирования колебаний только тогда, когда амплитуда напряжения на входе АЭ превысит значение (рис. 4.5). Такой режим колебаний называют жестким самовозбуждением.

Рис. 4.5. Возбуждение автоколебаний в жестком режиме

На практике такой режим работы АГ реализуется путем подачи запирающего напряжения смещения. При этом малые амплитуды входного напряжения не могут вызвать тока в выходной цепи АЭ, то есть наступления процесса генерации колебаний.

4.3. Уравнения автогенератора

Автогенераторы могут отличаться типом активного элемента, видом колебательной системы, реализации цепи ОС. В зависимости от типа АЭ АГ подразделяются на ламповые, транзисторные и диодные. Наиболее широкое распространение в диапазоне ВЧ получили транзисторные АГ. В зависимости от типа КС АГ бывают одноконтурные и многоконтурные. Одноконтурные АГ генерируют колебание одной частоты, близкой к резонансной частоте КС. Среди вариантов построения одноконтурных транзисторных АГ в зависимости от вида цепи ОС наибольшее распространение нашла так называемая трехточечная схема (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Обобщенная трехточечная схема транзисторного автогенератора

В установившемся режиме автогенерации процессы аналитически описываются следующей системой уравнений в комплексной форме:

(4.3)

где – средняя крутизна характеристики АЭ; – комплексное сопротивление выходной цепи АЭ;  – коэффициент обратной связи.

Подставляя во второе уравнение системы (4.3) для напряжения значение из первого уравнения и из третьего уравнения, получаем

Разделив обе части уравнения на , находим необходимое условие существования установившегося режима автогенерации:

или

Представляя входящие в последнее уравнение комплексные величины через их модули и фазы, имеем

или

Отсюда следует

(4.4)

(4.5)

Уравнение (4.4) выражает баланс амплитуд, уравнение (4.5) – баланс фаз в АГ. При выполнении баланса амплитуд амплитуда напряжения на входе АЭ равна такому значению, при котором в контур колебательной системы АГ вносится энергия, необходимая для компенсации затухания. При выполнении баланса фаз суммарный сдвиг фаз в цепях АГ равен нулю или целому числу периодов, и порции энергии, вносимые в контур КС, будут поступать в такт с действующими в нем собственными колебаниями.

Из уравнения баланса амплитуд (4.4) находят амплитуду установившихся колебаний, а из уравнения баланса фаз (4.5) – частоту колебаний АГ.