7. Автогенераторные устройства

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают: генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы).

Не зависимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: автоколебаний и запуска внешними импульсами.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно называются автогенератором. Выходное переменное напряжение формируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания и не требует для начала работы подачи внешнего управляющего воздействия.

Генераторы, работающие в режиме запуска внешними импульсами, после подключения источника питания могут долго находиться в устойчивом состоянии, не формируя выходное переменное напряжение. При подаче управляющего сигнала на вход такого генератора, на его выходе формируется выходной сигнал, параметры которого определяются собственными характеристиками устройства. Такой режим работы называют ждущим или заторможенным.

Большое распространение получил ждущий режим, получивший свою реализацию в мультивибраторах. Мультивибратор – релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы, выполненный в виде усилительного устройства с цепью положительной обратной связи (ПОС).

Различают два вида мультивибраторов:

а) автоколебательные, которые не обладают состоянием устойчивого равновесия;

б) ждущие, которые обладают одним состоянием устойчивого равновесия и поэтому часто называются одновибраторами.

Автогенераторный режим работы применяется в устройствах, используемых в основном в качестве задающих генераторов, а ждущий – в устройствах, преобразующих форму импульсов к требуемому виду.

Структурная схема автогенератора приведена на рисунке 10.14.

Рисунок 10.14 – Структурная схема автогенератора

Соединив два четырехполюсника, как это показано на рисунке 10.14, получим усилительное устройство со встроенным каналом обратной связи, обеспечивающим суммирование выходного сигнала четырехполюсника с коэффициентом передачи с входным сигналом четырехполюсника , то есть реализацию ПОС.

Автогенераторы гармонических колебаний широко используют в измерительной технике.

Различают следующие основные типы автогенераторов: низкочастотные (до 100 кГц); высокочастотные (от 100 кГц до 10 МГц) и ультравысокочастотные (свыше 10 МГц).

Основными функциональными элементами автогенератора являются активный элемент, выполненный в виде усилительного устройства для обеспечения баланса амплитуд, и фазосдвигающая цепь, обеспечивающая баланс фаз. Простейший автогенератор гармонических колебаний может быть реализован на однокаскадном усилителе, снабженном цепью ПОС. Фаза выходного сигнала в транзисторном каскаде, выполненном по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ), оказывается сдвинутой относительно входного на угол, равный π. В то же время баланс фаз требует сдвига фаз ΔΨ = 2 πn_r (n_r = 0, 1, 2…). Поэтому автогенератор на однокаскадном усилителе можно получить, если за счет внешней фазосдвигающей цепи обеспечить дополнительный сдвиг фазы выходного сигнала на угол равный π.

В реальных автогенераторах такой фазовый сдвиг в каналах обратной связи осуществляют двумя способами: посредством магнитной (трансформаторной) связи, реализующей LC – схемы, и с помощью резистивно-емкостной связи в RC – схемах.

Для реализации резистивно-емкостной связи в цепь ПОС можно включить RC – контур (Г-образную ячейку) (рисунок 10.15, а).

Рисунок 10.15 – Резистивно-емкостная цепь (а), ее векторная диаграмма (б) и

схема трехзвенной цепи ПОС (в)

Для такой цепи фазовый сдвиг Δφ = π достигается только при ω→ ∞. Поэтому для получения Δφ = π на некоторой, отличной от бесконечности, частоте необходимо каскадно включать минимально две такие цепи. Полагая, например, и выбирая значениеХ_С = 1/ ωС = R, получаем сдвиг фаз (рисунок 10.15, б) |φ| = arctg = π/3. Поэтому для обеспечения требуемого φ = π используют, как показано на рисунке 10.15 в, трехзвенную комбинацию Г-образных ячеек. Для получения синусоидального выходного напряжения применяются генераторы, использующие в цепи ПОС колебательный контур (рисунок 10.16,а).

Рисунок 10.16 – Схема последовательного колебательного контура (а) и переходной процесс изменения в нем тока (б)

Включая колебательный контур в цепь ОС транзисторного усилительного каскада, и обеспечивая в системе баланс амплитуд и фаз, получаем автогенератор синусоидальных колебаний. На рисунке 10.17 приведена схема простейшего автогенератора с колебательным L_KC_K – контуром и взаимоиндуктивной обратной связью.

В колебательном контуре, включенном в коллекторную цепь транзистора VT, под действием напряжения питания возникают затухающие синусоидальные колебания. Взаимоиндуктивная связь дросселей L_CB и L_K обеспечивает передачу сигнала обратной связи с дополнительным сдвигом фаз на угол φ = π, что позволяет обеспечить в схеме баланс фаз.

Рисунок 10.17 – Схема автоколебательного LC-генератора

Если параметры транзисторного каскада выбрать с учетом выражения

| KU (ω 1) BU (ω 1)| = 1,

(10.9)

где K_U (ω) = U₂ (ω)/ U₁ (ω) – модуль коэффициента усиления на частоте ω;

B_U (ω) = (ω) /(ω) – модуль коэффициента передачи на частоте ω,

то в данной схеме будет выполнено и условие баланса амплитуд, что приведет к установлению устойчивых колебаний выходного напряжения.

φК (ω 1) + φВ (ω 1) = 2 πk

(10.10)

Условия (10.9) и (10.10) являются условиями самовозбуждения генератора, где (10.10) – условие баланса фаз, а (10.9) – условие баланса амплитуд.

Элементы L_Ф и С_Ф, включенные в цепь питания транзистора VT, обеспечивают протекание переменной составляющей коллекторного тока VT, минуя источник питания U_П.

Рассмотренные LC – генераторы оказываются малоэффективными при низких частотах из-за необходимости применения в колебательном контуре катушки индуктивности и конденсатора с большими номиналами. Поэтому при низких частотах более предпочтительны автогенераторы RC – типа.