Глава 4.Электронные генераторы

§ 4.1. Введение. Обобщенная схема автоколебательной системы

До сих пор изучались различные процессы в линейных и нели­нейных электрических системах, на которые воздействовали периодические сигналы, созданные внешними источниками колеба­ний. Рассмотрим теперь методы генерирования электрических ко­лебаний, т. е. получения колебаний в системах, работающих в режиме самовозбуждения, когда внешний источник колебаний от­сутствует. Такие системы называются автоколебательными систе­мами или генераторами, а возникшие в них колебания — автоколе­баниями. Автоколебательная система представляет собой нелиней­ное устройство, преобразующее энергию источника постоянной ЭДС в энергию колебаний.

Как в электронном усилителе, так и в генераторе указанное преобразование энергии возможно благодаря использованию эле­ктронных приборов в качестве управляемых элементов. Однако имеется принципиальное различие между обоими устройствами. В усилителе процесс управления электронным прибором осущест­вляет внешний входной сигнал. В генераторе этот процесс обеспечивает сама система с помощью цепи обратной связи — линейного четырехполюсника, соединяющего выход систе­мы с ее входом. Схему, изображенную на рисунке 4.1.1, можно рас­сматривать как два последовательно соединенных четырехполюс­ника. В первом четырехполюснике происходит усиление колебаний в К раз, во втором — ослабление в — раз. Чтобы случайно воз­никшие колебания возрастали по амплитуде, т. е. чтобы усилитель самовозбудился, необходимо выполнение условия:

Ко > 1/β, (4.1.1)

где Ко — коэффициент усиления усилителя при малой амплитуде колебаний. Условие (4.1.1) называется амплитудным условием само­возбуждения. Для возникновения колебаний, кроме (4.1.1), необ­ходимо еще выполнение фазового условия самовозбуждения:

φ_к + φ_β = 2πn, (4.1.2)

где φ_к , φ_β — соответственно изменение фазы колебаний при про­хождении через усилитель и цепь обратной связи. Выполнение условия (6.2) означает, что колебания напряжения на выходе цепи обратной связи и на входе усилителя совпадают по фазе. Такая обратная связь, как известно, называется положитель­ной. Условия самовозбуждения (4.1.1) и (4.1.2) могут быть объеди­нены, если воспользоваться комп­лексной формой записи:

Ко β >1. (4.1.3)

Таким образом, условие са­мовозбуждения означает, что мо­дуль коэффициента передачи по кольцу, образованному четырех­полюсниками усилителя и цепи обратной связи должен быть больше единицы.

Коэффициент усиления Ко и коэффициент обратной связи β в общем случае зависят от частоты w. Поэтому, если условие (4.1.З) выполняется для ряда частот, то все они будут генери­роваться — получится генератор колебаний сложной формы. Если условие (4.1.3) выполняется для одной частоты (или узкого интер­вала частот), то получается генератор гармонических колебаний частоты (или генератор квазигармонических колебаний).

Для генераторов различают "мягкий" и "жесткий" режимы возбуждения. При "мягком" режиме петлевое усиление больше единицы. В этом случае любые возмущения (например, на входе усилителя при включении источника питания) усиливаются и по цепи ОС подаются на вход в фазе совпадающей с фазой входного (возмущающего) сигнала. Причем величина сигнала на выходе цепи ОС больше того возмущения, которое было при появлении его на входе. В итоге случайно возникшее возмущение приводит к непрерывному нарастанию выходного сигнала. Нарастание выходного сигнала ограничивается нелинейными свойствами усилителя, т.e. при оп­ределенном уровне сигнала в системе коэффициент усиления начинает уменьшаться. При выполнении условия Коβ=1 амплитуда автоколебаний стабилизируется.

При "жестком" режиме возбуждения петлевое усиление в системе меньше единицы и для возникновения автоколебаний необходим допол­нительный внешний сигнал определенной амплитуды.

Характерной особенностью генераторов синусоидальных сигналов является наличие, в цепи их ОС, компонентов с резонансными или избирательными свойствами. Благодаря ним условия возникновения автоколеба­ний выполняются в определенной полосе частот. Так, например, при использовании в цепи ОС моста Вина (см рис. 4.1.1) его коэффициент передачи

(4.1.4)

где Z₁ = R₁+ 1/jwС₁, Z₂= R₂ /(1+jw R₂ C₂).

Если R_I = R₂ = R и С₁ = C₂ =C , то (4.1.4) примет вид:

β= l / [3+j (wRC-1/wRC)] (4.1.5)

Коэффициент β будет вещественным на частоте wо, если мнимая часть будет равна нулю, откуда частота генерации wo = 1/RC, т.к. на этой частоте β= 1/3, то коэффициент усиления усилителя К = 3.

Рис 4.1.1 Генератор с мостом Вина

Для генерации сигналов на высоких частотах часто используют генераторы с LC контурами.