13.1 Общие положения теории rc-генераторов

Как уже отмечалось выше для избирательных RC систем, так и для генераторов при частоте колебаний меньше 100кГц целесообразно применять RC-генераторы. Структурная схема RC-генератора показана на рис.12.1.

Рисунок 12.1 — Структурная схема RC-генератора

При коэффициенте усиления широкополосного RC усилителя и частотнозависимом коэффициенте передачи звена положительной обратной связи , условия балансов амплитуд и фаз имеют вид:

где n — любое целое число.

Цепочка балансов амплитуд в установившихся режимах при разных значениях запаса по возбуждению и нелинейные искажения выходного напряжения генератора иллюстрирует рис.12.2, где 1 — амплитудная характеристика усилителя , 2 — эта же характеристика в виде , 3 — коэффициент нелинейных искажений .

При начальном запасе по возбуждению генератора 20-30%, установившийся режим будет в точке A₁, где установившийся коэффициент усиления K_уст уменьшается на 20%. Если запас по возбуждению будет принят больший, наприсер 40%, то установившийся режим будет в точке A₂. При этом величина нелинейных искажений будет большей (см. рис.12.2). При расчете RC-генераторов по заданным значениям нелинейных искажений выбирают начальный запас по возбуждению, однако для надежного возбуждения генераторов он должен быть не менее 10–15%.

Рисунок 12.2 — Влияние начального запаса по возбуждению на характеристики генератора

13.2 RC-генераторы с фазосдвигающими цепочками на 180

Принципиальная схема трехзвенной фазосдвигающей цепочки приведена на рис. 12.3. Постоянная времени каждого звена одинакова при любом значении а и равна .

Для получения фазового сдвига 180 для каждого звена фазовый сдвиг должен быть 60, откуда выбирают параметры R и C. Коэффициент передачи цепи:

Чтобы фазовый сдвиг цепочки равнялся 180, необходимы условия:

Рисунок 12.3 — Трехзвенная фазосдвигающая цепочка

Приравняв значения мнимой части коэффициента передачи к нулю , получим выражение для частоты квазирезонанса :

.

Если принять значения параметра цепочки a=1, то .

Значение действительной части при квазирезонансе определяется выражением:

При a=1 получим . Следовательно, при параметре цепочки a=1 для возбуждения генератора требуется коэффициент усиления усилителя больше 29.

Значения требуемых коэффициентов усиления усилителя для возбуждения генератора с трехзвенной цепочкой в зависимости от параметра цепочки а приведены на рис.12.4.

Из результатов, приведенных на рис.12.3, следует, что целесообразно применение цепочек с параметром a=12.

RC-генератор с трехзвенной фазосдвигающей цепочкой.

На рис.12.5 приведена принципиальная схема RC-генератора с трехзвенной фазосдвигающей цепочкой. Функцию резистора затвора R_З выполняет резистор Для согласования входного сопротивления цепочки с выходным сопротивлением усилителя необходимо выполнение условия:

Рисунок 12.4 — Зависимость обратной величины коэффициента передачи цепочки от параметра а.

Рисунок 12.5 — Генератор на базе трехзвенной фазосдвигающей цепочке

Если , то , значит входное сопротивление цепочки должно быть . Следовательно, величина резистора , так как . Поскольку порядка (13) , а (полевого) порядка десятков МОм, то они согласуются идеально. Плавная регулировка коэффициента усиления усилителя производится резистором обратной связи R_И.

Принципиальная схема такого же генератора на биполярных транзисторах приведена на рис.12.6. Для выполнения условий согласования сопротивлений усилителя и цепочки требуется дополнительный каскад — истоковый повторитель. Аналогичные вопросы согласования рассмотрены в разделе 10.5.

Рисунок 12.6 — Генератор с трехзвенной цепочкой на биполярных транзисторах

RC-генератор с двойным T-образным мостом.

В качестве фазосдвигающей цепочки на 180° может быть применен двойной T-образный мост с параметром n=0,2. Построить генератор синусоидальных колебаний с двойным T-образным мостом можно как на транзисторах, так и на операционном усилителе. При этом необходимо выполнить условия балансов фаз и амплитуд. На транзисторах генератор можно получить при различных комбинациях включения транзисторов, но при этом общий фазовый сдвиг должен равняться 180°. Принципиальные схемы аналогичны приведенным на рис.12.5 и 12.6, в которых вместо трехзвенной цепочки включается двойной T-образный мост.

На операционном усилителе T-образный мост включается в цепь обратной связи усилителя по инвертирующему входу, при этом фактор обратной связи должен отвечать условию баланса амплитуд:

.

Как было показано выше, в установившемся режиме .

Поскольку значения коэффициента усиления усилителя с положительной обратной связью

а значения коэффициента передачи моста при n=0,207 (см. разд. 10.4), то требуемый коэффициент усиления усилителя , при фазовом сдвиге . Следовательно, мост нужно включать в инвертирующий вход усилителя и обеспечить , что обеспечит требуемый запас по возбуждению.

Вопросы согласования моста с выходным и входным сопротивлениями усилителя и выбор величины резистора R моста решаются аналогично рассмотренным выше в разделе 10.5. Расчеты резисторов R₁, схемы установки нуля (R₂, R₃, R₄, R₅, R₆) и цепи частотной коррекции (R_к, С_к) рассмотрены в разделе 8.5. Принципиальная схема генератора на ОУПТ приведена на рис. 12.7.