29. Генераторы гармонических колебаний. Стационарный режим, условия баланса амплитуд и фаз. Классификация схем автогенераторов.

Электронным генератором гармонических колебаний называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. Эти функциональные устройства являются одной из составных частей измерительных приборов и автоматических систем. Электронные генераторы гармонических колебаний классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения. В зависимости от частоты генераторы подразделяют на низко частотные (0,01—100 кГц), высокочастотные(0,1—100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше100 МГц). По способу возбуждения различают генераторы с независимым внешним возбуждением и с самовозбуждением (автогенератор)(рис). Чтобы амплитуда выходного напряжения не изменилась, должно быть выполнено условие Uос=Uвх. Так как Uвх=Uвых/Ku и Uос=βUвых, то из равенства Uос=Uвх следует βUвых=Uвых/Ku, или Kuβ=1. Это уравнение является условием существования в генераторе незатухающих электрических колебаний. Ему соответствуют два уравнения: Ku*β=1 (1), отражающее баланс амплитуд в автогенераторе, и φu+φβ=2πn (2), отражающее баланс фаз, в котором n=0, 1, 2, 3. Уравнение (1) справедливо для установившегося, или стационарного, режима работы автогенератора. Схема генератора с контуром в цепи коллектора с последовательным питанием (а) и эквивалентная схема по переменному току (б)

30. Схемы транзисторных генераторов. Генератор с автотрансформаторной связью. Емкостная трехточка. Существует множество схем LC-генераторов, которые отличаются между собой способами включения колебательного контура и создания ПОС.

На рис. 1, а схема автогенератора с индуктивной трансформаторной ПОС. Рис. 1 – Схемы транзисторных LC-автогенераторов с индуктивной трансформаторной (а) и автотрансформаторной (б) связью Баланс амплитуд в автогенераторе с трансформаторной связью достигается выбором коэффициента взаимоиндукции М (т. е. числа витков катушки LБ), а баланс фаз —правильным выбором концов катушки LБ (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к базе транзистора и общей шине). Вместо трансформаторной в автогенераторе может использоваться автотрансформаторная обратная связь (рис. 1, б). Такая схема называется трехточечной, так как колебательный контур подключается к усилителю тремя точками. Обобщенная трехточечная схема автогенератора по переменному току показана на рис. 2. Характер элементов Х1, Х2 и Х3 колебательного контура определяется из условий баланса фаз и амплитуд. При этом возможны два случая: если Х1 имеет индуктивный характер, то сумма реактивных сопротивлений Х2 и Х3 должна носить емкостный характер; если Х1 имеет емкостный характер, то сумма реактивных сопротивлений Х2 и Х3 должна носить индуктивный характер. В обоих случаях сопротивление суммы Х2 + Х3 должно равняться сопротивлению Х1. Характер реактивности элемента Х2, с которого снимается напряжение ОС, должен быть таким же, как и у элемента Х1. Только в этом случае ОС будет положительной. Схему автогенератора, у которого Х1 и Х2 — индуктивные катушки, а Х3 — конденсатор, называют индуктивной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой. Схему автогенератора, у которого Х1 и Х2 —конденсаторы, а Х3 — катушка индуктивности (рис. 3), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой. Во всех рассмотренных типах автогенераторов частота генерируемых колебаний в основном определяется элементами контура f0=1/(2*pi*(LkCk)^0.5) . Для автогенератора, выполненного по емкостной трехточечной схеме, под СК следует понимать емкость С1×С2/(С1+С2). Рис. 3– Транзисторный LC-автогенератор, выполненный по схеме «емкостная трехточка»

3 1. RC-генераторы. Избирательные RC схемы, характеристики. Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RС-четырехполюсники. Такие автогенераторы получили название RC-автогенераторов. Применение RС-четырехполюсников (Рис.1) вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а такой электрический параметр, как добротность, ниже необходимых требований. Рис. 1 – Частотно-зависимые цепи: а. С помощью RС-автогенераторов можно получать колебания и высокой частоты вплоть до 10 МГц. Однако преимущества RC-автогенераторов проявляются именно на низких и инфранизких частотах. В этом частотном диапазоне за счет применения резисторов и конденсаторов RС-автогенераторы обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-автогенераторы. RC-автогенератор с Г-образным RC-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рис. 2, а). Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи входное и выходное напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Если выходное напряжение этого усилителя подать на его вход, то получится 100%-ная отрицательная обратная связь. Для соблюдения баланса фаз, т. е. для введения положительной обратной связи в усилителе, выходное напряжение, прежде чем подать его на вход усилителя, необходимо сдвинуть по фазе на 180°. Если считать, что входное сопротивление усилителя очень большое, а выходное очень малое, а этим условиям отвечают в наибольшей степени усилители на полевых транзисторах, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RС-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°. Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте fо = 1/(15,4 RC), а баланс амплитуд— при коэффициенте усиления усилителя К>=29.

Отметим, что Г-образные RС-цепи иногда выполняют с количеством звеньев больше трех (чаще всего четырехзвенные). Увеличением количества звеньев в автогенераторе рис. 2, а можно повысить частоту генерации; еще большего увеличения частоты генерации можно добиться при смене мест резисторов и конденсаторов в RC-цепи того же генератора. Для изменения частоты генерации в рассматриваемом генераторе необходимо изменять одновременно либо все сопротивления R, либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными RС-цепями работают обычно на фиксированной частоте или в крайнем случае в узком перестраиваемом диапазоне. Рассмотренный RС-автогенератор имеет ряд недостатков: 1) цепь обратной связи сильно шунтирует каскад усилителя, вследствие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие баланса амплитуд, т.е. возникающие колебания могут быть неустойчивыми; 2)генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к f0, это объясняется отсутствием строгой избирательности к основной частоте Г-образных RС-цепей.