6.1 Генераторы с независимым возбуждением.

Имеют источник входного управляющего сигнала и содержат усилитель мощности с частотно – зависимой нагрузкой. Усилитель мощности работает в классе В и С, частотно – зависимая нагрузка – это чаще всего LC – колебательный контур, настроены на первую гармонику. Выходное напряжение снимается параллельно колебательному контуру.

Рис.6.1. Схема генератора с независимым возбуждением

U_вых = A*sin ωt

6.2 Генераторы с самовозбуждением (автогенераторы)

Такие генераторы не имеют источника входного сигнала и представляют собой усилитель охваченный положительной обратной связью.

Рис.6.2. Схема генератора с самовозбуждением (автогенератор)

Развитие автоколебаний начинается с усиления всегда имеющихся на входе усилителя шумов.

U_вых = k*U_вх

Рис.6.3. Амплитудная характеристика усилителя имеющего участок насыщения в т. А

β – прямая цепь обратной связи.

Начальное входное напряжение шумов U_вхо усиливается усилителем мощности и подается через цепь положительной обратной связи на вход усилителя. Это напряжение U_вх, уже больше по амплитуде U_вхо. Дальше аналогично. До точки А произведение β*К >1, происходит развитие автоколебаний, т.е. каждое последующее значение входного напряжения больше вызвавшего его значения предыдущего входного напряжения. Автоколебания сходятся в т. А, в ней β*К = 1, это условие установившихся автоколебаний.

U_ос = U_вх = β*U_вых

Т.к. β и К в общем случае комплексные числа, т.е. и ,

где φ_β – фазовый сдвиг в цепи обратной связи;

φ_К - фазовый сдвиг в канале усиления.

= 1 – выполняется при:

1. β*К = 1

2. φ_К + φ_β = 0;2π

1 – условие баланса амплитуд

2 – условие баланса фаз

1 и 2 - условия самовозбуждения

Условие баланса амплитуд означает, что ослабление сигнала в цепи обратной связи, должно компенсироваться в автогенераторе усилителя.

Условие баланса фаз означает, что сигнал прошедший полное кольцо обратной связи должен вернуться в фазе с порождающим его сигналом.

Для генерации сигналов заданной частоты необходимо выпонение условий баланса фаз и баланса амплитуд на этой частоте.

6.3 Генераторы синусоидальных колебаний

1. LC – генераторы содержат избирательный, т.е. частотнозависимый усилитель и частотнонезависимую обратную связь.

Рис.6.4. Схема LC – генератора

Конденсатор в цепи базы необходим для заземления по полезной составляющей сигнала вторичной обмотки трансформатора.

L_К – приведенная индуктивного контура нагрузки с учетом взаимной индукции. На резонансной частоте , колебательный контур имеет чисто активное сопротивление.

, где r_k – активное сопротивление потерь колебательного контура, в схеме не указано.

Следовательно только на этой частоте усилитель обеспечивает фазовый сдвиг напряжения на 180^о, на других частотах контур имеет реактивное сопротивление и фазовый сдвиг ≠ 180^о.

На резонансной частоте цепь обратной связи дает сдвиг на 180^о, схема с общим эмиттером осуществляет такой же сдвиг входного напряжения относительно выходного, в результате суммарный сдвиг в цепи обратной связи = 2π.

Т.е. условие баланса фаз в таком генераторе выполняется только на резонансной частоте, для выполнения баланса амплитуд необходим выбор транзистора с достаточно большим коэффициентом усиления.

Применение LC – генераторов ограничено областью низких частот, т.к. в этой области параметры L_K и С_К приобретают недопустимо большие значения, что выливается в их значительных габаритах. Этого недостатка лишены RC – генераторы.

6.4 RC – генераторы

Такие генераторы содержат обычный усилитель и частотнозависимую обратную связь, в качестве которой применяют Г – образные фильтры:

6.4.1 RC – параллель

Рис.6.5. Схема генератора с RC – параллелью

RC – параллель содержит до 3 – х и более одинаковых звеньев.

Передаточные характеристики фильтра.

Рис.6.6. Амплитудно – частотная характеристика RC – параллели

Рис.6.7. Фазо – частотные характеристики RC – параллели

Эти характеристики идеальные, они выполнены для R_вх = 0 и R_нагр = ∞.

Частота ω_о, на которой фазовый сдвиг = π, называется квазирезонансной.

Для трехзвенной цепочки:

Для четырехзвенной цепочки:

Дальнейшее увеличение числа звеньев нежелательно, т.к. ведет к существенному увеличению - β.

6.4.2 CR – параллель.

Рис.6.8. Схема генератора с CR – параллелью

При тех же условиях: R_вх = 0 и R_нагр = ∞, генератор имеет следующие характеристики:

а.) АЧХ аналогичные.

б.) Фазо – частотная характеристика:

Рис.6.9. ФЧХ CR – параллели

Соответственно:

Для трехзвенной цепочки:

Для четырехзвенной цепочки:

С помощью таких Г – образных фильтров строятся так называемые RC – генераторы с фазовым сдвигом в цепи DC.

Они вырабатывают сигнал на квазирезонансной частоте ω_о. Для этого генератор должен содержать усилитель с фазовым сдвигом = π, при этом выполняется условие баланса фаз на частоте ω_о. Для выполнения условия баланса фаз необходим усилитель с коэффициентом усиления ≥ 29 для трехзвенного фильтра и ≥ 18,4 для четырехзвенного. Для этих целей чаще всего используется схема с общим эмиттером.

Рис.6.10. Схема с общим эмиттером и CR - цепочкой

Т.к. входное сопротивление усилителя ≠ ∞, а выходное ≠ 0, то параметры усилителя будут оказывать влияние на работу цепи обратной связи. Поэтому данной схеме потребуется усилитель с гораздо большим коэффициентом усиления, чем расчетные. Для большей надежности совместно с каскадом сообщим эмиттером может быть использован согласующий эмиттерный повторитель, который имеет входное сопротивление близкое к «∞», а выходное близкое к «0».

Различают также RC – генераторы без фазового сдвига в цепи обратной связи. Для выполнения баланса фаз, такой генератор содержит усилитель с нулевым фазовым сдвигом и последовательно – параллельную RC –цепочку с нулевым фазовым сдвигом на квазирезонансной частоте.

Рис.6.11. Схема RC – генератора без фазового сдвига в цепи обратной связи

Характеристики RC – генератора без фазового сдвига в цепи обратной связи:

Рис.6.12. АЧХ RC – генератора без фазового сдвига в цепи обратной связи

Рис.6.13. ФЧХ RC – генератора без фазового сдвига в цепи обратной связи

При идеальных условиях:

В качестве усилителя в таком генераторе могут быть использованы два последовательно включенных каскада с общим эмиттером, каждый каскад обеспечивает сдвиг по фазе на π, суммарный сдвиг получается = 2π, т.е. условие баланса фаз выполняется.

Рис.6.14. Схема двухкаскадного усилителя с общим эмиттером на основе RC- генератора без фазового сдвига в цепи обратной связи

Общий коэффициент усиления этих двух каскадов К = К₁*К₂, поэтому легко выполнить условие баланса амплитуд. Однако приходится вводить отрицательную обратную связь, чтобы уменьшить нелинейные искажения, возникающие в результате большого коэффициента усиления. Для этого вводят еще одно сопротивление R_ос. В результате действия этой отрицательной обратной связи уменьшается выходное сопротивление. И кроме того, для согласования с низкоомной нагрузкой применяют согласующий элемент, роль которого чаще всего играет эмиттерный повторитель.