13

Тема 9. Генерирование колебаний

Под генерированием электрических колебаний понимают преобразование энергии источников питания в энергию электрических колебаний. Существуют различные способы получения электрических (электромагнитных) колебаний в радиодиапазоне. На низких радиочастотах колебания возбуждаются в системах с сосредоточенными параметрами. В дециметровом и более высокочастотных диапазонах для возбуждения колебаний необходимы системы с распределенными параметрами, поэтому здесь уместен термин «электромагнитные колебания». Существуют два основных способа получения электрических колебаний: преобразование с помощью активных элементов энергии источников постоянного тока или преобразование энергии одних электрических колебаний в энергию других с требуемой частотой (параметрические и квантовые генераторы).

9.1.Автоколебательная система

Автоколебательной называется система, в которой в отсутствие переменного внешнего воздействия возбуждаются незатухающие колебания, причем амплитуда и частота колебаний определяется свойствами самой системы. Примерами автоколебаний является колебания маятника часов, струн или столбов воздуха в музыкальных инструментах, колебания тока и напряжения в электрических генераторах. Чтобы колебания были незатухающими, в автоколебательную систему должна поступать энергия, компенсирующая потери в ней. Для поддержания стационарной амплитуды колебаний поступление энергии должно изменяться в зависимости от величины потерь, поэтому в автоколебательной системе необходимо наличие цепи обратной связи и нелинейного элемента.

В каждой автоколебательной системе можно выделить три основных элемента: собственно колебательную систему (в часах – маятник или баланс); источник энергии (пружинный или гиревой механизм); устройство, регулирующее поступление энергии в колебательную систему (анкерный механизм).

Характер автоколебаний определяется главным образом свойствами собственно колебательной системы. Если добротность системы велика, то для поддержания автоколебаний за период в нее должно поступать малое количество энергии (по сравнению с полной энергией колебательной системы). Период и форма автоколебаний при этом почти не отличается от периода и формы собственных колебаний системы. Если за один период теряется много энергии, но колебания возникают, то они сильно отличаются от гармонических и называются релаксационными. Можно, однако, создать условия, когда при отсутствии колебательных контуров в электрических системах генерируются почти гармонические автоколебания.

9.2.Автогенератор

Автогенератор электрических колебаний состоит из источника питания, усилителя и цепи обратной связи. Его структурная схема не отличается от структурной схемы усилителя с обратной связью ( рис.9.1).

Рис. 9.1. Структурная схемы автогенератора

При замкнутой петле обратной связи и отсутствии на выходе усилителя внешнего сигнала стационарный сигнал на его выходе возможен при условии

, (9.1)

откуда

. (9.2)

Условие генерирования автогенератором стационарного сигнала (9.2) распадается на два: условие баланса амплитуды

. (9.3)

и условие баланса фаз

(9.4)

Автогенератор с резонансным контуром (рис. 9.2а) представляет собой резонансный усилительный каскад с цепью обратной связи, созданной взаимоиндукцией М катушек L₁ и L₂.

Рис. 9.2. Принципиальная схема LC-генератора (а); графики поясняющие мягкий (б) и жесткий (в) режимы работы

Пусть исходное смещение E_СМ выбрано таким, что начальная рабочая точка находится на линейном участке характеристики. Тогда амплитудная характеристика усилителя U_ВЫХ(U_ВХ) и зависимость K(U_ВХ) имеют вид, показанный на рис. 9.2б. При включении питання в катушке L₁ возникает ток, возбуждающий в контуре L₁C₁ свободные колебания. Напряжение обратной связи в рассматриваемой схеме снимается с катушки L₂. Оно является входным напряжением и определяется выражением

, (9.5)

где М – коэффициент взаимной индукции катушек L₁ и L₂, а I₁ – ток в катушке L₁:

. (9.6)

Следовательно,

. (9.7)

Значение для данной схемы постоянно. Знак изменяется при взаимной перемене мест подключения выводов катушки L₂, что позволяет выполнить условие баланса фаз (9.4). Баланс амплитуд (9.3) обеспечивается нелинейностью амплитудной характеристики усилителя U_ВЫХ(U_ВХ) или зависимостью его коэффициента усиления от амплитуды входного сигнала. При (рис. 9.2б) произведение и амплитуда свободных колебаний в системе нарастает до тех пор, пока не наступит равенство . Если амплитуда свободных колебаний увеличится настолько, что превысит , то произведение становится меньшим единицы и амплитуда свободных колебаний уменьшается.

Таким образом, благодаря нелинейности амплитудной характеристики усилительного элемента амплитуда колебаний автоматически стабилизируется на уровне, соответствующем

, (9.8)

а любые возмущения приводят к процессу, восстанавливающиму это равенство.

Характерная особенность рассмотренного режима работы состоит в том, что условие самовозбуждения выполняется для любых сколь угодно малых начальных значений амплитуды колебаний в системе. Это значит, что колебания в ней могут возникнуть от любых флуктуационных возмущений. Такой режим генерации называют мягким. Если смещение Е_СМ выбрано таким, что при отсутствии сигнала на входе ток через активный элемент равен нулю, то зависимость К(U_ВХ) имеет вид, показанный на рис. 9.2в. Кривая пересекается с прямой  в двух точках. Здесь точка b практически ничем не отличается от точки а для мягкого режима. В точке b режим неустойчив, так как уменьшение амплитуды U_ВХ способствует дальнейшему уменьшению амплитуды колебаний до нуля, а увеличение – нарастанию, ведущему к точке а. Генератор в этом режиме не может возбудиться от флуктуационных возмущений. Для его возбуждения необходимо создать начальное колебание с амплитудой на входе, превышающей . Такой режим работы генератора называется жестким.

Как в мягком, так и в жестком режиме установление стационарной амплитуды колебаний происходит вследствие нелинейности амплитудной характеристики активного элемента, а частота колебаний равна частоте свободных колебаний в колебательном контуре.

Условия поддержания стационарных колебаний в LC – контуре создаются путем компенсации потерь в нем. Это эквивалентно тому, что к сопротивлению потерь реального контура (R) добавляется отрицательное сопротивление - R (вносятся «отрицательные потери»). Эффект внесения в контур отрицательного сопротивления возникает благодаря усилительным свойствам активных электронных элементов за счет положительной обратной связи.

Аналогичный эффект можно получить с помощью приборов, имеющих в некоторой области значений напряжений и токов участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением:

. (9.9)

В схеме генератора на туннельном диоде (рис. 9.3а) положение рабочей точки выбрано на «падающем» участке вольт-амперной характеристики (рис. 9.3б). Средний наклон рабочего участка характеристики должен обеспечивать полную компенсацию потерь в активном сопротивлении контура, включая нагрузку генератора.

Рис. 9.3. Генератор на туннельном диоде: принципиальная схема (а); рабочий участок вольт-амперной характеристики (б); эквивалентная схема для анализа потерь (в).

Генераторы на туннельных диодах работают на очень высоких частотах, обеспечивая мощности порядка единиц милливатт в дециметровом и сантиметровом диапазонах и единиц микроватт в диапазоне 40 – 100 ГГц.