3.3.1. Генератори синусоїдальних коливань.

Найбільш розповсюджені схеми автогенераторів синусоїдальних коливань містять підсилюючий елемент і коливальну систему, між якими існує коло додатного зворотного зв’язку.

Для побудови автогенератора звичайно використовують два типи підсилюючих схем – резонансні підсилювачі і підсилювачі на резисторах. Автогенератори, які виконані на основі схеми резонансного підсилювача, називають автогенераторами типу LC, автогенератори, що виконані на основі схеми підсилювача на резисторах, – автогенераторами типу RC. Перші використовуються головним чином на високих частотах, другі – на низьких.

Як підсилюючі елементи схем автогенераторів, що використовуються у засобах електронної автоматики і обчислювальної техніки, найбільш широко використовуються транзистори і тунельні діоди.

При вивчені цієї теми особливу увагу необхідно приділити таким питанням:

• В чому полягає сутність фізичних процесів, що відбуваються в схемах автогенераторів?

• Якими міркуваннями керуються при побудові схем генераторів типу LC і RC та які функції елементів, що входять до їх складу?

• Якими технічними показниками характеризуються автогенератори?

• Як забезпечити стабільність частоти генерованих коливань?

П ринцип роботи транзисторного автогенератора типу LC. Найпростіша схема транзисторного автогенератора типу LC показана на рис. 3.59. Така схема називається генератором із трансформаторним зв’язком і використовується зазвичай у діапазоні високих частот.

Коливальний контур, що складається із котушки L_К і конденсатора С_К, є колекторним навантаженням транзистора VT. Індуктивний зв’язок між виходом і входом підсилювача забезпечується котушкою L_Б, приєднаною до бази транзистора. Елементи R₁, R₂, R_Е і С_Е призначені (так же, як і у підсилювачах) для забезпечення необхідного режиму по постійному струму і його термостабілізації. Завдяки конденсатору С_Б, ємнісний опір якого на частоті генерації незначний, заземлюється один кінець базової котушки L_Б, чим створюється коло для змінної складової струму між базою і емітером транзистора. Точками позначені початки обмоток L_Б і L_К, оскільки необхідно дотримати умову балансу фаз.

Робота автогенератора починається при включенні джерела живлення U_К. В момент включення джерела живлення у колекторному колі транзистора з’являється струм І_К, який заряджає конденсатор коливального контуру С_К. Оскільки до конденсатора С_К підключена котушка L_К, то після заряду конденсатор почне розряджатись через цю котушку. В результаті обміну енергією між конденсатором і котушкою в контурі L_КС_К виникають вільні затухаючі (які могли би припинитись через теплові втрати енергії в активних опорах контуру) коливання, частота яких визначається параметрами контуру і дорівнює

.

Змінний (коливальний) струм контуру, проходячи по котушці L_К, створює навколо неї змінне магнітне поле. Внаслідок цього, оскільки між котушками L_Б і L_К існує індуктивний зв’язок із коефіцієнтом взаємоіндукції М, в котушці зворотного зв’язку L_Б, включеній в коло бази транзистора, наводиться змінна напруга U_Б тієї ж частоти, з якою відбуваються коливання в контурі. Ця змінна напруга викликає в базовому колі пульсуючий струм I_Б = U_Б/R_вх, в якому є змінна складова. Змінна складова струму І_Б визначає пульсацію струму колекторного кола, яка заповнює втрати енергії в контурі, створюючи в ньому підсилену транзистором змінну напругу. В свою чергу це призводить до нового зростання напруги на котушці зв’язку L_Б, яке спричинить нове зростання амплітуди змінної складової струму колектора і т.д.

Зростання колекторного струму не відбуватиметься не безмежно – воно спостерігається лише в межах активної ділянки вихідної характеристики транзистора (нагадаємо, що на ділянці насичення струм колектора практично не змінюється).

Отже, підсилені коливання передаються із контуру знову в базове коло, і розмах коливань поступово зростає, досягаючи заданого значення. Збільшення амплітуди коливань пояснюється перевищенням кількості енергії, що надходить в контур над втрачаємою, а наступне встановлення певного (незмінного) розмаху коливань зумовлено зменшенням коефіцієнта підсилення каскаду внаслідок перерозподілу значень коефіцієнта підсилення і коефіцієнта додатного зворотного зв’язку і встановленням динамічної рівноваги між припливом енергії і її втратами при даній амплітуді коливань.

Незгасаючі коливання в контурі автогенератора встановлюється лише при виконанні двох основних умов, які отримали назву умов самозбудження.

Як зазначалось, перша із цих умов називається умовою балансу фаз. Суть його зводиться до того, що в схемі має бути встановлений саме позитивний зворотний зв’язок між вихідним і вхідним колами транзистора. Лише в цьому випадку створюються необхідні передумови для заповнення втрат енергії в контурі. Оскільки резонансний опір паралельного контуру носить чисто активний характер, то при дії на базу сигналу з частотою, рівній частоті резонансу, напруга на колекторі буде зсунута за фазою на 180° (як для звичайного резистивного каскаду посилення). Напруга, що наводиться на базовій котушці за рахунок струму І_К, що протікає через контурну котушку L_К,

U_Б = ±jω₀·M·I_К

де М – коефіцієнт взаємоіндукції між котушками.

Очевидно, необхідно так вибрати напрям намотування базової котушки, щоб U_Б = –jω₀·M·I_К. Лише в цьому випадку фазовий зсув у колі «підсилювач–зворотний зв’язок» дорівнюватиме нулю: φ_К + φ_β = 0, тобто, в схемі буде встановлений позитивний зворотний зв’язок. Це забезпечується правильним включенням обмоток L_Б і L_К, і тому на схемі позначені початки обмоток.

Якщо ж U_Б = +jω₀·M·I_К, то зворотний зв’язок виявиться негативним і коливання в контурі припиняться. При відсутності самозбудження необхідно поміняти місцями кінці котушки зв’язку L_Б. При цьому автогенератор самозбудиться, якщо в схемі відсутні інші несправності.

Виконання умови балансу фаз є необхідним, але недостатнім для самозбудження схеми. Друга умова самозбудження полягає в тому, що для існування автоколивального режиму ослаблення вихідного сигналу, що вноситься колом зворотного зв’язку, повинно компенсуватися підсилювачем. Іншими словами глибина додатного зворотного зв’язку має бути такою, щоб втрати енергії в контурі відновлювались повністю.

За наявності позитивного зворотного зв’язку (див. ч. 2, п. 3.2.3) коефіцієнт підсилення складає

,

де К – коефіцієнт підсилення безпосередньо підсилювача; β – коефіцієнт передачі кола зворотного зв’язку.

Для даної схеми коефіцієнт β, що показує, яка частина змінної напруги контуру подається на базу транзистора в сталому режимі роботи, складає:

,

де І_К m – амплітуда струму в контурі автогенератора.

Оскільки підсилювач з позитивним зворотним зв’язком переходить в режим генерації за умови βК ≤ –1, значення коефіцієнта зворотного зв’язку, необхідне для самозбудження складатиме β ≤ –1/К.

Коефіцієнт посилення схеми на резонансній частоті, з врахуванням h-параметрів транзистора, визначається приблизно за виразом

.

Тому

.

Останній вираз, який визначає умову самозбудження, є другою необхідною умовою, яка отримала назву умови балансу амплітуд.

Процес виникнення, наростання і встановлення коливального режиму транзисторного автогенератора (при виконанні умов балансу фаз і амплітуд) можна пояснити за допомогою так званої коливальної характеристики автогенератора (рис. 3.60), що є залежністю U_вих = f(U_вх).

Н а рис. 3.60 зображені амплітудна характеристика власне підсилювальної ланки та пряма лінія, що виражає залежність коефіцієнта передачі кола зворотного зв’язку від величини вхідної напруги , і характеризує послаблюючу дію кола зворотного зв’язку.

Припустимо, що на вхід транзистора надходить напруга U_вх 1 (рис. 3.60). Після посилення в K разів на виході підсилювача з’явиться напруга U_вих 1. Це напруга, ослаблена в β раз, викличе появу на вході напруги U_вх  2, яка створить на виході нову напругу і так далі Процес продовжуватиметься до тих пір, поки величина вихідного сигналу не досягне свого сталого значення (точка А), при якому виконується умова βК = –1.

Через нелінійність характеристик транзистора амплітудна характеристика підсилювача також виявляється нелінійною, тобто із зростанням рівня вихідного сигналу коефіцієнт посилення зменшується. Саме тому амплітуда коливань в контурі не може збільшуватися безмежно і обмежується на певному рівні, відповідному сталому режиму. З рис. 3.60 видно, що після включення джерела живлення автоколивання виникають і розвиваються при дії на вхід транзистора будь-якої, скільки завгодно малої, напруги, яка завжди існує внаслідок флуктуаційних змін режиму роботи схеми.

Автогенератор може працювати в різних режимах. Для характеристики режиму слугує коефіцієнт використання колекторної напруги ξ. Цей коефіцієнт дорівнює відношенню амплітуди змінної напруги на контурі U_К m до постійної напруги на колекторі: .

При ξ < 1 встановлюється недонапружений режим роботи автогенератора. При ξ > 1 режим роботи називають перенапруженим. При ξ ≈ 1 генератор працює в так званому критичному режимі. Зазвичай використовується критичний режим роботи автогенератора. В цьому випадку автогенератор віддає необхідну корисну потужність при досить високому ККД.

Окрім схеми з трансформаторним зв’язком, широкого поширення в електронній апаратурі набули так звані трьохточкові схеми з автотрансформаторним і ємнісним зв’язком.

С хема автогенератора із автотрансформаторним зв’язком показана на рис. 3.61.

Режим, по постійному струму і його термостабілізації здійснюється так же як і в схемі рис. 3.59. По змінному струму частоти генерації контур приєднується до трьох електродів транзистора – емітера, бази, коллектору – трьома точками: Е, Б, К. У схемі, наведеній на рис. 3.61, відведення від відповідного витка контурної котушки підключене до емітера транзистора через малий внутрішній опір джерела живлення.

Напруга зворотного зв’язку знімається а частини витків контурної котушки (L_К) і через конденсатор С_Б поступає на базу транзистора. Оскільки знаки миттєвої напруги на обох частинах витків контурної котушки відносно її середньої точки протилежні, тобто зсунуті між собою за фазою на 180, а підсилювальний каскад повертає фазу ще на 180°, то зворотний зв’язок буде позитивним, тобто умова балансу фаз виконується.

Баланс амплітуд в автотрансформаторній триточковій схемі дотримується при певному співвідношенні коефіцієнта підсилення К і коефіцієнта зворотного зв’язку β – βК ≤ –1. Необхідне співвідношення досягається регулюванням співвідношення індуктивностей обох частинах витків контурної котушки відносно її середньої точки.

Аналогічно працює схема автогенератора із ємнісним зв’язком, яка показана на рис. 3.62. Ємнісна триточкова схема містить в ємнісній гілці коливального контуру два конденсатора С′_К і С′′_К, спільна точка між якими з’єднана із емітером транзистора VT. В цій схемі напруга зворотного зв’язку знімається з конденсатора С′_К. Коливальний контур включений послідовно між джерелом енергії і підсилюючим елементом.

Напруга на конденсаторах С′_К і С′′_К мають протилежну полярність відносно спільної точки, завдяки чому забезпечується виконання умови балансу фаз.

Б аланс амплітуд в ємнісній триточковій схемі зберігається також при певному співвідношенні коефіцієнта підсилення і коефіцієнта зворотного зв’язку – βК ≤ –1. В цій схемі необхідне співвідношення досягається регулюванням ємностей С′_К і С′′_К.

Ще одним прикладом генератора синусоїдальних коливань може служити доволі поширена схема генератора Колпіца, яка побудована на одному підсилювальному каскаді. Схема наведена на рис. 3.63.

В зазначеній схемі використовується звичайний LC–контур, включений в коло зворотного зв’язку підсилювача. Забезпечення додатного зворотного зв’язку при цьому здійснюється за рахунок додаткового фазового зсуву LC–контуру, що дорівнює 180, і що дозволяє компенсувати фазовий зсув підсилювального каскаду, який дорівнює –180. Частота генерованих коливань визначається за формулою

.

Автогенератори на тунельних діодах. Завдяки властивостям тунельного діоду, таким як, зокрема, широкий частотний діапазон, мала споживана потужність, висока температурна стабільність, автогенератори на тунельних діодах є перспективними пристроями, які здобувають такі якості як мініатюрність, високостабільність, широкодіапазонність. Недоліком генераторів на тунельних діодах є мала вихідна потужність, а також деяка нестабільність роботи через розкид параметрів сучасних тунельних діодів.

Найбільш повно переваги тунельного діода вдається використовувати в генераторах діапазону СВЧ, особливо на частотах вище за 1 ГГц, де через неможливості використання транзисторів доводилося використовувати складні, громіздкі і неекономічні генератори на спеціальних радіолампах. Сучасні тунельні діоди дозволяють генерувати електричні коливання з частотами до 100 ГГц.

Використання тунельного діода в схемах генераторів пояснюється тим, що за допомогою від’ємного опору тунельного діода можна компенсувати втрати в коливальному контурі і отримати в ньому незгасаючі коливання. Тому робочою ділянкою вольт-амперної характеристики тунельного діода є її падаюча ділянка де диференціальний опір – від’ємний. Ширина падаючої ділянки характеристики тунельного діода зазвичай не перевищує декількох десятків мілівольт. Тому амплітуда коливань, що генеруються, в автогенераторі на тунельному діоді виявляється невеликою. Найбільша величина вихідної потужності, яку може розвинути тунельний діод, виражається співвідношенням

P_max = 1/8·(U_min – U_max)·(I_max – I_min)

При цьому робоча точка переміщується від точки максимуму (піку) вольт-амперної характеристики тунельного діода до точки мінімуму (западини) (див. ч. 2, п. 2.1.4). Внаслідок нелінійності характеристики поблизу цих точок форма коливань, що генеруються, може виявитися спотвореною. Для зменшення спотворень доводиться зменшувати робочу ділянку характеристики, обмежуючись його лінійною частиною. Проте це призводить до зменшення потужності, що віддається, яка практично не перевищує декількох сотень мілліватт.

а) б)

Рис. 3.64.

На рис. 3.64-а наведена принципова, а на рис. 3.64-б еквівалентна схеми простого автогенератора на тунельному діоді. За допомогою дільника R₁–R₂ задається необхідне положення робочої точки. Коливальний контур утворений котушкою L і власною ємністю діода С_д. Еквівалентна схема такого генератора може бути представлена у вигляді кола, показаного на рис. 3.64-б. Тут R_Σ – загальний активний опір, що враховує опір дільника і опір втрат контуру. Умови самозбудження виконуватимуться, якщо величина |–R_д| виявиться достатньою, щоб компенсувати втрати в контурі, тобто R_Σ < |–R_д|.

Крім того, необхідно, щоб L > R_Σ·|–R_д|·C_д. При цьому схема самозбуджується і генерує коливання з частотою .

На рис. 3.65 показані два різновиди типових схем автогенераторів на тунельних діодах: а) – із послідовним живленням; б) − із паралельним живленням.

Слід звернути увагу на те, що тунельний діод – двополюсник. Тому схема автогенератора на тунельному діоді простіша, ніж на транзисторі, оскільки відпадає необхідність зовнішнього зворотного зв’язку. Тут зворотний зв’язок закладений в самому фізичному механізмі роботи діода і виражається у виникненні від’ємного опору при правильному виборі робочої точки на вольт-амперній характеристиці. Через відсутність зовнішнього кола зворотного зв’язку і великої крутості спадаючої ділянки вольт-амперної характеристики автогенератори на тунельних діодах мають ряд особливостей. Перш за все джерело живлення повинно мати малий внутрішній опір R_дж, щоб робоча точка могла попасти на спадаючу ділянку характеристики. Для цього необхідне виконання умови

R_дж < |R_д|,

де R_д – від’ємний диференціальний опір тунельного діода в робочій точці. Через малу величину |R_д| резонансний опір контуру також виявляється малим:

R_рез = m²Qρ ≈ (1,2 … 1,6)|R_д|,

де m – коефіцієнт зв’язку діода з контуром; Q – добротність контуру¹; ρ – хвилевий опір контуру².

Мала величина резонансного опору контуру визначається слабким зв’язком діода з контуром

.

Але для того, щоб контур володів добрими резонансними властивостями, необхідно мати ρQ >> 1. Якщо вважати допустимим ρQ = 10 ... 20 і прийняти Q = 100 ... 200, то

ρ ≤ (0,5 … 1) |R_д|.

Наведені співвідношення використовуються для розрахунку контуру автогенератора на тунельному діоді.

а) б)

Рис. 3.65.

Схема на рис. 3.65-а отримала назву схема з послідовним живленням діода (джерело живлення, контур і діод включені послідовно один з одним). Напруга джерела живлення зазвичай подається за допомогою дільника. Для отримання малого внутрішнього опору джерела опір резистора R₁ слід вибирати з умови R₁ < |R_д|.

Схема на рис. 3.65-б називається схемою з паралельним живленням. Тут джерело живлення, діод і контур включені між собою паралельно (діод і джерело живлення – за постійним струмом, контур і діод – за змінним). Для усунення самозбудження в контурі C₂L_др послідовно з дроселем включається резистор R, опір якого вибирається за умови R < |R_д|. При паралельному живленні постійний струм джерела не надходить в контур, що запобігає даремному нагріву котушки контуру і сприяє підвищенню стабільності генерованої частоти.

Стабілізація частоти LC–генераторів. Найважливішою вимогою, що пред’являється до автогенератора, є стабільність частоти генерованих коливань. Проте в процесі роботи автогенератор піддається різним впливам, які призводять до зміни його робочої частоти. Основними причинами нестабільності частоти є: зміни навколишньої температури, що призводять до зміни геометричних розмірів і електричних властивостей деталей схеми; зміни напруги джерел живлення; механічна вібрація і деформація деталей і ін. Крім того, на стабільність частоти впливають паразитні індуктивності і ємності схеми – міжелектродні ємності підсилювальних елементів, що змінюються із зміною режиму роботи, індуктивності виводів електродів, ємності монтажу і так далі. Зменшення впливу цих чинників досягається використанням для виготовлення деталей матеріалів, що мало міняють свої властивості при зміні температури, екрануванням і герметизацією контурів, стабілізацією джерел живлення, раціональним монтажем і т. д.

Найбільш ефективною мірою підвищення стійкості частоти автогенераторів типа LC є кварцова стабілізація. Вона заснована на використанні в схемі автогенератора кварцових пластинок з сильно вираженим п’єзоелектричним ефектом.

Якщо кварцову пластинку стиснути або розтягнути, то на її протилежних гранях з’являються рівні за величиною, але різні за знаком електричні заряди. Величина їх пропорційна силі стискання або розтягування, а знаки залежать від напряму сили тиску. Це явище носить назву прямого п’єзоелектричного ефекту. Якщо ж до граней пластинки кварцу прикласти електричну напругу, то пластинка стискатиметься або розтягуватиметься залежно від полярності прикладеної напруги. Це явище називається зворотним п’єзоелектричним ефектом.

Ц інною властивістю кварцу є дуже висока стабільність частоти механічних коливань, яка визначається геометричними розмірами кварцової пластинки і напрямом деформації. Ця властивість у поєднанні з прямим п’єзоелектричним ефектом, що перетворює механічні коливання на електричні, дає можливість використовувати кварцові пластинки для стабілізації частоти автогенератора. Еквівалентна схема кварцової пластинки представлена на рис. 3.66-а. Добротність такого еквівалентного послідовного контуру досягає величини Q_кв = 10⁴ ... 10⁶. Тому фіксуюча здатність кварцової коливальної системи виявляється дуже високою. Одна з можливих схем кварцового автогенератора показана на рис. 3.66-б.

Основна вимога до такого автогенератора – генерування коливань лише на частоті f_кв, визначуваною кварцом. Це означає, що в автогенераторі не повинні виникати коливання на інших частотах і що генерація повинна зриватися при вилучені кварцу із схеми. Проте підключати кварц безпосередньо паралельно тунельному діоду не можна, оскільки резонансний опір кварцу (як опір послідовного контуру при резонансі) в більшості випадків менше величини |–R_VD|. У схемі, приведеній на рис. 3.66-б, на всіх частотах, окрім частоти послідовного резонансу кварцу, загальний опір втрат R_Σ такий, що умова самозбудження не виконується. На частоті послідовного резонансу кварцу його активний опір зменшується настільки, що резистори R₂ і R₃ виявляються включеними паралельно. Загальний опір втрат в контурі при цьому зменшується, внаслідок чого виконуватимуться умови самозбудження і схема почне генерувати коливання. Отже, генерація можлива лише на одній суворо фіксованій частоті, рівній частоті власних коливань кварцу.

Очевидно, що стабілізація частоти за допомогою кварцу утруднюється, якщо в процесі роботи потрібно перебудовувати частоту коливань, що генеруються. В цьому випадку треба мати стільки кварцових пластин, скільки частот необхідно стабілізувати.

Автогенератори типу RC­­­. Застосовування генераторів з коливальними контурами (типа LC) для генерування коливань з частотами нижче 15-20 кГц ускладнено і незручно через громіздкість контурів. Для цих цілей широко використовуються генератори типу RC, в яких замість коливального контуру використовуються вибіркові RC­­­-фільтри.

Генератори типу RC можуть генерувати стабільні синусоїдальні коливання в порівняно широкому діапазоні інфранизької і низької частот (від часток герца до десятків кілогерц). Крім того, вони мають малі габарити і масу. Найбільш повно переваги генераторів типа RC виявляються в області низьких частот.

Узагальнена структурна схема генератора синусоїдальних коливань типу RC наведена на рис. 3.67.

Рис. 3.67.

Підсилювач будується за звичайною резистивною схемою. Для самозбудження підсилювача, тобто для перетворення первинного імпульсу на незгасаючі коливання, необхідно на вхід підсилювача подавати частину вихідної напруги, що перевищує вхідну напругу або рівну їй по величині і що співпадає з нею за фазою. Іншими словами, охопити підсилювач позитивним зворотним зв’язком достатньої глибини. При безпосередньому з’єднанні виходу підсилювача із його входом самозбудження відбудеться, однак форма генерованих сигналів буде значно відрізнятись від синусоїдальної, оскільки умови самозбудження будуть одночасно виконуватись для коливань багатьох частот. Для отримання саме синусоїдальних коливань необхідно, щоб ці умови (за фазою і амплітудою) виконувались тільки для однієї певної частоти і різко порушувались для всіх інших. Ця задача розв’язується за допомогою фазообертового кола, що уявляє собою коло частотно-залежного зворотного зв’язку і забезпечує такий поворот фази в цьому колі, при якому вона виявляється додатною для потрібної частоти.

Коло частотно-залежного зворотного зв’язку складається із кількох RC-ланок і забезпечує поворот фази вихідної напруги підсилювача на 180°. Можливі два варіанти таких RC-ланок, що отримали назву «R-паралель» (рис. 3.68-а) і «С-паралель» (рис. 3.68-б).

а) б)

Рис. 3.68.

О скільки одна RC-ланка змінює фазу напруги на кут 0° < φ < 90° (рис. 3.69), то мінімальне число ланок фазообертового кола – три, що і застосовується в практичних схемах генераторів, де кожна із RC-ланок повертає фазу сигналу на кут φ  60°, а сумарний кут зсуву дорівнює 180°.

Частота генерованих синусоїдальних коливань для наведених на рис. 3.68 схем фазообертових кіл за умови R₁ = R₂ = R₃ = R і C₁ = C₂ = C₃ = C розраховується за формулами:

для схеми на рис. 3.68-а – ;

для схеми на рис. 3.68-б – .

Для забезпечення балансу амплітуд коефіцієнт підсилення підсилювача повинен дорівнювати затуханню, яке вноситься фазообертове коло, через яке напруга із виходу надходить на вхід підсилювача, або перевищувати його.

Можна показати, що для наведених схем затухання складає . Отже, схеми генераторів, фазообертові кола яких складаються із однакових RC-ланок можуть генерувати коливання частотою f₀ якщо коефіцієнт підсилення підсилювача перевищує 29¹.

У фазообертовому колі із однаковими ланками кожна наступна ланка створює шунтуючу дію на попередню. Для зменшення шунтуючої дії ланок і зменшення затухання застосовують так звані прогресивні ланцюжки фазообертових кіл зворотного зв’язку. В них опір резистора кожного наступної RC-ланки вибирається в m раз більше опору попередньої ланки, а ємності наступних ланок – в m раз зменшуються, тобто

R₂ = mR₁; R₃ = m² R₁; C₂ = C₁/m; C₃ = C₁/m².

Звичайно величина m не перевищує 45.

На рис. 3.70 наведені можливі схеми автогенераторів RC-типу із фазообертовим колом.

а) б)

Рис. 3.70.

З точки зору забезпечення умови балансу фаз RC–генератор можна було б побудувати і на одному транзисторі (рис. 3.70-а), включеному за схемою із спільним емітером. Але в цьому випадку коло зворотного зв’язку шунтує резистор R_К транзистора VT і знижує його підсилення, а малий вхідний опір транзистора різко збільшує затухання в колі зворотного зв’язку. Тому доцільно (рис. 3.70-б) розділити вихід фазообертового кола і вхід підсилювача на транзисторі VT₂ за допомогою емітерного повторювача² на транзисторі VT₁.

Робота RC–генератора починається із моменту включення джерела живлення U_К. Виниклий при цьому імпульс колекторного струму містить широкий і неперервний спектр частот, який включає і необхідну частоту генерації. Завдяки виконанню умов самозбудження коливання саме цієї частоти стають незатухаючими, тоді як коливання всіх інших частот, для яких умова балансу фаз не виконується, швидко затухають.

Іншим різновидом RC–генераторів є схема із колом Віна. Найпростіша схема RC-генератора синусоїдальних коливань на операційному підсилювачі із мостом Віна-Робінсона наведена на рис. 3.71-а.

Ці генератори відрізняються від релаксаційних тим, що до їх складу входять електричні кола або компоненти, що володіють резонансними властивостями. Завдяки їм умова виникнення автоколивань (див. ч. 2, п. 3.3) виконується тільки у вузькій смузі частот. Компоненти з резонансними властивостями або відповідні резонансні кола можуть бути встановлені в міжкаскадних колах підсилювача або в колах, що створюють позитивну або негативну зворотний зв’язок. Причому параметри вибирають так, щоб умови виникнення виконувалися тільки у вузькій смузі частот.

Так, в наведеній схемі як ланку зворотного зв’язку використаний смуговий RC-фільтр, частотні характеристики якого наведені на рис. 3.71-б. По осі абсцис відкладена відносна частота Ω = ω·RC (де ω – поточна частота), тому середня частота дорівнює одиниці. Фазовий зсув на середній частоті φ(1) = 0. Отже, для виконання умови балансу фаз (див. ч. 2, п. 3.3) вихід ланки зворотного зв’язку повинен бути підключений до неінвертуючого входу ОП. Коефіцієнт підсилення смугового фільтра на середній частоті |β(1)| = 1/3. Для виконання умови балансу амплітуд ОП по неінвертуючому входу повинен мати коефіцієнт підсилення К = 3. Тому R₁ = 2R₂.

У цілому, коло, підключене до ОП (смуговий фільтр і дільник R₁R₂), називається мостом Віна-Робінсона (спрощена назва – ланцюжок Віна).

При суворому виконанні умови (R₁ = 2R₂) та ідеального ОП в схемі на рис. 3.71-а будуть існувати незгасаючі коливання з частотою f = 1/(2πRC). Однак амплітуда цих коливань не буде визначена. Крім того, навіть незначне зменшення R₁ в порівнянні з (R₁ = 2R₂) викличе затухання коливань. Навпаки, збільшення R₁ в порівнянні з (R₁ = 2R₂) призведе до наростання амплітуди коливань аж до насичення підсилювача і, як наслідок, до появи помітних нелінійних спотворень форми кривої вихідної напруги генератора. Ці обставини вимагають використання у складі генератора системи автоматичного регулювання амплітуди. У простому випадку для цього як резистор R₂ використовують нелінійний елемент − мікропотужну лампу розжарювання, динамічний опір якої із зростанням амплітуди струму збільшується.

а) б)

Рис. 3.71.