Самовозбуждение генератора

ГЕНЕРИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ

Устройства, предназначенные для соз­дания электрических колебаний, называют генераторами. С точки зрения режима работы их разделяют на автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением.

Автогенератор (часто, просто генератор) устройство, преобразующее энер­гию постоянного тока в энергию электрических колебаний требуемой частоты и формы.

Генератор с внешним возбуждением (в импульсной технике — ждущий ге­нератор) переходит в режим генерации, формирования, или усиления электри­ческих колебаний только при поступлении на его вход сигналов возбуждения (запуска).

В зависимости от формы вырабатываемых напряжений различают генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. Генератор гармониче­ских колебаний (к ним относятся и генераторы СВЧ колебаний) вырабатывает сиг­нал, в спектре которого присутствует практически одна гармоника. Выходные коле­бания релаксационного генератора содержат широкий спектр гармонических со­ставляющих, часто имеющих соизмеримые амплитуды. Можно отметить и генера­торы линейных пилообразных напряжений, которые относятся к релаксационным. Особую группу представляют автогенераторы случайных колебаний (сигналов) — шумовые генераторы, рассматриваемые здесь схематично.

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического выпол­нения автогенератор любых перечисленных колебаний (кроме параметри­ческих схем) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи (ОС) и источника питания постоянного тока. Форма и частота выходных колебаний определяется только параметрами самого автогенератора, между тем как в генераторе с внешним возбуждением амплитуда и частота колебаний навя­зываются извне.

Генератор гармонических колебаний должен обязательно содержать узкополос­ную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов осно­ван на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях положительной обратной связи.

Самовозбуждение генератора

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора гармонических колебаний. Для процесса возбуждения и генерации колебаний часть их мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подается на его вход по цепи поло­жительной ОС. Говоря другими словами, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний можно упрощенно трактовать следующим образом. При запуске в колебательной системе автогенератора самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжений в усилительном приборе и т. д. Благодаря специально введенной цепи положительной ОС, часть энергии ко­лебаний, возникающих на выходе усилителя, поступает на его вход. Ввиду наличия узкополосной (обязательно высокодобротной) колебательной системы описанные процессы происходят на одной частоте ω_р и резко затухают на других частотах.

Вначале, после включения питания автогенератора, усиление сигнала проис­ходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, суще­ственную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента. В результате амплитуда выходных колебаний генератора, нарастая, достигает некоторого установившегося уровня и остается практически неизменной. Энер­гия, отбираемая у источника постоянного тока усилителем схемы за один пери­од колебаний, оказывается равной энергии, расходуемой за то же время в на­грузке. В этом случае говорят о стационарном режиме работы автогенератора.

Рис. 27. Обобщенная структурная схема автогенератора

Автогенератор гармонических колебаний (как, впрочем, и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 27),состоящей из нелинейного усилителя с комплексным
коэффициентом усиления К = К (jω) и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению β = β(jω).

Как следует из соотношения (38), автогенератор будет работать в стацио­нарном режиме при условии, что

К β=1. (39)

Если же К β > 1, то амплитуда выходных колебаний будет непрерывно на­растать.

Наиболее часто в автогенераторах гармонических колебаний в качестве узко­полосных колебательных систем используются резонансные LС -контуры и частотно-зависимые (фазирующие) RС -цепи. Автогенераторы гармонических ко­лебаний с упомянутыми резонансными контурами называют LС -генераторами, а с фазирующими RС -цепями — RС -генераторами. LС -генераторы способны выра­батывать колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), а RС -генераторы используются для создания гармонических колебаний низ­кочастотного диапазона (от десятков кГц до единиц и даже долей Гц).

RС -ГЕНЕРАТОРЫ

Технические характеристики LС -генераторов в диапазонах достаточно низ­ких частот существенно ухудшаются из-за резкого возрастания величин индуктивностей и емкостей колебательных контуров и соответствующих им размеров катушек индуктивностей и конденсаторов. Поэтому в низкочастотных автогене­раторах в качестве колебательных систем и цепей положительной ОС исполь­зуют частотно-избирательные RС -цепи.

Практически все современные RС- генераторы малой и средней мощностей (до десяти — пятнадцати ватт) строятся на ОУ.

Напряжение положительной обратной связи в RС -генераторах на опера­ционных усилителях можно подавать как на инвертирующий, так и на неин­вертирующий входы. В схемах RС -генераторов с неинвертирующим включением операционного усилителя частотно-избирательная цепь положи­тельной ОС не должна вносить фазового сдвига в выходной сигнал. В RС -генераторах с инвертирующим включением ОУ, наоборот, RС -цепь положи­тельной обратной связи на частоте генерации должна сдвигать фазу выходных колебаний на угол φ_β =π.

Наиболее.распространены в радиоэлектронике и технике связи низ­кочастотные автогенераторы двух видов — с фазосдвигающей RС - цепью и с мос­том Вина.

Автогенератор с фазосдвигающей RС -цепью

Такой автогенератор содержит инвертирующий усилитель и трехзвенную RС -цепь положительной ОС (рис. 32, а).

Из курса теории цепей известно, что данная трехзвенная RС -цепь (ее на­зывают R -параллель) имеет типовые частотную β (f) и фазовую φ_β (f) характери­стики, показанные на рис. 32, б. Анализ графиков частотной и фазовой ха­рактеристик показывают, что на квазирезонансной (напомним, якобы резо­нансной) циклической частоте генерации f _к трехзвенная RС -цепь положи­тельной ОС имеет вещественное значение коэффициента передачи β = 1/29 и вносит фазовый сдвиг φ_β = π. Поэтому для обеспечения в автогенераторе ба­ланса амплитуд (30) необходимо выбирать коэффициент усиления усилителя | K | — R ₂/ R ₁ ≥ 29, а баланс фаз (31) обеспечивается автоматически путем ин­вертирующего включения ОУ.

Можно показать, что квазирезонансная частота генерации для схемы с идеальным ОУ (см. рис. 32, a) определяется формулой

. (54)

Как следует из этой формулы, частота генерации зависит только от пара­метров цепи ОС R и С (т.е. внешних элементов усилителя).

а) б)

Рис. 32. Автогенератор с трехзвенной RC- цепью:

а – схема; б – частотная и фазовая характеристика

Если в схеме рассмотренного RС -генератора (см. рис. 32, а) поменять места­ми резисторы и конденсаторы в трехзвенной цепи, то квазирезонансная частота будет определяться соотношением:

(55)

При этом необходимо обеспечить коэффициент усиления собственно усили­теля К ≥ 18,4, поскольку коэффициент передачи такой цепи β ≈ 0,055.

Недостатки RС -генератора на инвертирующем усилителе и трехзвенной RС -цепью — довольно большое количество элементов в петле положительной ОС и, как следствие, трудность перестройки частоты генерации в широком диапа­зоне. Поэтому чаще применяют автогенераторы с неинвертирующим включени­ем операционного усилителя и мостом Вина в цепи положительной ОС.

RC -генератор с мостом Вина

Данный автогенератор имеет более компактную структуру построения схемы. В ней цепь положительной ОС включается между выходом и неинвертирующим входом ОУ (рис. 33, а).

a) б)

Рис. 33. RC -генератор с мостом Вина:

а – схема; б – частотная и фазовая характеристики

Мост Вина представляет собой частотно-избирательную последовательно-параллельную RС -цепь, состоящую из двух емкостей С и двух сопротивлений К. Частотная β(f) и фазовая φ_β(f) характеристики моста Вина (рис.33, б) из­вестны и изучаются в курсе теории цепей. Из графика частотной характери­стики следует, что на квазирезонансной частоте генерации коэффициент передачи моста Вина β =1/3. Значит, самовозбуждение автогенератора обес­печивается при коэффициенте усиления усилителя | К | = R ₂/ R ₁≥ 3.

Фазовый сдвиг в выходном сигнале отсутствует (φ_β = 0) только на квазирезо­нансной частоте (см. рис. 33, б), которая определяется известной формулой:

(56)

Перестройка частоты в схеме осуществляется обычно с помощью сдвоен­ного конденсатора.