Автогенераторы. АВТОГЕНЕРАТОРЫ полная лекция. Условия самовозбуждения автогенераторов
 Скачать 0.59 Mb.
|
|
АВТОГЕНЕРАТОРЫ Автогенераторами называют электронные цепи, формирующие напряжение (ток) требуемой формы. В данной главе рассмотрены автогенераторы гармонических (синусоидальных) и прямоугольных колебаний. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОГЕНЕРАТОРОВ На рис. 1 приведена структурная схема автогенератора, которая состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и звена положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи b. В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, интегральных микросхемах и др.  Рис. 1. Структурная схема автогенератора Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: RL-контуры и RC-четырехполюсники. Если считать, что напряжения uвх и uвых близки к синусоидальным, то стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды Um.max и Um.min имеют неизменные значения, будет возможен только при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения: K∙β = 1; (1) φ + ψ = 0; 2π (2) где К и β — модули коэффициентов усиления и передачи соответственно усилителя и звена обратной связи, а φ и ψ — сдвиг фаз между выходными и входными напряжениями усилителя и звена обратной связи. Равенство (1) называется условием баланса амплитуд, а равенство (2) — условием баланса фаз. Условие баланса фаз означает, что в стационарном режиме сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2π, что свидетельствует о наличии в рассматриваемом устройстве положительной обратной связи. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стационарных устойчивых колебаний в автогенераторе условие (1) должно удовлетворять соотношению K∙β >= 1; (3) Процесс возникновения колебаний в автогенераторе рассмотрим на примере генератора синусоидальных колебаний, схема которого изображена на рис. 2, а. В этом автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком. Звеном обратной связи является катушка Lc, включенная и стоковую цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой Lk резонансного контура LkСк. Первоначально колебания в автогенераторе возникают или из-за флуктуации тока в транзисторе, колебательном контуре, или при подаче напряжения питания. По этим причинам при условии Rэк < √(LkCk) (Rэк— эквивалентное активное сопротивление контура, определяющее активные потери) появляются слабые колебания с частотой ω = 1/√(LkCk), которые в отсутствие положительной обратной связи должны были бы прекратиться из-за потерь энергии в контуре. Но при наличии положительной обратной связи этого не происходит. Действительно, появившееся на контуре напряжение uk усиливается транзистором. Эти колебания через катушку Lc, индуктивно связанную с катушкой Lk вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно нарастает (рис. 2, б), что соответствует условию K∙β > 1. По мере роста амплитуды напряжения в цепи затвора усилителя из-за нелинейности его амплитудной характеристики (участок ab на рис. 2, б) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение Kβ становится равным единице. При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует установившемуся стационарному режиму автоколебаний.   Рис. 2. Генератор синусоидальных колебаний. Условие баланса амплитуд в автогенераторе сводится к тому, что на резонансной частоте w0 потери энергии в контуре компенсируются энергией, вносимой в колебательный контур источником питания Ес через катушку Lc. Отметим, что баланс амплитуд обусловливает неизменную амплитуду стационарных колебаний. Условие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осуществляется при сдвиге фаз выходного напряжения усилителя и звена обратной связи на 180°, что видно из (2): φ = —ψ. Практически это условие выполняется соответствующей намоткой индуктивных катушек Lc и Lк (направления намотки витков катушек резонансного контура и стоковой цепи должны быть противоположными). Так же как и баланс амплитуд, баланс фаз поддерживается в автогенераторе автоматически. Каждый из сдвигов фаз в условии (2) зависит от частоты по-разному, но для появления автоколебаний существует только одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, равная резонансной частоте контура. Таким образом, условие баланса фаз определяет частоту генерируемых колебаний. В автогенераторах широко применяется автоматическое смешение рабочей точки на характеристиках, позволяющее выбрать необходимый режим усиления усилителя. В рассматриваемом автогенераторе в цепь затвора включено звено R3C3 для создания на затворе отрицательного смещения UЗ0 относительно истока. При появлении положительной полуволны напряжения контура uk через затвор проходит ток i3, который заряжает конденсатор С3. В результате на затворе появляется отрицательный потенциал относительно истока. В отрицательный полупериод напряжения uk ток i3 равен нулю и конденсатор С3 разряжается через резистор R3, поддерживая на затворе отрицательный потенциал. Если выполнить условие R3C3 >> Т, где Т — период автоколебаний, то конденсатор не будет успевать заметно разряжаться и, следовательно, напряжение смещения UЗ0 будет практически постоянным. Соответствующий выбор значений сопротивления R3 и емкости С3 обеспечивает работу автогенератора в требуемом режиме усиления. Для данной схемы резистор R3 имеет сопротивление в несколько мегаом, а конденсатор — емкость около 100 пФ. Если условия самовозбуждения выполняются не только для одной частоты, а для нескольких частот или какой-то полосы частот, то появляются колебания сложной формы (в том числе прямоугольной), состоящей из нескольких гармонических составляющих или большого числа гармоник. Автогенераторы по виду элементов, входящих в звенья обратной связи, подразделяются на LC-автогенераторы (высокочастотные) и RC-автогенераторы (низкочастотные) 2. LC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ LC-автогенераторы синусоидальных колебаний выполняют обычно на однокаскадном усилителе, в котором LC-контур включают как звено положительной обратной связи последовательно с транзистором или параллельно ему. Этот тип автогенератора имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что элементы колебательного LC-контура находятся под низким напряжением. Такой автогенератор довольно часто применяется в устройствах промышленной электроники. Однако большим к.п.д. и большей мощностью генерируемых колебаний обладает автогенератор, схема которого изображена на рис. 3, где LC-контур включен последовательно с транзистором по отношению к источнику питания.  Рис. 3. Схема генератора синусоидальных колебаний, в котором LC-контур включен последовательно с транзистором Элементы LC-контура находятся под более высоким напряжением, чем в рассмотренном автогенераторе. Это приводит к тому, что конденсатор той же емкости надо выбирать большего размера. Чтобы избавиться от этого недостатка и сохранить достоинства, которые отмечались, LC-контур включают через разделительный конденсатор Ср параллельно (рис. 4).  Рис. 4. Схема генератора синусоидальных колебаний, в котором LC-контур включён параллельно с транзистором Конденсатор Ср не пропускает постоянную составляющую тока в индуктивную катушку Iк. Дроссель Lp предотвращает короткое замыкание контура по переменной составляющей через источник питания Ес. Такой генератор называют генератором с параллельным питанием в отличие от генератора с последовательным питанием. Разновидностью последнего типа автогенератора является трехточечный автогенератор, в котором LC-контур включается не двумя точками, как обычно, а тремя. Различают два типа трех точечных автогенератором: индуктивный трехточечный автогенератор («индуктивная трехточка») и емкостный трехточечный автогенератор («емкостная трехточка»). Включение LC-контура тремя точками позволяет снимать сигнал обратной связи непосредственно с резонансного контура. На рис. 5, а изображена схема индуктивного, а на рис. 5, б — емкостного трехточечного автогенератора.    Рис. 5. a) LC — генератор, собранный по схеме индуктивной трехточки; б) LC — генератор, собранный по схеме емкостной трёхточки; в) схема генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе. Анализ обеих схем показывает, что для создания колебательного контура, настроенного в резонанс, необходимо, чтобы реактивные проводимости противоположных ветвей контура при идеальных конденсаторах и индуктивных катушках были равны: для индуктивной трехточки  для емкостной трехточки  Условие баланса фаз в трехточечных автогенераторах выполняется благодаря тому, что напряжение обратной связи Uос (рис. 5) и напряжение на контуре UK по отношению к шине «—» Ес (знак  ) находятся в противофазе. Условие баланса амплитуд на заданной частоте создается регулированием значений индуктивностей L1, L2 или емкостей C1, С2.В автогенераторах могут наблюдаться искажения синусоидальной формы колебаний, что означает соблюдение условий самовозбуждения для гармонических составляющих, близких к основной гармонике с частотой ω0. Подобное явление обычно наблюдается в устройствах, у которых добротность контуров мала. Чтобы исключить указанное явление, необходимо применять контуры с добротностью не менее 100. Кроме того, искажение формы генерируемых колебаний может происходить при большом коэффициенте обратной связи β: чем больше β, тем больше будет искажена форма генерируемых колебаний. Действительно, несмотря на ослабление контуром других, гармонических составляющих, близких к резонансной, для них все же будет выполняться условие баланса амплитуд. Регулировать величину β довольно затруднительно, поэтому обычно вводят отрицательную обратную связь. Например, в схеме рис. 5, а в истоковую цепь включают переменный резистор Rи. Изменением сопротивления этого резистора можно добиться оптимального значения коэффициента передачи звена отрицательной обратной связи, а следовательно, хорошей синусоидальной формы генерируемых колебаний. Изменение частоты автоколебаний осуществляется изменением емкости конденсатора Ск колебательного контура в схеме рис. 5, а, а в схеме рис. 5, б — изменением индуктивности катушки колебательного контура Lк, что не всегда удобно, так как при этом нужно перемещать сердечник катушки или изменять число ее витков. Поэтому чаще применяют автогенератор с индуктивной трехточкой. Изменение емкости конденсатора обычно осуществляют механическим перемещением одной из обкладок воздушного конденсатора. В последнее время в качестве конденсатора колебательного контура используют варикап, емкость которого изменяется путем изменения постоянного напряжения, подаваемого на варикап, что значительно упрощает перестройку частоты автоколебаний. Отметим, что LC-автогенераторы выполняются и на операционных усилителях, но на частотах не свыше 15 МГц. Это объясняется тем, что выпускаемые в настоящее время операционные усилители на частотах свыше 15 МГц имеют, как правило, коэффициент усиления, равный единице. Принципиальная схема такого автогенератора изображена на рис. 5, в. Резисторы R1 и R2 образуют цепь отрицательной обратной связи. Резонансный LC-контур включен как звено положительной ОС. 3. RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RC-четырехполюсники. Такие автогенераторы получили название RC-автогенераторов. Применение RC-четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а такой электрический параметр, как добротность, ниже необходимых требований. С помощью RC-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 RC-автогенераторы обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-автогенераторы, Для создания RC-автогенераторов широко используют биполярные транзисторы, а в последнее время полевые транзисторы и операционные усилители в интегральном исполнении. В соответствии со структурной схемой автогенератора, изображенной на рис. 1, RC-автогенератор также содержит усилитель (обычно однокаскадный или двухкаскадный) и звено обратной связи, являющееся частотно-зависимой RC-цепью. Как правило, такими частотно-зависимыми цепями являются Г-образные RC-цепи (рис. 6, а, б), мост Вина (рис. 6, в) и двойной Т-образный мост (рис. 6, г).  Рис. 6. Частотно-зависимые RC-цепи RC-автогенератор с Г-образным RC-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рис. 7, 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 RC-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°. Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте f0 = 1/(15,4∙RC), а баланс амплитуд — при коэффициенте усиления усилителя К >= 29. Если в автогенераторе, схема которого представлена на рис. 7, а, поменять местами резисторы и конденсаторы (рис. 7, б), то генерация автоколебаний будет на частоте f0 = 1/(7,5∙RC) при коэффициенте усиления усилителя К >= 18,4.  Рис. 7. RC — генератор с Г-образным RC-звеном обратной связи Отметим, что Г-образные RC-цепи иногда выполняют с количеством звеньев больше трех (чаще всего четырехзвенные). Увеличением количества звеньев в автогенераторе рис. 7, 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 изменить одновременно либо все сопротивления R, либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными RC-цепями работают обычно на фиксированной частоте или в крайнем случае в узком перестраиваемом диапазоне. Рассмотренный RC-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 RC-цепей. 4. АВТОГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА ЭЛЕМЕНТАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ Можно показать, что в рассмотренных автогенераторах положительная обратная связь превращает транзистор в прибор с отрицательным сопротивлением, который компенсирует положительное сопротивление контура Rэк, обусловленное потерями энергии. Как известно, отрицательное сопротивление возникает тогда, когда увеличение напряжения на элементе вызывает уменьшение тока в нем. Возникновение в колебательном контуре незатухающих колебаний возможно также в том случае, если вместо положительной обратной связи параллельно контуру включить прибор, обладающий отрицательным сопротивлением (рис. 8, а); при этом должно соблюдаться условие Rд =< Rэк, где Rд — отрицательное динамическое сопротивление прибора, подключаемого к колебательному контуру. К приборам, имеющим отрицательное сопротивление, относят туннельные и обращенные диоды; терморезисторы, тиристоры и другие приборы, у которых вольт-амперная характеристика имеет падающий участок (рис. 8, б). Рабочую точку А обычно выбирают посередине падающего участка.  |