§ 8.6. ГЕНЕРАТОРЫ КОЛЕБАНИЙ

Общие сведения об автогенераторах.

Электронные цепи, в которых периодические изменения напряжения и тока возникают без приложения к ним дополнительного периодического сигнала, называются автономными автоколебательными цепями, а устройства, выполненные на их основе, — автогенераторами или генераторами колебаний соответствующей формы. Эти цепи следует рассматривать как преобразователи энергии источника питания постоянного тока в энергию периодических электрических колебаний.

Автогенераторы можно разделить на генераторы импульсов и генераторы синусоидальных колебаний. Генераторы импульсов в зависимости от формы выходного напряжения делят на генераторы: напряжения прямоугольной формы (ГПН); напряжения экспоненциальной формы; линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН); напряжения треугольной формы; ступенчато изменяющегося напряжения; импульсов, вершина которых имеет колоколообразную форму (блокинг-генератор).

Генераторы синусоидальных колебаний классифицируют по типу колебательной системы и подразделяют на: LC-автогенераторы; RС-автогенераторы; генераторы с кварцевой стабилизацией частоты; генераторы с электромеханическими резонансными системами стабилизации частоты.

Для получения незатухающих колебаний во всех названных автогенераторах используются компоненты электроники, на вольт-амперных характеристиках которых имеется или создан с помощью цепи положительной ОС участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Так как в большинстве автогенераторов используются электронные усилители с положительной ОС, то будем рассматривать только их.

В § 4.2 было показано, что при положительной ОС, когда фазовый сдвиг по петле усилитель — цепь обратной связи фпет равен нулю и , усилитель теряет устойчивость. Если в цепи усилителя или цепи ОС нет элемента накапливающего электрическую энергию, то усилитель с положительной ОС превращается в триггер и имеет устойчивые состояния (см. § 8.4, 8.5).

При наличии в петле усилитель — цепь обратной связи элемента, накапливающего энергию, например конденсатора, усилитель с положительной ОС не имеет ни одного устойчивого состояния и генерирует периодически изменяющееся напряжение. Генераторы импульсов, состоящие из широкополосных электронных усилителей, охваченных положительной обратной связью, глубина которой остается почти постоянной в широкой полосе частот, и имеющие в петле обратной связи элементы, накапливающие энергию, называются мультивибраторами.

Широкополосность цепи ОС является характерным признаком всех генераторов импульсов, причем во всех случаях на частоте выполняется условие . В противном случае устройство превратится в триггер. Это условие свидетельствует о наличии накопителя энергии, уменьшающего петлевое усиление на низких или инфранизких частотах до уровня, при котором невозможно появление устойчивого состояния.

Генераторы синусоидального напряжения отличаются тем, что у них цепь обратной связи имеет резонансные свойства. Поэтому условия возникновения колебаний выполняются только на одной частоте, а не в полосе частот, как у генераторов импульсов. В качестве резонаторов, обеспечивающих получение резонансных свойств, используют LC-контуры, RС-цепи определенного вида, кварцевые резонаторы, электромеханические колебательные системы и др.

Рис. 8.30. «Жесткий» режим возникновения автоколебаний

Различают «мягкий» и «жесткий» режимы возбуждения генераторов. При мягком режиме петлевое усиление больше единицы в момент включения напряжения питания. Тогда любые шумы или возмущения в системе, вызванные случайными факторами, усиливаются и через цепь обратной связи подаются на вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала, причем величина этого дополнительного сигнала больше того возмущения, которое вызвало его появление. Соответственно увеличится выходное напряжение, что приведет к дальнейшему увеличению входного сигнала и т. д. В итоге случайно возникшее возмущение приведет к непрерывному нарастанию выходного сигнала, которое достигло бы бесконечного большого значения, если бы это было возможно. Однако при определенном уровне сигнала начинают проявляться нелинейные свойства электронного усилителя. Коэффициент усиления начинает уменьшаться с увеличением значения сигнала в системе. При выполнении условия амплитуда автоколебаний стабилизируется и автогенератор начинает давать колебания, имеющие постоянную амплитуду.

Жесткий режим возбуждения отличается от рассмотренного тем, что при нем для возникновения автоколебаний необходимо приложить к устройству дополнительный внешний сигнал, не меньший определенного значения. Это связано с особенностями нелинейности усилительного устройства. В момент включения напряжения питания и отсутствия автоколебаний .

Поэтому они сами собой возникнуть не могут. Коэффициент усиления К зависит от амплитуды выходного сигнала. Поэтому если на вход усилителя подать дополнительный электрический сигнал, то при определенном его значении начнет выполняться условие . При этом возникнут автоколебания, амплитуда которых будет нарастать и примет стационарное значение при . Процесс возникновения колебаний поясняет рис. 8.30. При приложении входного сигнала, большего , например , он усиливается до напряжения, определяемого точкой , и снова подается на вход. Входное напряжение станет равным Выходное напряжение будет определяться точками 2—6 и т. д. Процесс увеличения амплитуды прекратится при достижении выходным сигналом значения (точка 6, в которой ). Если каким-либо путем амплитуду выходного сигнала уменьшить до значения, меньшего , то автоколебания прекратятся.

На практике активные приборы в автогенераторах часто работают с отсечкой тока. Поэтому подход, основанный на использовании теории обратной связи, обычно применяют для пояснения физической картины процессов. Анализ и расчет автогенераторов проводят другими методами, в основе которых лежит баланс энергий, рассеиваемых в устройстве и отбираемых от источника питания.