Генераторы синусоидальных колебаний.

Эти генераторы отличаются от релаксационных тем, что в их состав входят электрические цепи или компоненты с резонансными свойствами. Благодаря им условия возникновения автоколебаний фпет выполняются только в узкой полосе частот. Компоненты с резонансными свойствами или соответствующие резонансные цепи могут быть установлены в цепях межкаскадной связи усилителя или в цепях, создающих положительную или дополнительную отрицательную обратную связь. Причем параметры выбирают так, чтобы условия возникновения колебаний выполнялись только в узкой полосе частот при всех колебаниях параметров усилителя и цепи ОС.

В диапазонах низких, звуковых и радиочастот в качестве резонансных цепей и компонентов применяют -цепи, -контуры, кварцевые резонаторы, электромеханические колебательные системы (например, камертоны и др.).

Избирательные RC-цепи имеют сравнительно пологие амплитудно- и фазо-частотную характеристики петлевого усиления (рис 8.37, а).

Рис. 8.37. Петлевое усиление при резонаторах разных типов (а): фазо-частотная характеристика петлевого усиления для резонансной RC-цепи (б); мост Вина (в); цепочная фазосдвигающая цепь (г); мостовая фазосдвигающая цепь (д)

Поэтому, если больше единицы даже на небольшую величину, условия возникновения автоколебаний выполняются в сравнительно широкой полосе частот . При этом форма выходного сигнала существенно отличается от синусоидальной. Поэтому у автогенераторов с резонансными RC-цепями, которые называют RC-генераторами, приходится вводить дополнительные цепи автоматического регулирования коэффициента усиления. Для гарантированного возбуждения автогенератора при любых колебаниях параметров усилителя и цепи ОС петлевое усиление приходится брать несколько большим, чем единица. С нарастанием амплитуды коэффициент усиления автоматически уменьшается. В момент, когда , происходит стабилизация амплитуды колебаний. Для уменьшения нелинейных искажений формы выходною сигнала цепь двтоматического изменения амплитуды должна быть инерционной. Однако на практике с целью упрощения широко используют нелинейные элементы, которые уменьшают значение К после достижения амплитудой колебаний определенного значения.

При этом наблюдаются некоторые искажения формы выходного напряжения [коэффициент гармоник (см. §4.1) не менее долей — нескольких процентов].

В RC-генераторах выходное напряжение практически повторяет форму тока, создаваемого усилителем. Поэтому они не могут работать с отсечкой тока и имеют сравнительно плохие энергетические характеристики (малый КПД).

Для -автогенераторов характерны: простота в реализации, дешевизна; низкие массогабаритные показатели; диапазон частот автоколебаний от долей Гц — до нескольких сотен невысокая стабильность частоты, меньшая, чем у -генераторов; существенные искажения формы автоколебаний .

Некоторые из широко применяемых в автогенераторах -цепей приведены на рис. 8.37, в, г, д. Их обычно включают в цепь обратной связи электронных усилителей, например ОУ. Так, например, при использовании моста Вина (рис. 8.37, в) его коэффициент передачи

где

Если , то (8.50) примет вид

Коэффициент у будет вещественным на частоте , определяемой из уравнения

откуда частота автоколебаний

Так как на этой частоте , то для выполнения условия усилитель должен иметь коэффициент усиления 3.

Схема -генератора с мостом Вина в цепи положительной ОС приведена на рис. 8.38, а. Условие баланса фаз фпет выполняется на частоте . Баланс амплитуд обеспечивается за счет цепи отрицательной обратной связи, состоящей из резисторов . В режиме установившейся амплитуды коэффициент усиления напряжения, поданного на неинвертирующий вход,

Рис. 8.38. RС-генераторы синусоидальных колебаний на основе моста Вина (а) и цепочечной фазосдвигающей RС-цепи (б)

Роль резистора выполняет маломощная лампа накаливания, представляющая собой терморезистор, сопротивление которого увеличивается по мере его нагрева. При включении такого автогенератора и холодном терморезисторе , что обеспечивает стабильность самовозбуждения схемы. С ростом амплитуды и нагрева терморезистора током, протекающим через него, глубина отрицательной ОС увеличивается до выполнения условия . Такая инерционная отрицательная ОС позволяет стабилизировать амплшуду выходного напряжения и практически не искажает формы колебаний автогенератора.

-генераторы, выполненные по этой схеме, успешно работают в полосе частот 1 Гц — . Коэффициент гармоник при тщательной настройке около 0,5%. Перестройку частоты можно выполнить в широких пределах путем одновременного изменения резисторов .

Фазосдвигающая цепь, имеющая лестничную структуру (рис. 8.37, г), вносит -градусный фазовый сдвиг на частоте автоколебаний. Поэтому ее подключают к инвертирующему входу ОУ (рис. ) и получают Фпет . Резистор выполняет функцию частотно-независимой отрицательной ОС, снижающей коэффициент усиления по напряжению и входное сопротивление. Частоту автоколебаний определяют с помощью уравнения

Диоды выполняют функции нелинейных элементов в цепи отрицательной ОС. Параметры схемы выбирают так, чтобы при отсутствии автоколебаний коэффициент был . При увеличении амплитуды автоколебаний диоды , начнут открываться в моменты времени, когда напряжения на них превысят пороговые значения.

Это приводит к увеличению глубины отрицательной ОС, уменьшению коэффициента усиления по напряжению и стабилизации амплитуды. Напряжение смещения на диодах задается с помощью резисторов — которые подбираются при настройке.

В данном случае для стабилизации амплитуды использована безынерционная дополнительная отрицательная ОС. Поэтому искажения формы колебаний в этой схеме больше, чем в схемах с мостами Вина.

Аналогично выполняются -автогенераторы с фазосдвигающими цепями другого типа (рис. 8.37, д).

Область применения этих генераторов колебаний — устройства, работающие в диапазоне частот доли Гц — сотни , в которых к точности и стабильности частоты не предъявляются жесткие требования (нестабильность частоты порядка долей — нескольких процентов).