ГЛАВА 12. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

§ 12.1. Принципы построения генераторов

Схемы, с помощью которых энергия источника питания преобразуется в энергию переменных электрических колебаний при отсутствии внешнего сигнала, называются генераторами.

Колебания на выходе генератора можно получить, охватив обычный усилитель положительной обратной связью (рис. 12.1). При выполнении условий (см. § 2.2)

(12.2)

в усилителе с положительной обратной связью возникают незатухающие колебания, так как первоначальное изменение напряжения на выходе схемы, возникшее за счет случайных колебаний (флуктуаций) на входе усилителя, передается по цепи обратной связи снова на вход, усиливается и вызывает еще большее изменение выходного сигнала.

С нарастанием амплитуды выходных колебаний рабочая точка каскадов, составляющих усилитель, заходит в нелинейную область динамических характеристик транзисторов усилителя и коэффициент усиления уменьшается до значения, при котором устанавливается стационарная амплитуда колебаний на выходе схемы.

Равенство (12.1) показывает, что усилитель усиливает сигнал во столько раз, во сколько ослабляет его цепь обратной связи, и называется условием баланса амплитуд.

Рис. 12.1.

При балансе амплитуд энергия источника питания через цепь положительной обратной связи компенсирует потери энергии в схеме.

Равенство (12.2) называют условием баланса фаз.

В зависимости от вида фазочастотных характеристик усилителя и цепи обратной связи условия баланса амплитуд и фаз могут выполняться для целого спектра частот и для одной частоты. В первом случае на выходе генератора будем иметь колебания сложной формы, во втором схема генерирует колебания синусоидальной формы. Выполнение условий баланса амплитуд и фаз на одной (генерируемой) частоте достигается применением часточно-избирательных элементов в схеме усилителя, но чаще в цепи обратной связи.

Положительная обратная связь в генераторах бывает внешней и внутренней. Внешняя создается с помощью частотно-зависимых цепей, а внутренняя возникает при работе некоторых электронных приборов в определенных режимах. Для создания генераторов синусоидальных колебаний применяется, как правило, внешняя обратная связь, позволяющая получать более высокую, чем внутренняя, стабильность частоты.

Амплитуду стационарных (незатухающих) колебаний генератора можно найти графически с помощью колебательной характеристики и линии обратной связи. Колебательная характеристика — это зависимость амплитуды основной (первой) гармоники выходного тока усилителя от амплитуды напряжения поступающего на вход усилителя из цепи обратной связи. Колебательная характеристика нелинейна, так как ее вид определяется параметрами нелинейного элемента — усилителя.

Линия обратной связи — это зависимость амплитуды входно напряжения усилителя от амплитуды основной гармоники выходного тока усилителя . Линия обратной связи характеризует ослабляющее действие цепи обратной связи и имеет вид линейной прямой, наклон которой к оси абсцисс определяется параметрами линейного четырехполюсника обратной связи.

Рис. 12.2.

Для определения амплитуды стационарных колебаний генератора линию обратной связи и колебательную характеристику строят на одном графике (рис. 12.2). Амплитуда стационарного тока соответствует положению точки их пересечения М. В точке М выполняется баланс амплитуд так как входной сигнал при прохождении усилительного тракта усиливается во столько раз, во сколько ослабляется четырехполюсником обратной связи.

Рис. 12.3.

Докажем, что точка М является точкой устойчивого динамического равновесия. Пусть на входе усилителя возникает флуктуация напряжения . Ток соответствующий значению определяется по колебательной характеристике. Току на линии обратной связи соответствует напряжение . Таков первый цикл прохождения сигнала через усилитель и четырехполюсник обратной связи, в процессе которого напряжение увеличивается до значения . После нескольких циклов напряжение и ток возрастут до значения , соответствующих положению точки М. Если теперь напряжение случайно возрастет, например до значения , то ток на линии обратной связи будет соответствовать значению . В конечном счете ток и напряжение возвращаются к значениям .

Процесс установления стационарной амплитуды представл на рис. 12.2 с помощью отрезков, характеризующих направление и величину изменений напряжения и тока в течение одного цикла. Отрезки изменений напряжения показаны горизонтальными стрелками, а отрезки изменений тока — вертикальными.

В зависимости от вида колебательной характеристики различают два режима самовозбуждения в генераторах.

1. Мягкий режим — когда колебательная характеристика начинается с нулевой точки и ее угол наклона к оси абсцисс в области малых амплитуд больше, чем угол наклона линии обратной связи. Такая колебательная характеристика приведена на рис. 12.2. При включении питания в генераторе происходит плавное нарастание амплитуды колебаний до стационарного значения.

2. Жесткий режим — когда колебательная характеристика не удовлетворяет приведенным условиям мягкого режима. Примером колебательной характеристики, вызывающей жесткий режим, является характеристика, приведенная на рис. 12.3.

Линия обратной связи (рис. 12.3) пересекается с колебательной характеристикой в двух точках М и М. Точка М является точкой устойчивого динамического равновесия. Рассуждая аналогично, можно доказать, что точка М является точкой неустойчивого равновесия, когда отклонение напряжения от значения в сторону уменьшения или увеличения на некоторую величину приводит либо к срыву колебаний, либо к возрастанию амплитуды до значения , Таким образом, для возникновения незатухающих колебаний в генераторе с жестким режимом возбуждения необходим первоначальный импульс напряжения обеспечивающий ток .

Генераторы синусоидальных колебаний разделяют на следующие типы: -тип, использующий в качестве частотно-зависимой цепи колебательный контур (генераторы -типа применяются, как правило, в диапазоне радиочастот); -тип, у которого частотно-зависимые цепи обратной связи представляют собой сочетание элементов R и С. В диапазоне звуковых и дозвуковых частот такие цепи обладают меньшими габаритами и весом по сравнению с колебательными контурами.