18. Генераторы сигналов

Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменное напряжение требуемой формы. Сначала в этой главе будут рассмотрены генераторы синусоидальных сигналов, а затем генераторы сигналов специальной формы, в частности генераторы треугольного и прямоугольного напряжения.

18.1. LC-ГЕНЕРАТОРЫ

Простейшим методом формирования синусоидальных колебаний является метод компенсации потерь в LC-колебательном контуре при помощи усилителя. Ниже будут рассмотрены основные вопросы техники получения незатухающих колебаний.

18.1.1. УСЛОВИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

На рис. 18.1 показана блок-схема генератора. Усилитель усиливает входной сигнал в А раз. При этом между выходным и входным напряжениями усилителя возникает паразитный фазовый сдвиг . К выходу усилителя подключены нагрузочное сопротивление и схема частотно-зависимой обратной связи, которая может представлять собой, например, колебательный контур. При этом напряжение, используемое для осуществления обратной связи, составляет Обозначим фазовый сдвиг между напряжениями символом

Для того чтобы определить, будет ли схема с замкнутой обратной связью генерировать переменное напряжение, нагрузим выход схемы обратной связи разомкнутого генератора на резистор с сопротивлением которое равно входному сопротивлению усилителя, и оценим величину выходного напряжения и 3 при подаче на вход усилителя переменного напряжения Условием генерации замкнутой схемы является равенство выходного напряжения схемы обратной связи и входного напряжения усилителя. Это условие записывается следующим образом:

Коэффициент петлевого усиления должен, таким образом, равняться

Из этого соотношения следуют два условия:

Соотношение (18.2) называется условием баланса амплитуд. Оно заключается в том, что схема генератора может возбуждаться только тогда, когда усилитель компенсирует потери в схеме обратной связи. Соотношение (18.3) называется условием баланса фаз. Оно означает, что колебания в замкнутой системе могут возбуждаться только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы обратной связи и фаза входного напряжения усилителя совпадают.

Чтобы провести подробный анализ зависимостей частоты возбужденных колебаний и формы выходного напряжения генератора от его параметров, необходимо

Рис. 18.1. Основная блок-схема генератора.

Рис. 18.2. Основная схема LC-генератора.

рассмотреть цепь обратной связи. Для этого в качестве примера приведем схему LC-генератора, изображенную на рис. 18.2.

Операционный усилитель, включенный по неинвертирующей схеме, усиливает входное напряжение в А раз. Так как подобный усилитель имеет низкоомный выход, то параллельный колебательный контур схемы обратной связи подключается к нему через резистор Для определения влияния параметров цепи обратной связи на входное напряжение применим для точки 1 схемы первый закон Кирхгофа; при этом получим

Так как уравнение примет вид

Это дифференциальное уравнение затухающих колебаний. Для краткости записи введем обозначения

Тогда дифференциальное уравнение примет вид

Это уравнение имеет следующее решение:

Различают три характерных случая:

Амплитуда выходного напряжения падает по экспоненциальному закону. Колебания затухающие.

Возникают синусоидальные колебания с частотой и постоянной амплитудой.

Амплитуда выходного напряжения возрастает по экспоненциальному закону.

Условие (18.2), определяющее возникновение незатухающих колебаний, можно уточнить. При возникают синусоидальные колебания с постоянной амплитудой и частотой, равной

При более слабой положительной обратной связи амплитуда колебаний выходного напряжения уменьшается, при более глубокой - растет. Самовозбуждение при включении питания возможно лишь при выполнении условия При этом амплитуда выходного напряжения будет нарастать, пока усилитель не перегрузится. Из-за перегрузки (насыщения) усилителя величина А будет уменьшаться, пока не станет равной единице. При этом форма выходного сигнала будет отличаться от синусоиды. Если требуется синусоидальное выходное напряжение, необходимо осуществить регулировку коэффициента усиления таким образом, чтобы он стал равным единице, для обеспечения отсутствия перегрузки (насыщения) усилителя. На высоких частотах довольно легко можно реализовать колебательный контур с высокой добротностью. При этом напряжение на колебательном контуре даже при глубоком насыщении усилителя остается практически синусоидальным. Поэтому в схемах высокочастотных генераторов обычно не применяют специальных методов регулирования амплитуды выходного сигнала усилителя, а выходное напряжение снимают непосредственно с колебательного контура.