18.3. СИНУСОИДАЛЬНЫЕ RC-ГЕНЕРАТОРЫ

LC-генераторы почти не используются для получения низкочастотных колебаний, так как при этом требуются большие величины индуктивности и емкости. В этом частотном диапазоне преимущественно используются генераторы, частота генерации которых определяется параметрами РС-фильтров.

18.3.1. ГЕНЕРАТОР ВИНА-РОБИНСОНА

В принципе RC-генератор можно построить по схеме, аналогичной схеме генератора на рис. 18.2, если заменить колебательный контур пассивным полосовым

Рис. 18.19. Зависимость фазового сдвига от частоты. Кривая 1: мост Вина-Робинсона ; кривая 2: колебательный контур с кривая 3 - пассивный полосовой фильтр с

RC-фильтром. Как было показано в разд. 13.7, максимальная добротность такого фильтра ограничена значением Полученные в таком генераторе синусоидальные колебания имели бы плохую стабильность частоты. Это следует из приведенных на рис. 18.19 фазово-частотных характеристик различных фильтров. Для пассивного фильтра нижних частот с добротностью фазовый сдвиг на частоте, равной половине резонансной, составляет 21°. Если обусловленный усилителем дополнительный фазовый сдвиг составит, например, — 21°, то генератор, согласно условию баланса фаз фобщ возбудится на частоте, равной половине резонансной частоты фильтра нижних частот. Таким образом, для получения хорошей стабильности частоты требуется наличие схемы обратной связи, фазово-частотная характеристика которой имела бы в точке перехода через нуль как можно большую крутизну. Таким свойством обладают, например, колебательный контур с высокой добротностью и мост Вина-Робинсона, однако выходное напряжение последнего на резонансной частоте равно нулю, поэтому он не может непосредственно использоваться в схемах генераторов. Для установки в схемы генераторов мост Вина-Робинсона несколько расстраивают, как показано в схеме на рис. 18.20. Величина представляет собой положительное число, значительно меньшее единицы.

Фазово-частотную характеристику расстроенного моста Вина-Робинсона нетрудно рассчитать: на высоких и низких частотах по сравнению с резонансной При этом выходное напряжение примерно равно

Рис. 18.20. Расстроенный мост Вина-Робинсона.

Фазовый сдвиг на этих частотах составляет На резонансной частоте поэтому

Таким образом, на резонансной частоте выходное напряжение синфазно входному и Для количественного определения параметров кривой 1 на рис. 18.19 запишем прежде всего передаточную функцию моста Вина-Робинсона:

Пренебрегая высшими степенями числа получим формулу, определяющую ход фазово-частотной характеристики:

Эта кривая изображена на рис. 18.19 для Как видно из графика этой функции, фаза выходного напряжения расстроенного моста Вина-Робинсона в очень малом частотном диапазоне изменяется от + 90 до — 90°. Этот диапазон тем уже, чем меньше выбрана величина поэтому мост Вина - Робинсона сравним с колебательным контуром с высокой добротностью. Преимуществом этой схемы является также и то, что фазовый сдвиг не ограничивается величиной а увеличивается при большой расстройке частоты вплоть Это обусловливает хорошее подавление высших гармонических составляющих выходного сигнала. Недостатком схемы моста Вина-Робинсона является то, что ослабление сигнала на резонансной частоте тем сильнее, чем меньше значение Величина затухания на резонансной частоте составляет

Таким образом, в рассмотренном примере эта величина составляет около 1/900. Чтобы обеспечить выполнение условия баланса амплитуд, необходимо скомпенсировать это затухание за счет усиления усилителя. На рис. 18.21 показана схема генератора с мостом Вина - Робинсона.

Если усилитель имеет дифференциальный коэффициент усиления то для выполнения условия баланса амплитуд необходимо для величины выбрать значение

Если окажется несколько больше, то амплитуда колебаний начнет нарастать до тех пор, пока усилитель не выйдет в область насыщения. Если величина окажется слишком малой или даже отрицательной, то генератор не возбудится. Однако невозможно подобрать величины сопротивлений и с такой точностью, чтобы обеспечить стабильность амплитуды сигнала, поэтому эти величины необходимо автоматически регулировать в зависимости от амплитуды выходного сигнала. Для этого в схеме на рис. 18.21 используется полевой транзистор Как было показано в разд. 5.7, сопротивление канала полевого транзистора для достаточно малых величин зависит только от величины управляющего напряжения Часть напряжения подается на резистор Последовательное соединение сопротивлений и должно дать величину сопротивления, равную Минимальное значение, которое может принять сопротивление канала равное Следовательно, величина должна выбираться меньшей, чем

Если включить генератор питания, то вначале При выполнении условия выбора величины сопротивление последовательной цепи и будет меньше чем При этом на резонансной частоте выходное напряжение моста Вина будет иметь достаточно большую величину, возникнет генерация и амплитуда колебаний начнет возрастать. Выходное напряжение генератора выпрямляется схемой удвоения напряжения на диодах Потенциал затвора транзистора становится отрицательным, и величина увеличивается. Амплитуда выходного сигнала будет нарастать до тех пор, пока не будет выполнено условие

Коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения генератора в значительной степени зависит от линейности выходных характеристик полевого транзистора. Как было показано в разд. 5.7, она может быть значительно повышена, если часть напряжения сток-исток транзистора суммировать с напряжением на затворе. Для этого в схеме служат резисторы Конденсатор предназначен для того, чтобы через N-вход усилителя не протекала постоянная составляющая тока, которая может привести к смещению нуля выходного напряжения. Обычно выбирают Точной подстройкой величины сопротивления коэффициент нелинейных

Рис. 18.21. Схема простого генератора с мостом Вина - Робинсона. Резонансная частота

искажений можно снизить до минимума. Практически достижимая величина этого коэффициента составляет около 0,1%.

Если в качестве поставить переменные резисторы, то резонансную частоту схемы можно плавно изменять. Чем хуже обеспечивается идентичность угловых характеристик переменных резисторов тем эффективнее должна быть схема автоматического регулирования амплитуды выходного сигнала. Максимальная величина сопротивления должна выбираться такой, чтобы падение напряжения на нем при входном токе покоя операционного усилителя было незначительным; в противном случае может произойти смешение рабочей точки усилителя. Для обеспечения возможности регулирования частоты в пределах последовательно с переменным резистором нужно включить постоянный резистор с сопротивлением Если дополнительно осуществить переключение величин конденсатора С, то такая схема может перекрыть диапазон частот от 10 Гц до Чтобы при этом даже на самых низких частотах автоматическая регулировка амплитуды не вносила искажений, необходимо постоянные времени заряда и разряда конденсатора устанавливать по крайней мере в 10 раз большими, чем максимальный период колебаний генератора.

Установившаяся амплитуда выходного напряжения зависит от параметров полевого транзистора Стабильность амплитуды не может быть особенно высокой, так как, для того чтобы получить требуемое изменение сопротивления канала полевого транзистора необходимо наличие определенного изменения амплитуды выходного напряжения. Этот недостаток схемы можно устранить, если ввести промежуточный каскад усиления управляющего напряжения полевого транзистора. Схема такого генератора представлена на рис. 18.22.

С выхода выпрямительной схемы абсолютная величина выходного переменного напряжения генератора поступает на схему модифицированного пропорционально-интегрирующего регулятора, выполненного на операционном усилителе Схема такого регулятора, приведенная на рис. 26.7, будет рассмотрена в последующих разделах. Регулятор устанавливает напряжение на затворе полевого транзистора таким, чтобы среднее значение входного напряжения на усилителе равнялось нулю. При этом среднее значение выходного напряжения равняется опорному напряжению . Постоянная времени пропорционально-интегрирующего регулятора должна быть достаточно велика по сравнению с периодом колебаний, так как в противном случае коэффициент усиления его будет изменяться в течение периода отдельного колебания, что приведет к заметным искажениям выходного сигнала. Поэтому рекомендуется несколько изменить схему регулятора, подключив параллельно резистору конденсатор, который даже на самой низкой рабочей частоте генератора дополнительно шунтирует падение напряжения на резисторе Только тогда точка перегиба амплитудно-частотной характеристики регулятора окажется ниже диапазона рабочих частот.

Рис. 18.22. Генератор Вина-Робинсона с прецизионной стабилизацией амплитуды выходного сигнала. Амплитуда сигнала