RC-ГЕНЕРАТОРЫ

Рассмотренные выше схемы LC-генераторов оказываются малопригодными для генерирования низкочастотных колебаний, поскольку для настройки контура на такие частоты приходится применять катушки и конденсаторы с большими обладающие значительными габаритами и весами; собранные на них контуры оказываются низкодобротными и практически не перестраиваемыми по диапазону. Эти обстоятельства и послужили причиной разработки .С-генераторов синусоидальных колебаний, содержащих только резисторы и емкости С. Индуктивности, а значит, и колебательные контуры в RС-генераторах отсутствуют.

Структурная схема RС-генератора соответствует рис. 4.3; она содержит усилитель и цепь положительной обратной связи, причем параметры схемы подбираются такими, чтобы необходимые для генерирования колебаний условия баланса амплитуд и фаз выполнялись на одной частоте. Усилители во всех случаях резистивные.

Рис. 4.48

Генератор с мостом Вина — наиболее распространенный тип С-генератора. Основу его составляет последовательно параллельная RС-цепочка, включенная в цепь обратной связи усилителя (рис. 4.48 а). Сопротивления последовательной и параллельной

частей цепочки соответственно Поэтому комплексный коэффициент обратной связи

Величина достигает наибольшего значения когда мнимая часть знаменателя обращается в нуль, т. е. на частоте

Выражение (4.234) можно записать как

где

Зависимость (4.236) сходна с зависимостью параллельного колебательного контура с добротностью, равной 1/3. На рис. 4.486 построены частотная и фазовая характеристики, соответствующие (4.236).

Схема рис. 4.48а будет автогенератором в случае выполнения условий баланса амплитуд фаз. Для выполнения первого условия коэффициент усиления усилителя должен быть

Для выполнения второго условия на частоте сдвиг фаз в усилителе должен быть Поскольку в резистивном усилителе сдвиг фаз в одном каскаде составляет 180°, необходимость выполнения этого условия заставляет применять двухкаскадный усилитель. Получение в таком усилителе затруднений не вызывает.

Рассмотренный генератор имеет очень низкую стабильность частоты, так как при эквивалентной добротности цепи ее фазовая характеристика оказывается очень пологой. На практике для увеличения стабильности частоты цепь обратной связи усложняют, добавляя к последовательно-параллельной RC-цепи положительной обратной связи цепь отрицательной обратной связи, показанную пунктиром на рис. 4.48а. Совместно эти цепи образуют мост Вина. Выходное напряжение усилителя подается на одну диагональ моста напряжение с другой диагонали подается на вход усилителя На частоте напряжения находятся в фазе с Так как во входной цепи усилителя включено навстречу напряжение и коэффициент обратной связи

при добавлении цепи уменьшается, что означает необходимость соответствующего увеличения коэффициента усиления усилителя

На рис. 4.49а построены, начиная с векторные диаграммы последовательно-параллельной С-цепочки и моста Вина для частоты Покажем, что мост Внна позволяет существенно увеличить стабильность частоты генератора. Предположим, что по какой-то причине в усилителе появился небольшой

сдвиг фаз Это приведет к изменению частоты при котором Приблизительно где с — крутизна характеристики Поэтому

Чем больше крутизна фазовой характеристики тем выше фиксирующая способность рассматриваемой системы, т. е. тем меньше изменение частоты

Рис. 4.49

На рис. 4.49б для частоты немного большей построена векторная диаграмма RC-цепи, а на рис. 4.49 в приведена векторная диаграмма моста Вина. Здесь сдвиг фаз в -цепочке, а в схеме моста. Очевидно, При небольших , а значит, в

Принимая получаем

Следовательно, введение цепи отрицательной обратной связи позволяет увеличить стабильность частоты генератора в раз. Так, при переходе от к стабильность частоты увеличивается более чем в 100 раз.

Остановимся на вопросе получения синусоидальных колебаний в генераторе с мостом Вина. Для возбуждения колебаний в исходном состоянии генератора нужно выбрать (с учетом действия цепи отрицательной обратной связи). Когда амплитуда нарастающих колебаний превысит (рис. 4.50а), начнет сказываться нелинейность усилителя, в результате чего выходной ток и напряжение искажаются, становясь негармоническими, средний по первой гармонике коэффициент передачи усилителя в большинстве случаев уменьшается (рис. 4.50б). При

некоторой амплитуде величина уменьшается до в схеме установятся стационарные колебания с определенными искажениями.

Для получения в RC-генераторах почти гармонических колебаний используются нелинейные инерционные сопротивления (терморезисторы), рассмотренные в § 2.4. В схеме генератора рис. 4.48а полупроводниковый терморезистор включают вместо или металлический — вместо

Рис. 4.50

В первом случае по мере возрастания амплитуды увеличивается амплитуда переменного тока, протекающего через цепь При этом сопротивление полупроводникового терморезистора на рис. 2.13) уменьшается и все большая часть напряжения падает на В итоге отрицательная обратная связь увеличивается, снижая коэффициент усиления усилителя (пунктирная линия на рис. 4.506). При соответствующем подборе элементов схемы величина уменьшается до при амплитуде В результате устанавливаются стационарные колебания амплитуды при которой искажения отсутствуют: нелинейность активного элемента еще не сказывается, а инерционный элемент искажений не создает.

Такой же эффект достигается при включении металлического терморезистора (с характеристикой на рис. 2.13) вместо . RC-генератор с мостом Вина является основным элементом многочисленных лабораторных генераторов, работающих в диапазоне частот от 20 Гц до Во избежание снижения стабильности частоты RС-генераторов в них следует применять активные элементы с большими входными сопротивлениями.