Генераторы синусоидальных колебаний

2.1. Условия генерации синусоидального сигнала

Генераторы синусоидальных колебаний осуществляют преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Они выполняются на основе усилителей со звеном положительной обратной связи, обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте [1, 2, 6, 7]. Структурная схема генератора синусоидальных колебаний приведена на рис. 18.

Рис. 18. Структурная схема генератора синусоидальных колебаний.

Коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т. е. учитывается их зависимость от частоты. Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения, передаваемая звеном положительной обратной связи

Для работы схемы в режиме генерации необходимо выполнение двух условий. Первое характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем и звеном обратной связи , в сумме должны быть кратными :

(14)

Соотношение (14) определяет условие баланса фаз в усилителе с положительной обратной связью. Второе условие возникновения колебаний определяется неравенством

(15)

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы соотношения (14) и (15) выполнялись только на одной частоте.

Физический смысл неравенства (15) заключается в следующем. Сигнал, усиленный усилителем в раз и ослабленный звеном обратной связи в раз, при выполнении условия (14) возникает вновь на входе усилителя в той же фазе, но с большей амплитудой. Иными словами, неравенство (15) определяет необходимое условие для самовозбуждения генератора, когда первоначальные изменения токов и напряжений в схеме усилителя, появившиеся после его подключения к источнику питания, вызывают прогрессирующее нарастание амплитуды сигналов соответствующей частоты на входе и выходе усилителя. Равенство

(16)

( - установившаяся частота генерации) соответствует переходу генератора к установившемуся режиму работы, когда по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшение коэффициента усиления усилителя из-за проявления нелинейности характеристик транзисторов при больших амплитудах сигналов. В стационарном режиме сигналы на входе и выходе генератора соответствуют некоторым установившимся значениям благодаря компенсации усилителем ослабления сигнала, создаваемого звеном обратной связи (условие баланса амплитуд (16)).

Установившиеся значения напряжений зависят от коэффициента усиления усилителя К для малого сигнала, а также от нелинейности характеристик используемых транзисторов. Зависимости коэффициента усиления усилителя от температуры и сопротивления нагрузки являются причинами нестабильности амплитуды выходного напряжения генераторов. Задачу стабилизации амплитуды решают введением в схему генератора стабилизирующих нелинейных элементов, а также вещественных отрицательных обратных связей.

2.2. Генератор с LC-контуром

Генераторы синусоидальных колебаний, так же как и избирательные усилители, выполняют с колебательным LC -контуром и частотно-зависимыми RC -цепями. LC -генераторы предназначены для генерирования сигналов высокой частоты (свыше нескольких десятков килогерц), а RC -генераторы используются на низких частотах (вплоть до единиц герц).

Условия для генерации синусоидальных колебаний (14), (15) в LC -генераторах создаются для частоты настройки колебательного контура, когда его сопротивление является чисто активным. Предпосылкой выполнения соотношения (14) для частоты служит изменение фазового сдвига , вносимого усилителем, при отклонении частоты от резонансной, так как сопротивление контура перестает быть активным и приобретает реактивный (индуктивный или емкостный) характер. Справедливость соотношения (15) для резонансной частоты обусловливается максимальным значением коэффициента усиления на частоте .

Схемная реализация LC -генераторов достаточно разнообразна. Они могут отличаться способами включения в усилитель колебательного LC -контура и создания в нем положительной обратной связи. Особенности работы генераторов рассмотрим на примере схемы с однокаскадным усилителем на полевом транзисторе, рис. 19 а.

Звеном обратной связи является катушка , включенная в стоковую цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой резонансного контура. Допустим, что при включении питания схемы в резонансном контуре возникли колебания с частотой . Эти колебания через конденсатор поступают во входную цепь полевого транзистора, усиливаются и через катушку , индуктивно связанную с резонансным контуром поступают опять в контур. Если петлевой коэффициент усиления (контур-транзистор-контур) , то колебания будут нарастать, рис. 19 б. По мере роста амплитуды напряжения в цепи затвора усилителя из-за нелинейности его амплитудной характеристики (участок а-б, рис. 19 в) коэффициент усиления начинает падать и при устанавливаются стационарные колебания.

Рис. 19. Автогенератор с LC -контуром.

Условие баланса амплитуд в автогенераторе сводится к тому, что на резонансной частоте потери энергии в контуре компенсируются энергией, вносимой в колебательный контур источником питания через катушку . Условие баланса фаз заключается в следующем: усилитель инвертирует сигнал с колебательного контура, т.е. вносит фазовый сдвиг ; для того, чтобы колебания, передаваемые в контур через магнитную связь, складывались с первоначально возникшими колебаниями, необходимо осуществить дополнительный фазовый сдвиг в . Это обеспечивается соответствующим включением (фазировкой) катушек и .

2.3. RC-автогенератор на мосте Вина

Построение генераторов на частоты ниже нескольких десятков килогерц становится нерациональным ввиду возрастания габаритов и массы элементов колебательного LC -контура. Для диапазона низких частот применяют RC -генераторы, Они основаны на использовании частотно-зависимых цепей, составляемых из резисторов и конденсаторов, и аналогично LC -генераторам выполняются по структурной схеме рис. 18.

В усилителях, предназначенных для построения генераторов, выходной сигнал, как известно, может находиться в противофазе с входным сигналом () или же совпадать с ним по фазе (). В первом случае частотно-зависимая RC -цепь обратной связи на ча­стоте генерации должна осуществлять поворот фазы передаваемого сигнала на , во втором случае фазовый сдвиг передаваемого сигнала должен отсутствовать (). Решение обеих задач определяется широкими схемными возможностями RC -цепей.

Из RC -цепей, не осуществляющих сдвига по фазе на квазирезонансной частоте, наибольшее распространение получила схема моста Вина (рис. 20 а). Комплексный коэффициент усиления моста Вина характеризуется его амплитудно-частотной , рис. 20 б, и фазо-частотной , рис. 20 в, характеристиками.

При построении такого генератора на операционном усилителе (рис. 20 г) звено частотно-зависимой обратной связи (см. рис. 20 а) включают между выходом и неинвертирующим входом ОУ. Элементы и предназначены для получения требуемого коэффициента усиления усилительного звена. Поскольку на частоте генерации коэффициент передачи звена частотно-зависимой обратной связи типа моста Вина (см. рис. 20 б), самовозбуждение генератора возможно при . Согласно выражению (11), это будет соот­ветствовать выбору отношения .

Рис. 20. Автогенератор на мосте Вина.

Частота генерации в схеме равна квазирезонансной частоте частотно-зависимой цепи, определяемой из соотношения

,

где

Необходимая амплитуда колебаний достигается корректировкой сопротивлений или в процессе настройки схемы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какое устройство называется генератором электрических сигналов? Объясните принцип действия генератора.

2. Каковы условия возникновения гармонических колебаний в RC- генераторе?

3. Какая обратная связь используется в генераторах гармонических сигналов?

4. Для генерации какого диапазона частот используются LC- и RC-автогенераторы?

5. Каким образом реализуется положительная обратная связь в RC-генераторе с мостом Вина?

3. ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА “Усилители электрических сигналов” с применением программы моделирования электрических схем “ELECTRONICS WORKBENCH”

Цель работы – изучить свойства транзисторного усилительного каскада на дискретных элементах, исследовать влияние обратных связей на показатели усилителя, ознакомиться со свойствами усилителей, построенных на базе операционных усилителей, ознакомиться с программой моделирования Electronics Workbench [9].