8.1. Генераторы гармонических колебаний

Генераторы гармонических колебаний представляют собой устройства из частотно-избирательной цепи и активного элемента. По типу частотно-избирательной цепи они делятся на LC- и RC-генераторы.

Генераторы LC-типа имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспечивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. В генераторах LC-типа форма выходного напряжения весьма близка к гармонической. Это обусловлено достаточно хорошими фильтрующими свойствами колебательного контура. К недостаткам LC-генераторов относятся трудности изготовления высоко-стабильных температурно-независимых катушек индуктивности, а также высокая стоимость и громоздкость последних. Это особенно проявляется при создании низкочастотных автогенераторов, в которых даже при применении ферромагнитных сердечников габаритные размеры, масса и стоимость получаются значительными.

Базовые схемы LC-генераторов показаны на рис. 8.1 [53]. Схему на рис. 8.1, a называют индуктивной трехточкой или схемой Хартлея, на рис. 8.1,6 — емкостной трехточкой или схемой Колпитца. Для обеих схем с помощью резисторов Rl, R2 и Re устанавливается необходимый режим по постоянному току. Конденсаторы СЬ и Се — блокировочные, конденсатор С называют конденсатором связи. Частота автоколебаний для обеих схем в первом приближении определяется известной формулой

(8.1)

Для схемы Колпитца

(8.2)

Для всех автогенераторов условиями возникновения автоколебаний является наличие положительной обратной связи при коэффициенте усиления равном или большим 1. Для схемы Хартлея эти условия обеспечиваются за счет транзисторного каскада, выбора коэффициента трансформации и соответствующего включения обмотки связи. Положительная обратная связь в генераторе Колпитца обеспечивается за счет того, что сигнал обратной связи поступает с такого зажима колебательного контура, при котором сигнал обратной связи на базе транзистора совпадает по фазе с переменным сигналом на коллекторе. Коэффициент передачи цепи обратной связи при этом определяется коэффициентом передачи емкостного делителя, образованного конденсаторами С1 и С2. При выполнении указанных условий устройство самовозбуждается. Процесс самовозбуждения происходит следующим образом. При включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенного в коллекторную цепь, заряжается. В контуре возникают затухающие колебания, которые одновременно передаются на управляющие электроды транзистора по цепи положительной обратной связи. Это приводит к пополнению энергией LC-контура и колебания превращаются в незатухающие.

Выполним моделирование автогенератора Колпитца (рис. 8.2), схема которого заимствована из каталога программы EWB 4.1 (схемный файл 2m-oscil.ca4). В отличие от базовой схемы (рис. 8.1, б) она выполнена на эмиттерном повторителе.

Рис. 8.2. Генератор Колпитца

Расчеты по формулам (8.1) и (8.2) для схемы на рис. 8.2 дают: С2=1мкФ;

Из осциллограмм на рис. 8.3 видно, что результаты моделирования крайне неутешительны. Во-первых, период колебаний, отсчитывемый с помощью визирных линеек и равный Т2-Т1=7,34 мс, заметно больше теоретического — 6,28 мс. Во-вторых, форма колебаний далеко не синусоидальная. Такие результаты можно объяснить слишком сильной связью колебательного контура с усилительным каскадом. В пользу этого утверждения свидетельствует и тот факт, что двойная амплитуда выходного сигнала практически равна напряжению источника питания 6 В. Для возможности управления взаимодействием колебательного контура с транзисторным каскадом введем конденсатор связи С (рис. 8.4).

Результаты моделирования схемы на рис. 8.4 приведены на рис. 8.5, из которого видно, что форма колебаний существенно улучшилась и действительно стала синусоидальной. При этом период колебаний 6,144 мс практически равен теоретическому значению.

Из проведенных экспериментов видно, насколько велика роль правильного выбора взаимодействия колебательного контура со снабжающим его энергией усилительно-согласующим устройством. В технической литературе для этого введен термин "коэффициент регенерации". Этот безразмерный коэффициент показывает, во сколько раз может быть уменьшена добротность колебательной системы по сравнению с ее исходным значением (за счет вносимых по цепи обратной связи потерь), чтобы автогенератор оказался на границе срыва колебаний. Для низкочастотных генераторов этот коэффициент выбирают равным 1,5... 3.

Рис. 8.4. Генератор Колпитца с конденсатором связи

Особо следует сказать о блокировочных конденсаторах СЬ и Се в базовой и эмиттерной цепях. При достаточно глубокой обратной связи и неправильно подобранных емкостях этих конденсаторов может возникать прерывистая генерация или автомодуляция. В этом случае амплитуда колебаний будет иметь переменное значение или уменьшаться до нуля. Прерывистая генерация обусловлена тем, что при определенных условиях напряжение автоматического смещения вследствие заряда конденсаторов СЬ и Се может приблизиться к амплитуде напряжения обратной связи, за счет чего транзистор запирается и колебательный контур перестанет пополняться энергией. В итоге автоколебания быстро затухнут и возникнут снова только после разряда этих конденсаторов. Затем процесс нарастания амплитуды, заряда конденсаторов и срыва автоколебаний повторится. Поэтому цепи, обеспечивающие автоматическое смещение, приходится, как правило, подбирать при настройке.

Перестройку частоты LC-генераторов обычно осуществляют изменением емкости конденсатора колебательного контура. При этом изменяется и добротность контура из-за изменения соотношения L/C, что может вызвать изменение режима работы автогенератора. Изменение емкости обычно производят механическим путем или с помощью варикапа, изменяя напряжение смещения.

На практике находят применение также LC-генераторы с использованием элементов с отрицательным сопротивлением. В качестве примера рассмотрим схему такого генератора, показанную на рис. 8.6 [30]. Он содержит эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, который предназначен для регулировки выходного напряжения генератора путем изменения напряжения на его базе с помощью резисторов R1 и R2. Собственно генератор состоит из колебательного контура Lk, Ck и двух полевых транзисторов VT2 и VT3 с каналами разной проводимости, которые обладают участком с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Приведенная в [30] вольтамперная характеристика такого гибрида на отечественных полевых транзисторах КПЗОЗ и КП103 имеет форму несимметричного колоколообразного импульса с вершиной при напряжении 3 В (ток 2 мА) и практически нулевым током при напряжении 8 В. Следовательно, после включения питания, когда напряжение на конденсаторе Ск достигает 3 В, начинается резкое увеличение шунтирующего этот конденсатор сопротивления, в результате чего увеличивается скорость заряда конденсатора. Во второй фазе, когда при разряде конденсатора напряжение на нем достигает 8 В, скорость его разряда увеличивается и после достижения значения 3 В начинается форсированный разряд. Таким образом, колебательный контур в результате получает как бы два толчка в течение каждого периода колебаний, что приводит в конечном итоге к возникновению незатухающих колебаний.

Частота колебаний генератора на рис. 8.6 в первом приближении определяется

выражением (8.1) и составляет

Посмотрим, насколько это соответствует результатам моделирования, представленным на рис. 8.7. Из осциллограммы видно, что период колебаний составляет 12,48 мс, что соответствует частоте колебаний 80,12 Гц, практически совпадающей с теоретическим значением.

Рис. 8.6. Схема низкочастотного LC-генератора

Перейдем к рассмотрению RC-генераторов. Генераторы такого типа достаточно просты в реализации, дешевы, имеют малые габариты и массу. Однако стабильность частоты колебаний в них значительно ниже, чем в LC-генераторах. Форма колебаний несколько отличается от синусоидальной и существенно изменяется в зависимости от значений параметров активного элемента и цепи обратной связи. Эти недостатки не позволяют применять их в схемах, где необходимо получать высокую точность и стабильность частоты колебаний, а также удовлетворительную форму выходного напряжения. В устройствах, где к этим параметрам не предъявляются жесткие требования, низкочастотные RC-генераторы используются достаточно широко.

В RC-генераторах обратная связь осуществляется за счет RC-цепей, обладающих избирательными свойствами и обеспечивающих на одной определенной частоте выполнение условий возбуждения колебаний. В этих генераторах выходное напряжение практически повторяет форму коллекторного тока транзистора. Поэтому они не могут работать с отсечкой тока и имеют сравнительно низкий КПД.

Избирательным ЕС-цепям присуща невысокая добротность. Поэтому для получения синусоидальных колебаний с малым уровнем гармоник приходится вводить неглубокую обратную связь. При этом активный элемент должен иметь небольшую нелинейность, чтобы в момент возникновения автоколебаний коэффициент усиления оставался больше единицы и тем самым при любых изменениях параметров схемы обеспечивались условия самовозбуждения.

RC-автогенераторы выполняют на основе однокаскадных и многокаскадных усилителей. В однокаскадных автогенераторах выход усилителя соединяется со входом через RC-цепи, обеспечивающие фазовый сдвиг 180° на рабочей частоте. Такие генераторы обычно выполняют на фиксированную частоту, их иногда называют цепочечными RC-генераторами.

В автогенераторах, выполненных на основе многокаскадных усилителей, применяют как усилители переменного тока, так и усилители постоянного тока на ОУ.

При использовании усилителей переменного тока число каскадов выбирают четным (обычно используют двухкаскадные усилители). Такой усилитель вносит близкий к нулю фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, поэтому цепь обратной связи, соединяющая выход со входом, должна обеспечивать на частоте автоколебаний нулевой фазовый сдвиг. Обычно в таких генераторах в качестве цепей обратной связи используют частото-избирательные мостовые схемы, допускающие перестройку частоты в достаточно широких пределах.

Цепочечные автогенераторы должны иметь цепь обратной связи,обеспечивающую фазовый сдвиг 180° на частоте автоколебаний. Для получения такого сдвига требуется не менее трех RC-цепей. Действительно, каждое RC-звено в самых идеальных условиях обеспечивает фазовый сдвиг на угол, меньший 90°; следовательно, два звена дают фазовый сдвиг, меньший 180°. На рис. 8.8, а приведена схема цепочечного генератора, выполненного на четырехзвенной RC-цепи и транзисторном каскаде ОЭ. Согласно [30] частота колебаний генератора на рис. 8.8, а определяется по формуле:

(8.3)

Обратимся теперь к результатам моделирования, представленным на рис. 8.8, б, откуда видно, что период колебаний выходного сигнала составляет 315 мс, что существенно отличается от расчетного значения (T=l/f„=461,5 мс). В связи с этим уместно заметить, что аналитические выражения для частоты колебаний RC-генераторов имеют весьма ориентировочный характер. Приведем два примера. Для расчета частоты колебаний используем две разные формулы для RC-генератора с трехзвенной фазосдвигаю-щей цепью из работ [48, 53], с помощью которых для схемы на рис. 8.8, а получим:

(8.4)

(8.5)

Из приведенных результатов видно, что для рассматриваемой схемы более подходит результат, полученный с помощью формулы (8.4) из работы [48]. Проведем дополнительные испытания модели с трехзвенной цепочкой на рис. 8.9,а. Из приведенных на рис. 8.9, б результатов испытаний видно, что период колебаний RC-генерато-ра с трехзвенной цепочкой (515 мс) является чуть ли не средним арифметическим между результатами, полученными по формулам (8.3) и (8.5). Таким образом, и в этом случае имеются существенные расхождения результатов моделирования и расчета, причем более существенными являются расхождения между расчетными значениями с использованием различных расчетных соотношений для одной и той же схемы. Это позволяет сделать вывод, что аналитические выражения для RC-генерато-ров имеют очень приближенный (действительно, ориентировочный) характер.

Контрольные вопросы и задания

1. При каких условиях усилительное устройство, охваченное обратной связью, может превратиться в автогенератор?

2. Для схемы генератора на рис. 8.2 установите путем моделирования зависимость формы генерируемого сигнала от соотношения емкости конденсаторов С1 и С2. При варьировании емкостей этих конденсаторов обеспечьте постоянство частоты колебаний, т.е. эквивалентной емкости контура С„.

3. В схеме генератора на рис. 8.4 путем изменения емкости конденсатора связи С установите граничные условия надежного самовозбуждения генератора без ухудшения формы генерируемых сигналов (определяется визуально).

4. Исследуйте в генераторе на рис. 8.6 влияние на форму сигнала, его амплитуду и частоту напряжения на базе транзистора (устанавливается изменением сопротивления резисторов Rl, R2) и емкости блокировочного конденсатора Се.

5. Используя материалы гл. 4, получите вольтамперную характеристику применяемого в схеме на рис. 8.6 гибридного компонента на моделях полевых транзисторов типа Ideal.

6. Исследуйте зависимость формы сигнала, частоты колебаний и надежности запуска RC-генератора на рис. 8.8 и 8.9 от напряжения питания Ucc.