Генераторы синусоидальных колебаний

Среди генераторных устройств следует различать генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы прямоугольных колебаний, или сигналов прямоугольной формы (генераторы импульсов). Существуют и генераторы колебаний специальных форм (например, генераторы линейно изменяющегося напряжения). В общем случае генератором называется автоколебательная структура, в которой энергия источников питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Генераторы синусоидальных колебаний обеспечивают образование на выходе устройства переменного тока (напряжения) заданной частоты. В них часто используются колебательные LС-контуры (обычно параллельные).

LС − генераторы

В LC-генераторах в качестве частотно-избирательных (частотно-задающих) элементов используются катушки индуктивности и конденсаторы. Обычно на основе катушек индуктивности и конденсаторов формируются параллельные пли последовательные колебательные контуры, которые настраиваются на заданную рабочую частоту f₀ . В LC-генераторах f₀ обычно превышает значение 40 кГц.

Рис. 2.8

На рис. 2.8 приведена принципиальная схема одного из вариантов LC-генератора. Основой такого устройства является резонансный усилитель, в котором с помощью трансформатора Т создана ПОС. Условия возбуждения генерации обеспечиваются для резонансной частоты контура. При подключении источника питания Е_к в цепях усилителя образуются приращения токов и напряжений. В результате в LC-контуре возникают синусоидальные колебания с частотой f₀ , которые поддерживаются с помощью ПОС в устройстве.

Если частота отклонится от значения f₀ , то сопротивление контура перестанет быть чисто активным и приобретет реактивный (индуктивный или емкостный) характер, что вносит дополнительный фазовый сдвиг и условие _{y OC} 2n перестанет выполняться. Кроме того, отклонение частоты от резонансной приводит к снижению К_и, что может нарушить выполнение условия Kk 1. Таким образом, генерация автоколебаний в устройстве, изображенном на рис. 2.8, осуществляется на частоте f₀ (или очень близко к ней).

Усилительный каскад ОЭ в рассматриваемом генераторе инвертирует сигнал, поэтому для выполнения балансов фаз трансформатор Т должен осуществить поворот фазы сигнала на 180°. Если обмотки трансформатора имеют одно направление намотки, то необходимо вторичную обмотку включить встречно по направлению к первичной (см. рис. 2.8). Точки около выводов обмоток Т указывают на синфазность напряжения на них. Обычно первичная обмотка Т, являющаяся индуктивностью контура, состоит из большего количества витков, чем вторичная.

Выполнить LC-генератор можно и без использования транс-форматорной связи. В этих случаях цепь обратной связи подключается непосредственно к колебательному контуру, который состоит из нескольких секций индуктивности (или емкости). В генераторах такого типа LC-контур соединяется с усилительным каскадом в трех местах (тремя точками). Поэтому их часто называют трехточечными.

Рис. 2.9

На рис 2.9 приведена принципиальная схема генератора с индуктивной трехточечной связью (схема Хартли). Здесь LC-контур образован секционированной индуктивностью L и емкостью параллельно включенного конденсатора С. Сигнал ПОС образуется на верхней секции L. Напряжения на выводах L. относительно шины Е_к находятся в противофазе. Амплитуда напряжения обратной связи устанавливается положением средней точки в катушке индуктивности L. Из всех конденсаторов, используемых в рассматриваемом устройстве, минимальной емкостью должен обладать конденсатор С.

При реализации генератора с емкостной трехточечной связью в контур параллельно катушке индуктивности включаются последовательно два конденсатора. Цепь обратной связи в этом случае подключается к общей точке этих конденсаторов (емкостного делителя).

Рис. 2.10

Помимо рассмотренных выше генераторов существует достаточно много и других LC-генераторов (с эмиттерной связью, с двухтактной схемой и др.). Выполняются LC-генераторы и на основе ОУ, принципиальная схема одного из таких генераторов приведена на рис 2.10. Электронная часть генератора выполнена на неинвертирующем усилителе. Поскольку неинвертирующий ОУ имеет малое выходное сопротивление, то LC-контур следует подключать к выходу ОУ через резистор R_пос.

На частоте резонанса f₀ параллельный контур имеет очень большое сопротивление и не шунтирует вход ОУ. При этом глубина ПОС становится больше глубины ООС и в устройстве выполняются условия возникновения генерации (2.10). При отклонении частоты от f₀ сопротивление контура уменьшается и приобретает реактивный характер, что приводит к уменьшению К_и усилителя (за счет снижения глубины ПОС, которая становится меньше глубины ООС) и появлению дополнительных фазовых сдвигов. Таким образом, генерация в устройстве оказывается возможной лишь на частотах, весьма близких к f₀ .

Отметим, что определенные отклонения частоты генерации могут происходить за счет изменения режимов работы и параметров элементов схемы, в частности под действием температуры. Нестабильность частоты генерации обратно пропорциональна добротности контура. Поэтому в качестве высокостабильных генераторов представляются устройства с частотно-избирательными элементами высокой добротности. К таким элементам относятся элементы акустоэлектроники, наивысшей добротностью среди которых обладает кварцевый резонатор.

Кварцевые генераторы

Обеспечить высокую стабильность частоты генерации можно при включении кварцевого резонатора в цепь обратной связи обычного LC-генератора. Для лучшей стабильности желательно использовать частоту последовательного резонанса кварца f_p. При этом важно, чтобы общее сопротивление цепи обратной связи было значительно меньше собственного сопротивления R кварцевого резонатора. Это условие выполняется в генераторе, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.11. Здесь используется усилительный каскад ОБ.

Рис. 2.11

Для генерации колебаний необходимо настроить LC-контур на резонансную частоту кварцевого резонатора f_p. В этом случае полное со-противление LC-контура велико, что позволяет получить в каскаде большое К_u, а сопротивление кварцевого резонатора ZQ мало, что обеспечивает глубокую ПОС между коллектором и базой транзистора. Частоту LC-контура можно выбирать в целое число раз больше f_р. При этом кварцевый резонатор возбудится на соответствующей высшей гармонике. В серийных кварцевых резонаторах f_р = 10 кГц… 10 МГц, но некоторые из них могут возбуждаться на частотах до 250 МГц. Таким образом, работа на высших гармониках целесообразна для получения генерации на частотах свыше 10 МГц.

Отметим, что нагрузка в рассматриваемом генераторе может подключаться к коллектору транзистора. Для уменьшения ее влияния на режим работы кварцевого генератора иногда используется дополнительный согласующий каскад.

RC − генераторы

RC-генераторах в качестве частотно-избирательных цепей используются цепи обратной связи, состоящие из конденсаторов и резисторов. В генераторах могут использоваться усилительные каскады, инвертирующие и неинвертирующие сигналы. В первом случае RC-цепь обратной связи должна обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг на 180°, а во втором — ее фазовый сдвиг должен быть равен нулю. Значительное число возможных RC-генераторов определяется большими схемотехнически-ми возможностями RC -цепей.

На рис. 1.10 приведена принципиальная схема RC -генератора на инвертирующем усилительном каскаде. В цепи ПОС использован трехзвенный ФВЧ, сдвигающий фазу сигнала на 180°.

Рис. 2.12

АЧХ и ФЧХ для одного Г-образного RC-звена приведены на рис. 2.12.

Рис. 2.13

Максимальный фазовый сдвиг, вносимый одним таким звеном на частоте, близкой к нулю, стремится к 90°, поэтому для получения сдвига на 180° RC-цепь должна содержать не менее трех последовательно включенных звеньев. В этом случае каждое звено на частоте генерации f₀ обеспечивает сдвиг 60°; при этом еще сохраняется приемлемый коэффициент передачи всего ФВЧ. Для четырехзвенного фильтра (который тоже иногда ис-пользуется в RC-генераторах) фазовый сдвиг на частоте f₀ для одного звена составляет 45°. Четырехзвенные ФВЧ обладают меньшим затуханием сигнала на частоте генерации, и для выполнения генератора требуется усилитель с меньшим коэффициентом усиления.