Электротехника и электроника. Ч II. Электрические и электронные аппараты и устройства (стр. 14 )

Жесткий режим самовозбуждения является экономичным из-за минимума постоянного тока I0, однако в нём, кроме трудности с самовозбуждением также трудна регулировка амплитуды установившихся колебаний.

При выборе рабочей точки в положении «В» (мягкий режим самовозбуждения) генератор начнёт самовозбуждаться сразу при включении питания. Амплитуда установившихся колебаний может плавно регулироваться изменением коэффициента обратной связи b. Однако, в мягком режиме имеются большие потери на постоянный ток.

На практике часто используют смешанный режим (рис.6.3).

Рис.6.3. Смешанный режим самовозбуждения: а) однотактная схема; б) процесс автоматического смещения рабочей точки; в) двухтактная схема.

Здесь рабочая точка устанавливается в режим «В» и вначале имеем мягкий режим возбуждения. Однако с увеличением амплитуды колебаний растёт постоянный ток базы через сопротивление Rб заряжая ёмкость Сб и смещая рабочую точку в режим А (рис.6.3 б). В мощных генераторах применяют двухтактную схему с двумя транзисторами (или лампами), связанными положительной обратной связью (рис.6.3 в). Транзисторы поочерёдно подхватывают колебания в контуре, при этом чётные высшие гармоники подавляются.

Существует большое количество различных схем LC – генераторов с транзисторами или электронными лампами в качестве усилительных элементов. Они различаются включением колебательного контура и типом связи с усилительным элементом. На рис.6.4.а) приведена схема автогенератора на трёхэлектродной лампе (триоде) со связью от части индуктивности (индуктивная трёхточка). Частота генерации подстраивается с помощью переменного конденсатора С. Величина напряжения связи подбирается соотношением полного числа витков катушки индуктивности и количества витков от начала до отвода. Блокирующая индуктивность Lб >>L препятствует шунтирующему действию источника питания на частоте генерации, а блокирующий конденсатор Сб>>C – шунтированию по постоянному току. Переменное напряжение связи подаётся на сетку со сдвигом на p. На рис.6.4.б показана схема ёмкостной трёхточки. Она отличается тем, что напряжение связи регулируется подбором соотношения делителя С1 и С2, а частота генерации устанавливается катушкой переменной индуктивности L. Кроме того, добавлен резистор в цепи сетки, препятствующий накоплению заряда на сетке. На рис.6.4.в) показана схема с трансформаторной связью контура и усилительного элемента. В таких схемах важно правильное подключение выводов катушек (начало обозначено точкой).

Рис.6.4.

Аналогичные типы генераторов реализуются и на транзисторах. На рис.6.5 приведены две схемы индуктивной и ёмкостной трёхточки. Отличие от схем на электронных лампах состоит необходимости применения делителя напряжения R1R2 для установки тока покоя базы и развязывающего конденсатора Ссв. В индуктивной трёхточке применено последовательное питание контура и транзистора, а в ёмкостной параллельное.

Рис.6.5.

Настройку LC-генератора на требуемую частоту осуществляют обычно изменением небольшой емкости дополнительного конденсатора, включенного параллельно основному конденсатору резонансного контура. В современных автогенераторах для изменения частоты колебаний применяют варикапы и подстройку, или даже перестройку частоты, производят с их помощью электронным способом.

6.2 RC-генераторы.

Технические характеристики LC-генераторов в диапазонах достаточно низких частот существенно ухудшаются из-за резкого возрастания величин и размеров индуктивностей и емкостей колебательных контуров. Поэтому в низкочастотных автогенераторах в качестве колебательных систем и цепей положительной ОС используют частотно-избирательные RC-цепи. Наиболее распространены в радиоэлектронике и технике связи низкочастотные автогенераторы двух видов — с фазосдвигающей RC- цепью и с мостом Вина.

Автогенератор с фазосдвигающей RC-цепью.

Такой автогенератор содержит инвертирующий усилитель и трехзвенную RC-цепь положительной ОС (рис.6.6). Из теории цепей известно, что данная трехзвенная RС-цепь имеет типовые амплитудно-частотную b(f) и фазовую j(f) характеристики, показанные на рис.6.6.

Рис.6.6.

Цепь вносит фазовый сдвиг jb=p на частоте и имеет вещественное значение коэффициента передачи b=1/29. Поэтому для обеспечения в автогенераторе баланса амплитуд необходимо выбирать коэффициент усиления усилителя ½Kус½=R2/R1³29, а баланс фаз обеспечивается автоматически путем инвертирующего включения ОУ. Недостатки RC-генератора на инвертирующем усилителе и трехзвенной RC - цепью — довольно большое количество элементов в петле положительной ОС и, как следствие, трудность перестройки частоты генерации в широком диапазоне. Поэтому чаще применяют автогенераторы с неинвертирующим включением операционного усилителя и мостом Вина в цепи положительной ОС.

RC-генератор с мостом Вина.

Мост Вина представляет собой частотно-избирательную последовательно - параллельную RC-цепь, состоящую из двух емкостей С и двух сопротивлений R. Амплитудно-частотная b(f) и фазовая j(f) характеристики моста Вина (рис. 6.7) известны. Из графика частотной характеристики следует, что на частоте fk=(2pRC)-1 коэффициент передачи моста Вина b =1/3, а фазовый сдвиг в выходном сигнале отсутствует (jb=0). Значит, самовозбуждение автогенератора будет происходить при коэффициенте усиления усилителя ½K½=R2/R1³3 на квазирезонансной частоте fk. Данный автогенератор имеет более компактную структуру построения схемы. В ней цепь положительной ОС включается между выходом и неинвертирующим входом ОУ (рис. 6.7). Регулировка амплитуды осуществляется подстроечным резистором R2. Перестройка частоты в схеме осуществляется обычно с помощью сдвоенного конденсатора.

Рис.6.7.

6.3 Автогенератор в виде контура с отрицательным дифференциальным сопротивлением (туннельный диод).

Второй идеей получения незатухающих колебаний является внесение в колебательный контур отрицательного дифференциального сопротивления. Свободные колебания в контуре описываются выражением . При добавлении в контур последовательного сопротивления Rд Rэкв=rк+Rд, где rк – собственное сопротивление контура (сопротивление индуктивности). Если Rд<0 и |Rд|³rк, то Rэкв £0 и колебание в контуре затухать не будут.

Рис.6.8.

При параллельном дифференциальном сопротивлении и при Rд<0 и также Rэкв £ 0. В качестве дифференциального сопротивления применяют туннельные диоды, лавинно – пролётные диоды (ЛПД) и диоды Ганна (ДГ). Схемы генераторов на туннельных диодах приведены на рис.6.8. Изменением напряжения питания диод устанавливается на середину падающего участка характеристики (точка U0).

Генераторы на туннельных диодах используются в сверхвысокочастотной области. Анализ показывает, что генератор на усилителе с положительной обратной связью также можно трактовать как генератор в виде контура с отрицательным дифференциальным сопротивлением, которым является транзистор или лампа с положительной обратной связью. (Увеличение коллекторного тока в транзисторе сопровождается увеличением напряжения на базе и соответственно уменьшением коллекторного напряжения).

6.4 Стабилизация частоты в автогенераторах.

Наиболее важным требованием, предъявляемым к автогенераторам, является высокая стабильность частоты выходных колебаний. Это связано с тем, что во время работы автогенератора частота колебаний может изменяться под воздействием различных дестабилизирующих факторов: изменений температуры, влажности и напряжения питания, наличия внешних электромагнитных полей, механических воздействий, что проявляется в изменениях величин индуктивностей, емкостей и сопротивлений, входящих в состав колебательных контуров и частотно - избирательных RC-цепей.

Относительная нестабильность частоты определяется коэффициентом нестабильности Df'/fp или Df'/fk. При расчете коэффициентов нестабильности используют следующие формулы:

для LC-генераторов Df'/fp=-0.5(DL/L+DC/C); для RC-генераторов Df'/fk=(DR/R+DC/C).

Здесь параметры DL, DC, DR — величины изменений индуктивностей, емкостей и сопротивлений от номинальных значений. В схемах автогенераторов гармонических (часто и импульсных) колебаний применяют два основных способа стабилизации частоты: параметрический и кварцевый.

Параметрический способ стабилизации частоты заключается в ослаблении влияния дестабилизирующих факторов и подборе высокочастотных и прецизионных элементов колебательных контуров автогенераторов. Для исключения влияния температуры на параметры усилительных элементов автогенераторы в отдельных случаях помещают в термостаты. Уменьшение влияния механических воздействий обеспечивает применение печатного монтажа и проводов индуктивностей, вжигаемых в керамику. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10-5 (уход частоты на Df' =10 Гц при частоте генерируемых колебаний f = 1 МГц).