Принцип построения и работы генератора синусоидальных (гармонических) колебаний

Основные понятия и требования к построению генераторов гармонических колебаний

Генератором гармонических колебаний называется генератор, выходное напряжение которого изменяется по закону

где U_m — амплитудное значение напряжения; со — круговая частота; ср — фаза генерации; t — время.

На первый взгляд проблема построения генераторов гармонических колебаний весьма проста, поскольку известно, что электрические гармонические колебания могут возникнуть в колебательной системе типа LC или RC.

На самом деле построение генератора гармонических колебаний, удовлетворяющего заданным требованиям, связано с решением целого ряда задач, из которых основными являются обеспечение незатухающих и заданной формы электрических колебаний.

Основной недостаток LC-контура состоит в том, что в нем возникают затухающие колебания при отсутствии источника, восполняющего потери в контуре.

Чтобы колебания в контуре не затухали из-за потерь энергии, необходимо ее пополнять, воздействуя на контур извне пульсирующим током с той же частотой и фазой, на которой работает колебательный контур. В качестве устройства, создающего пульсирующий сигнал, можно применить электронный (транзисторный) усилитель с положительной обратной связью, структура которого показана на рис. 10.16.

Рис. 10.16. Структурная схема усилителя с положительной обратной связью (ПОС)

В усилителе с положительной обратной связью возникают незатухающие колебания, так как первоначальное изменение напряжения в схеме, возникающее за счет случайных колебаний на входе усилителя, передается по цепи обратной связи снова на вход, усиливается и вызывает еще большее изменение выходного сигнала, т.е. приводит к возбуждению. Для перехода схемы усилителя в режим самовозбуждения должны быть выполнены два условия — баланс амплитуд и баланс фаз.

Баланс амплитуд — это равенство коэффициента усиления усилителя (К) с коэффициентом ослабления цепи обратной связи (р). Определяется формулой К$ = 1, которая показывает, что усилитель усиливает сигнал во столько раз, во сколько его ослабляет цепь обратной связи. При балансе амплитуд энергия источника питания через цепь положительной обратной связи компенсирует потери энергии в схеме усилителя. Если это условие выполняется только для одной частоты, то генерируемые колебания имеют синусоидальную форму.

Баланс фаз — это равенство угла сдвига фаз усилителя (ф_у) и угла сдвига фаз цепи обратной связи (срр). Напомним, что угол сдвига фаз — это фазочастотная характеристика, показывающая изменение фазы выходного сигнала по отношению к входному сигналу в схеме. Равенство Ф_у ⁺ Фр ⁼ 0 называется условием баланса фаз. Таким образом, из этого равенства следует, что суммарный угол сдвига сигнала, проходящего с входа усилителя на выход и далее через цепь обратной связи на вход усилителя, равен нулю. Из этого следует, что фаза сигнала обратной связи (U^) на входе усилителя совпадает с фазой входного сигнала (U ), и суммарный сигнал на входе усилителя возрастает. В результате происходит возбуждение усилителя и переход его в режим насыщения (возбуждения) и прекращения усилительных свойств.

Проанализируем эти рассуждения на основе теоретического подхода. Как видно из формулы определения коэффициента усиления усилителя с положительной обратной связью, который определяется по формуле Кп = К/( 1 — рЛ), что при условии баланса фаз и амплитуд, когда рл = 1, где К = U_Bblx/U_y — коэффициент усиления усилителя без ОС, т.е. когда напряжение обратной связи (С/р) равно нулю (U_QC = Щ = 0) и напряжение на входе усилителя (U_y) равно входному U_y = U_BX, р = Up/U_Bblx — коэффициент передачи обратной связи, так как сигнал на входе усилителя (U), общий сигнал, определяется как сумма сигналов U_y = Щ + U_BX.

В этом случае коэффициент усиления усилителя, охваченного положительной обратной связью, равен бесконечно большой величине (Ар = оо), так как знаменатель равенства обращается в ноль. Таким образом, условие U_BX = Щ является балансом амплитуд в усилителе для перехода схемы в режим самовозбуждения.

Таким образом, условия баланса фаз выполняются, когда сигнал обратной связи совпадает по фазе с входным сигналом на входе усилителя и отсутствует усиление сигнала в цепи обратной связи. Поскольку усилитель имеет фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного 180°, то и цепь связи должна иметь фазовый сдвиг (фр) сигнала на ее выходе относительно выхода 180° и в сумме должны быть кратны 2л: ф_вх + Фр ⁼ 2пп, где п = 0, 1, 2, 3, ...

При этом транзистор в усилителе переходит в режим насыщения, когда дальнейшее увеличение коллекторного тока невозможно даже при увеличении эмиттерного тока. Это связано с нелинейностью начальных участков выходных характеристик транзистора, а также с тем, что оба перехода транзистора оказываются под напряжением прямого смещения и создается встречная инжекция носителей зарядов из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Режим насыщения также определяется свойством транзистора не увеличивать коллекторный ток при возрастании процесса инжекции в эмиттерном переходе и может возникать, когда ток коллектора транзистора ограничен параметрами источника питания. Все это указывает на то, что усилитель теряет свои усилительные свойства.

Таким образом, в режиме насыщения, который называют критическим, коэффициент усиления резко уменьшается (К = 1), т.е. ток коллектора может резко уменьшиться, что выводит транзистор снова в активный (усилительный) режим. В активном режиме вновь происходит усиление и увеличение тока /_к до насыщения, и так процесс повторяется, вызывая гармонические изменения — генерацию сигналов на выходе усилителя. Таким образом, необходимо проектировать усилитель с обеспечением условия его работы в активном режиме без перехода в режим насыщения.

Кроме того, процесс генерации усилителя поддерживается случайно возникшими колебаниями (флуктуацией) — электрическими шумами.

Собственные гармонические шумы в усилителе возникают по различным причинам, основными из которых являются наводки, тепловые изменения, шумы усилительных элементов схемы. Шумы возникают при изменении температуры, напряжения питания и приводят к изменению тока.

Поскольку на входе усилителя всегда имеется напряжение тепловых шумов с определенными частотными характеристиками, то на выходе усилителя при $К = 1 и отсутствии входного сигнала возникают электрические колебания. Это явление называется самовозбуждением усилителя.

Такие изменения воспринимаются усилителями как сигнал. В результате воздействия таких сигналов на входе усилителя на выходе усилителя появляется гармонический сигнал при отсутствии полезного входного сигнала.

Таким образом, генерация гармонических сигналов на выходе усилителя, охваченного ПОС, возникает как из-за флуктуации параметров схемы, так и из-за снижения коэффициента усиления усилителя в режиме насыщения.

Поэтому усилитель с ПОС можно использовать как преобразователь энергии источника постоянного тока (источника питания) в гармонические электрические колебания. Гармонический сигнал с выхода усилителя, охваченного ПОС, может служить источником вынужденных электрических колебаний для колебательного контура LC-типа, в котором будут генерироваться незатухающие колебания заданной частоты. Чтобы усилитель генерировал колебания стабильной частоты, на его вход необходимо подавать сигнал с внешнего источника, с заранее заданными параметрами. В качестве внешнего источника сигнала для усилителя в схеме генератора LC-типа используют сигнал, снимаемый с выхода колебательного контура LC-типа.

Таким образом, создается замкнутая электрическая система, в которой возникают гармонические незатухающие колебания, по форме близкие к синусоидальным. В этой замкнутой системе конденсатор колебательного контура является накопителем первоначальной энергии, без которого нельзя создать электрические колебания в замкнутой системе: цепь ОС и усилитель с ПОС.

Основными элементами генераторов гармонических электрических колебаний являются пассивная электрическая цепь — колебательный контур LC-типа, в котором возбуждаются и поддерживаются колебания, и активный элемент — усилитель, преобразующий энергию источника питания в энергию генерируемых колебаний, как источник вынужденных (пульсирующих сигналов) колебаний в контуре. Для этого необходимо обеспечить самовозбуждение усилителя путем создания цепи положительной обратной связи между выходом и входом усилителя.

Рис. 10.17. Структурная схема генератора гармонических колебаний LC-типа: У — усилитель; КК — колебательный контур LC-типа; ОС — положительная обратная связь (ПОС); ИП — источник питания

Положительная обратная связь в генераторах может быть внешней и внутренней. Внешняя положительная обратная связь создается с помощью частотно-зависимых цепей, а внутренняя возникает за счет рабочих свойств электронных приборов в определенные режимы работы. Для создания генераторов синусоидальных гармонических колебаний применяется, как правило, внешняя положительная обратная связь, позволяющая получить более высокую, чем внутренняя обратная связь, стабильность частоты генерируемого сигнала. Структурная схема генератора гармонических колебаний LC-типа показана на рис. 10.17.

На выходе усилителя включают колебательный контур LC-типа. Между колебательным контуром на выходе усилителя и входом усилителя создается положительная обратная связь (ПОС). Схемные реализации LC-генераторов различаются способами включения в усилитель колебательного LC-контура (последовательно и параллельно с усилительным каскадом) и способами снятия и передачи сигнала положительной обратной связи (индуктивная (трансформаторная), автотрансформаторная и емкостная). Различаются также и схемы включения усилительного элемента в усилителе (с ОЭ, ОК и ОБ). В большинстве случаев применяется схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивающая максимальное усиление. В генераторах с максимально высокими частотами генерации следует применять схему включения транзистора с общей базой (ОБ).