4_6_2

Автогенераторы с индуктивной связью на транзисторе и операционном усилителе

Схема автогенератора с резонансным LC-контуром показана на рис.4.70,а. В этой схеме используется индуктивная связь обмотки резонансного контура LкCк, являющегося нагрузкой однокаскадного усилителя по схеме ОЭ, со второй обмоткой, включённой в цепь базы и выполняющей функцию цепи обратной связи. Обмотка Lб включается встречно обмотке Lк, чем обеспечивается сдвиг фазы на π.

а б

Рис.4.70 Генератор гармонических колебаний на транзисторе (а) и операционном усилителе (б)

Элементы R1, R2, R3 и Сэ предназначены для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. Сопротивления rк и rб учитывают активные потери соответственно в контурной и базовой обмотках. За счет конденсатора С, реактивное сопротивление которого на частоте генерации незначительно, заземляется один конец базовой обмотки.

Сопротивление контура на резонансной частоте носит чисто активный характер и равно Lк/(rкСк). Поэтому при воздействии на базу сигнала переменного тока с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекторе будет сдвинуто по фазе на π (как для каскада усиления по схеме ОЭ). Таким образом, общий фазовый сдвиг в замкнутой цепи усилитель – звено обратной связи будет равен нулю. Это обеспечивает выполнение условия баланса фаз.

Минимальное усиление, обеспечивающее выполнение условия баланса амплитуд на резонансной частоте (частоте генерации), определяется выражением:

h21э = h'11эr'кСк/М + М/L'к, (*)

где r'к и L'к – сопротивление активных потерь и индуктивность колебательного контура с учетом параллельно подключенной выходной проводимости транзистора h22э;

h'11 = rб + h11э ;

М – коэффициент взаимоиндукции.

Таким образом, для получения устойчивого автоколебательного процесса с частотой колебаний f0 необходимо выбрать транзистор, у которого значение h21э не менее рассчитанного по формуле (*). При этом частота колебаний LC-автогенератора выражается формулой:

f0 = 1/(2π√ (L'кСк)).

Высокими техническими показателями обладают LC-автогенераторы, в которых в качестве усилительных звеньев используют операционные усилители. В связи с избыточностью коэффициента усиления таких усилителей это позволяет кроме положительной обратной связи через частотно-избирательный резонансный контур вводить достаточно глубокие отрицательные обратные связи, что существенно повышает стабильность частоты генерируемых колебаний.

Один из типичных вариантов LC-автогенератора на операционном усилителе типа 153УД1 показан на рис.4.70,б. В этой схеме LC - контур включён в цепь положительной обратной связи между выходом (вывод 6) и неинвертирующим входом (вывод 3) операционного усилителя. Включение в цепь отрицательной обратной связи между выходом и инвертирующим входом усилителя (вывод 2) терморезистора обеспечивает высокий уровень стабилизации амплитуды и частоты генерируемых колебаний.

Технические характеристики LC-автогенераторов в диапазоне низких частот существенно снижаются, так как в соответствии с выражением непомерно увеличиваются индуктивность и емкость колебательного контура. Это приводит к увеличению омического сопротивления обмотки катушки и токов утечки конденсатора, снижению добротности колебательного контура и стабильности частоты автогенератора. Поэтому в автогенераторах гармонических колебаний низкочастотного диапазона используют частотно-избирательные цепочки из элементов R и С и в зависимости от создаваемого ими фазового сдвига на квазирезонансной частоте инвертирующие или неинвертирующие усилители.

RC - автогенератор

В отличие от резонансной частоты f0 колебательного LC - контура для частотно-избирательных RС-цепочек частоту f0, кратную πn, где n = 0 или 1, называют квазирезонансной частотой. Такие автогенераторы называют RС-генераторами. По габаритным и весовым характеристикам в области частот от долей герц до десятков килогерц они имеют значительные преимущества перед LC-автогенераторами.

Структурная схема RС-автогенераторов аналогична рассмотренной выше. Чтобы из всего возможного спектра частот RС-автогенератор генерировал лишь одну какую-либо гармоническую составляющую, условия самовозбуждения генератора должны быть выполнены на этой частоте.

Наиболее широкое применение находят RС-автогенераторы, в которых используют последовательно-параллельную, частотно-избирательную RC-цепочку (рис.4.71,а).

Рис.4.71 Частотно – избирательная RC - цепь

Квазирезонансная частота для этой цепочки:

f0 = 1/(2π√(R1R2C1C2))

и коэффициент передачи напряжения на квазирезонансной частоте

ß0 = Uвых/Uвх = 1/(1 + R1/R2 + C2C1).

Если R1 = R2 = R и C1 = С2 = С, то

f0 = 1/(2πRC) и ß0 = 1/3.

Поскольку коэффициент передачи напряжения ß0 – величина положительная, сдвиг фазы входного сигнала на квазирезонансной частоте отсутствует (φß = 0). Амплитудно- и фазочастотная характеристики последовательно-параллельной RС-цепи показаны на рис.4.71, б.

Таким образом, для выполнения условий самовозбуждения усилительное звено RС - автогенератора должно обеспечивать фазовый сдвиг φк = 2πn, где n = 0, 1, 2, 3 ..., поскольку φß = 0 и иметь коэффициент усиления, больший трех (ßKU≥1). Тем самым удовлетворяется условие баланса фаз и амплитуд.

Принципиальная схема RС-автогенератора на двухкаскадном усилителе по схеме ОЭ, в цепь положительной обратной связи которого включена последовательно-параллельная RС-цепь, показана на рис.4.71,а. Двухкаскадный усилитель обеспечивает общий нулевой фазовый сдвиг (по 180° на каждый каскад). Благодаря тому, что последовательно-параллельная RC-цепъ на квазирезонансной частоте f0 также обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, условие баланса фаз выполняется именно на этой частоте, чем достигается получение синусоидальной формы генерируемых колебаний.

Так как двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления, значительно превышающий 3, через цепочку Rос, Rэ1 введена отрицательная обратная связь, охватывающая оба каскада и снижающая коэффициент усиления до критического. Это позволяет существенно улучшить форму генерируемых колебаний, а также повысить стабильность их частоты.

Из рис.4.71,а видно, что резистор R2 фазирующей RС-цепи подключен непосредственно к входу усилителя и, следовательно, шунтируется его входным сопротивлением Rвх, которое для схемы ОЭ невелико.

Рис.4.71 RC – генератор на транзисторах (а) и операционном усилителе (б)

Схема RС-автогенератора с последовательно-параллельной фазирующей RC-цепью, в котором применен стандартный операционный усилитель 140УД2, изображена на рис.4.71,б. Фазирующая RС-цепь включена между выходом (вывод 5) и неинвертирующим входом (вывод 10) операционного усилителя, поэтому общий фазовый сдвиг по замкнутой петле равен нулю, что обеспечивает условие баланса фаз. Цепь частотно-независимой отрицательной обратной связи (с выхода усилителя на инвертирующий вход 9) для повышения качества работы автогенератора выполнена регулируемой за счет резистора R4.

Стабилизация частоты автогенераторов

Частота генерируемых колебаний определяется не только параметрами колебательного контура или фазирующей RС-цепи, но и параметрами других активных и пассивных элементов схемы. Изменение любого из них, вызванное дестабилизирующими факторами, приводит к уходу частоты генерации. Основными дестабилизирующими факторами являются: колебания температуры окружающей среды; колебания напряжения источников питания; изменения атмосферного давления и влажности; старение элементов во времени; изменение нагрузки автогенератора.

Количественно стабильность частоты оценивают абсолютной нестабильностью Δf, представляющей собой разность между номинальным значением частоты f г.ном и ее новым значением, полученным после воздействия дестабилизирующего фактора, или относительной нестабильностью Δf/ f г.ном, выражаемой в относительных единицах или процентах.

Относительной нестабильностью пользуются для сравнительной оценки генераторов различного назначения или работающих в различных диапазонах частот. Стабильность частоты автогенератора тем выше, чем больше добротность избирательной цепи.

Для увеличения добротности частотно-избирательных четырехполюсников (колебательных контуров, фазирующих RС-цепей) следует снижать активные потери в индуктивных катушках при их проектировании, а также обеспечивать высокий запас усиления в усилительных звеньях автогенераторов. Последнее обстоятельство не только способствует повышению добротности частотно-избирательных RС-четырехполюсников, но и позволяет вводить частотно-независимые цепи отрицательной обратной связи, снижающие нестабильность частоты и улучшающие другие показатели автогенераторов.

Высокой стабильностью частоты обладают автогенераторы с кварцевой стабилизацией. В таких автогенераторах используют кварцевые резонаторы (BQ), обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рис.4.72,а.

Рис.4.72 Кварцевая стабилизация частоты

При подведении к кварцевой пластинке переменного напряжения она совершает механические колебания, частота которых зависит только от размеров и вида выреза пластинки. Поскольку размеры пластинки постоянны, то и частота колебаний постоянна. Механические колебания кварца в свою очередь вызывают собственные электрические колебания. Когда собственная частота кварца совпадает с частотой приложенного к пластине напряжения, наступает явление резонанса, и механические колебания достигают максимального значения. Добротность кварцевого резонатора Q достигает значений (2…6) 106, чего невозможно достичь в контуре с сосредоточенными параметрами.

В схеме кварцевого автогенератора (рис.4.72,б) в качестве усилительного звена использован операционный усилитель 140УД1, в цепь положительной обратной связи которого (с выхода 5 на неинвертирующий вход 10) включен кварцевый резонатор, настроенный на частоту резонанса напряжений. В цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя включены резистор R2 и канал полевого транзистора T, стабилизирующий амплитуду выходных колебаний.

Управление затвором полевого транзистора осуществляется выходным напряжением автогенератора, выпрямленным диодом Д и сглаженным фильтром R5C, которое снимается с делителя R6, R7. Резистор R1, регулирующий глубину положительной обратной связи, служит для установления допустимых нелинейных искажений выходного сигнала. Для уменьшения нестабильности частоты, обусловленной изменениями параметров элементов схемы автогенератора за счет изменения условий окружающей среды (температуры, влажности, давления и т. д.), применяют высокостабильные резисторы, конденсаторы и индуктивные катушки колебательных контуров и фазирующих цепей, а усилительные звенья выбирают с высоким значением коэффициента температурной нестабильности.