Глава 3. Генераторы синусоидальных колебаний.

LC-генераторы.

В ряде видов генераторов синусоидальных колебаний используют для задания частоты

LC- и RC- частотно избирательные элементы. Рассмотрим сначала генератор с параллельным LC– контуром. Такие генераторы называют LC- генераторами. Напомним, что параллельный колебательный контур содержит конденсатор С и катушку индуктивности L. Если заряженный конденсатор подключить к катушке, то в образовавшемся контуре возникнут затухающие колебания. Частота этих колебаний определяется формулой Томсона:

.

Колебания продолжались бы вечно, если бы в контуре не было потерь энергии, например, на активном сопротивлении провода катушки индуктивности. Чем меньше потери энергии, тем выше добротность контура. Добротность может быть определена как число колебаний до момента уменьшения их амплитуды, примерно, в 10 раз. Потери в контурном конденсаторе обычно малы по сравнению с потерями в катушке, поэтому добротность контура практически равна добротности катушки. Добротность же катушки определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к её активному сопротивлению.

Основная идея построения генераторов с LC–контуром состоит в следующем: убыль энергии в контуре в процессе колебаний должна восполняться усилительным элементом, возбуждаемым, т.е. запитываемым от того же контура. При этом должны выполняться два условия: баланс амплитуд и баланс фаз. А именно:

,

где – коэффициент усиления усилителя, – коэффициент передачи звена обратной связи и

,

где — фазовый сдвиг сигнала, создаваемый усилителем, — фазовый сдвиг сигнала, создаваемый звеном ОС.

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы оба эти соотношения выполнялись бы только для одной частоты.

Физический смысл неравенства , заключается в следующем. Сигнал, усиленный усилителем в раз и ослабленный звеном ОС в раз в соответствии с соотношением , возникает вновь на входе усилителя в той же фазе, но с большей амплитудой. Происходит прогрессирующее нарастание амплитуды сигналов нужной частоты на входе и выходе генератора. Равенство соответствует переходу генератора в установившийся режим. При этом по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшение коэффициента усиления из-за проявления нелинейности характеристик транзисторов.

Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания от усилительного каскада подводились бы к контуру синфазно (т.е. в той же фазе) с его собственными. Следовательно, общий фазовый сдвиг по петле обратной связи и усилителя должен быть нулевым (то есть равным ).

Исторически первый LC-генератор был изобретен Мейснером в 1913 году (немецкое общество беспроволочного телефона) и затем усовершенствован Роундом (английская фирма Маркони). В нём использовалась индуктивная обратная связь. В настоящее время существует множество способов включения LC-контуров в усилительные каскады и организации цепей обратной связи. Первые LC-генераторы имели резонансный контур в цепи обратной связи, а в выходную цепь усилителя включалась катушка индуктивности. Эта катушка, с одной стороны, играла роль нагрузки усилителя, а с другой — передавала часть энергии в цепь обратной связи. На рис. 8 приведена схема простейшего автогенератора.

Рис.8.

Катушка резонансного контура L_Б индуктивно связана с катушкой L_K, включённой в коллекторную цепь транзистора. При подаче напряжения питания в колебательном контуре появятся слабые колебания с частотой , которые при отсутствии положительной обратной связи должны прекратиться из-за активных потерь энергии в LC-контуре, определяемых величиной активного сопротивления индуктивной катушки. Появившийся в контуре переменный ток усиливается транзистором. Эти колебания через катушку L_K, индуктивно связанную с L_Б, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно нарастает до определенной величины, так как транзистор представляет собой ограничивающее устройство, не позволяющее коллекторному току возрастать бесконечно.

Колебательный контур LC можно включить в коллекторную цепь. В этом случае передача энергии в базовую цепь транзистора осуществляется индуктивно связанной катушкой L_Б, и наличие конденсатора С_Б не обязательно. Схема приобретает вид, как на рис. 9.

Рис.9.

 

В случае двух последних схем выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. В схемах усилителей с общим эмиттером (а именно такое включение транзисторов мы сейчас и рассматриваем) выходной сигнал находится в противофазе с сигналом, подаваемым в базовую цепь. Для соблюдения условия баланса фаз () звено положительной обратной связи на резонансной частоте должно осуществлять поворот фазы сигнала на 180⁰, передаваемого на вход усилителя. Необходимая фазировка напряжения обратной связи достигается соответствующим подключением выводов обмоток катушек (в противофазе). Цифрами на схеме рис. 9 помечены начала обмоток.

Сигнал обратной связи в рассмотренных схемах снимается с выхода усилителя (коллекторная цепь транзистора) при помощи индуктивно связанных катушек. Такая связь называется трансформаторной. Сигнал обратной связи может быть снят и непосредственно с колебательного контура. Это можно осуществить секционированием индуктивной или емкостной ветви колебательного контура. В схемах таких генераторов колебательный контур имеет три точки соединения с усилителем. Такие генераторы называют трёхточечными. Соответственно говорят о схеме индуктивной трёхточки (автотрансформаторная связь) или о схеме емкостной трёхточки (рис. 10 и рис. 11).

Рис.10.

Рис.11.

 

Баланс амплитуд в индуктивной и емкостной трёхточках соблюдается при определенных значениях коэффициентах обратной связи . Это достигается регулировкой величин индуктивностей и , а в схеме емкостной трёхточки — конденсаторами С1 и С2. При больших значениях коэффициента обратной связи в генераторах наблюдаются иногда искажения гармонических колебаний. Это происходит из-за того, что условия самовозбуждения соблюдаются для ряда гармонических составляющих, близких по частоте к основной гармонике с частотой . Обычно подобное явление наблюдается также и в генераторах, где добротность контуров мала. Одним из способов борьбы с этими искажениями может быть использование в эмиттерной цепи транзистора переменного сопротивления R_Э.

Изменяя величину этого сопротивления. Можно регулировать отрицательную обратную связь и, соответственно, коэффициент усиления транзисторного усилителя.

Для завершения расчетов параметров LC-генератора остается определить параметры контура, то есть значения , , .

На резонансной частоте колебательный контур в коллекторной цепи имеет наибольшее сопротивление, и оно носит чисто активный характер.

,

где — суммарное сопротивление потерь в элементах LC- колебательного контура, а — характеристическое сопротивление контура. Кроме того, сопротивления и определяют добротность контура .

Принимая во внимание эти рассуждения, мы можем считать, что при резонансе , и записать систему двух уравнений:

.

Решив эту систему, мы определим значения и . Величину добротности в наших расчётах можно принять равной (3¸10÷30).

Для закрепления сказанного процедуру нахождения параметров колебательного контура изложим несколько по иному: сопротивление R_К должно учитывать уход части мощности контура в цепь положительной обратной связи через трансформатор «L_K÷L_Б», питание сопротивления нагрузки R_Н, а также и потери мощности в колебательном контуре на его активном сопротивлении . Для упрощения анализа перечисленные потери эквивалентируем резистором R_К. В этом случае можно записать, что .

Величину выбираем из конструктивных соображений. Если требования к качеству синусоиды не очень строгие, принимаем . Качество синусоиды возрастает при .

Построив график рис.3 и принимая во внимание рассуждения, приведённые на стр.7, об удвоении коллекторного напряжения при наличии колебательного контура в цепи коллектора, определяем , а затем и как . Зная , определяем характеристическое сопротивление колебательного контура .

При заданной частоте имеем = . Таким образом, получаем систему из двух уравнений с неизвестными и :

,

откуда получаем искомые значения индуктивности и ёмкости .

Осталось определить величину . Напряжение обратной связи (ПОС) должно быть меньше выходного напряжения генератора примерно в раз (), следовательно, можно записать, что . При практической реализации схемы можно взять в 10-20 раз меньше .

Далее при моделировании рассчитанной схемы генератора с помощью программ моделирования можно считать индуктивную связь между обмотками порядка единицы и подкорректировать значение .

Конструктивно индуктивности желательно выполнять с использованием ферромагнитных сердечников (колец) с . Размеры ферромагнитных колец приедены в Приложении II.