Электрическая структурная схема АГ

Рисунок 8.1 – Структурная схема LC -автогенератора.

Основным узлом генератора является колебательная система (колебательный контур). Она определяет форму генерируемых колебаний.

Для поддержания незатухающих колебаний энергия от внешнего источника питания через управляемый активный элемент периодически добавляется в колебательную систему, компенсируя потери в ней.

Управление активным элементом необходимо для того, чтобы энергия добавлялась синфазно с существующими в системе колебаниями. Управление на него подается с колебательной системы через цепь положительной обратной связи.

Источник питания, активный элемент и цепи обратной связи являются вспомогательными узлами, с помощью которых компенсируются потери энергии в колебательной системе.

Процесс возбуждения колебаний В АГ

Функционирование генератора можно разделить на два этапа:

- этап возбуждения генератора;

- этап стационарного режима.

Рисунок 8.2 – Процесс установления колебаний в АГ.

После включения источника питания в генераторе начинается процесс возникновения колебаний. В первый же момент во всех цепях проходят кратковременные импульсы токов. Т.к. одиночный импульс образует сплошной спектр колебаний, частота одного из них обязательно совпадет с собственной частотой колебательной системы генератора. Это колебание возбудит колебательную систему, и по цепи обратной связи поступит на вход активного элемента, многократно усилится и «просуммируется» с существующими в колебательной системе колебаниями. Амплитуда колебаний при этом будет непрерывно возрастать. Физически это объясняется тем, что за один период колебаний энергии поступает в колебательную систему больше, чем расходуется.

Энергетическое равновесие В АГ

По мере роста амплитуды колебаний начинает проявляться нелинейность ВАХ активного элемента и усиление уменьшается. Нарастание амплитуды колебаний АГ замедляется, а затем и вовсе прекращается. Наступает стационарный режим. Он характеризуется динамическим равновесием между поступлением энергии в колебательную систему и ее потерями. В установившемся режиме генератор выдает колебания постоянной частоты и амплитуды.

 

РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ВОЗБУЖДЕНИЯ АГ

Комплексное уравнение АГ

Стационарный режим работы автогенератора характеризуется постоянной амплитудой генерируемых колебаний.

Коэффициент усиления усилителя без обратной связи (см. структурную схему автогенератора):

,

где и - соответственно комплексные амплитуды выходного и входного напряжений;

- модуль коэффициента усиления;

- его аргумент, учитывающий сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями усилителя.

Если в качестве колебательной системы использован одиночный колебательный контур с резонансным сопротивлением , то ,

где - амплитуда первой гармоники выходного тока усилительного элемента.

,

где - средняя крутизна ВАХ усилительного прибора.

При малых значениях крутизна практически равна статической крутизне в рабочей точке, при увеличении она уменьшается.

Подставляя последнее выражение в предыдущее, получаем:

.

Тогда и

Коэффициент передачи цепи обратной связи:

где - аргумент коэффициента передачи, определяющий сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями ЦОС.

Результирующий коэффициент усиления усилителя, охваченного цепью ОС:

.

Если в колебательной системе установятся синусоидальные колебания с постоянной амплитудой (стационарный режим):

Подставляя в это выражение значения и получаем:

.

Это условие стационарности АГ. Оно распадается на два:

или и ,

Условие баланса амплитуд

или – условие баланса амплитуд: в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора равен 1.Условие баланса амплитуд выполняется лишь при определенном значении U_mвх, т. е. при определенной стационарной амплитуде колебаний U_mвых. Из этого условия получаем: .

Если , амплитуда колебаний на выходе АГ нарастает до тех пор, пока вновь не выполнится условие .

При возникновение автоколебаний невозможно, поскольку энергия, поступающая в колебательную систему недостаточна для компенсации потерь.

Условие баланса амплитуд определяет стационарную амплитуду выходных колебаний и наименьший коэффициент передачи ЦОС (критический, ), обеспечивающий самовозбуждение АГ.

Условие баланса фаз

Это условие определяется выражением , : в стационарном режиме суммарный угол сдвига фаз при обходе замкнутого кольца автогенератора должен быть равен 0 или целому числу 2 .

В цепях автогенератора могут быть следующие сдвиги фаз:

1. Сдвиг фаз на угол , созда­ваемый усилительным элементом (на­пример, транзистором при его включе­нии по схеме с общим эмиттером), меж­ду его входным и выходным напряжениями.

2. Сдвиг фаз на угол , возни­кающий в цепи обратной связи между ее входным и выходным напряжениями.

3. Сдвиг фаз на угол между напря­жением на входе усилительного элемен­та и первой гармоникой его выходного тока. Этот сдвиг возни­кает на очень высоких частотах и при правильном выборе лампы или тран­зистора .

4. Сдвиг фаз на угол между напря­жением и током . Если колебательный контур точно настроен на частоту первой гармоники выходного тока, угол = 0°.

Таким образом, условие баланса фаз можно переписать в следующем виде:

или .

Соотношение означает, что для выполнения условия баланса фаз цепь обратной связи должна изменять фазу подводимого к ней переменного напря­жения на 180°. В большинстве автогенераторов существует лишь одна частота, на кото­рой выполняется условие баланса фаз, т. е. на которой возможно генериро­вание колебаний. Следовательно, условие баланса фаз определяет частоту автоколебаний.