Генераторы LC-типа (LC-генераторы)

В LC-генераторах в качестве частотно-избирательных (частотно-задающих) элементов используются катушки индуктивности и конденсаторы. Обычно на основе катушек индуктивности и конденсаторов формируются параллельные или последовательные колебательные контуры, которые настраиваются на заданную рабочую частоту . В LC-генераторах обычно превышает значение 40 кГц.

На рис. 5.2 приведена принципиальная схема одного из вариантов LC -генератора. Основой такого устройства является резонансный усилитель, в котором с помощью трансформатора Тр создана ПОС. Условия генерации (5.2) здесь обеспечиваются для резонансной частоты контура . При подключении источника питания в цепях усилительного каскада образуются приращения токов и напряжений. В результате в LC -контуре возникают синусоидальные колебания с частотой , которые поддерживаются с помощью ПОС в устройстве.

Если частота колебаний отклонится от значения , то сопротивление контура перестанет быть активным и приобретет реактивный (индуктивный или емкостный) характер, что вносит дополнительный фазовый сдвиг, и условие (5.2,б) перестает выполняться. Кроме того, отклонение от резонансной частоты приводит к снижению , что может нарушить выполнение условия (5.2,а). Таким образом, генерация автоколебаний в устройстве (рис. 5.2) осуществляется на частоте (или очень близкой к ней).

Усилительный каскад ОЭ в рассматриваемом генераторе инвертирует сигнал, поэтому для выполнения баланса фаз трансформатор Тр должен осуществить поворот фазы сигнала на 180°. Если обмотки трансформатора имеют одно направление намотки, то необходимо вторичную обмотку включить встречно по отношению к первичной (см. рис. 5.2). Точки около выводов обмоток Тр указывают на синфазность напряжения на них. Обычно первичная обмотка Тр, являющаяся индуктивностью контура, состоит из большего числа витков, чем вторичная.

Выполнить LC -генератор можно и без использования трансформаторной связи. В этих случаях цепь обратной связи подключается непосредственно к колебательному контуру, который состоит из нескольких секций индуктивности (или емкости). В генераторах такого типа LC -контур соединяется с усилительным каскадом в трех местах (тремя точками), поэтому их называют трехточечными. На рис. 5.3 приведена принципиальная схема генератора с индуктивной трехточечной связью.

Здесь LC -контур образован секционированной индуктивностью L и емкостью параллельно включенного конденсатора С. Сигнал ПОС образуется на верхней секции L. Напряжение на выводах L относительно шины находится в противофазе. Амплитуда напряжения обратной связи устанавливается положением средней точки в катушке индуктивности. Из всех конденсаторов, используемых в рассматриваемом устройстве, минимальной емкостью должен обладать конденсатор С.

При реализации генератора с емкостной, трехточечной связью в контур параллельно катушке индуктивности включаются последовательно два конденсатора. Цепь обратной связи в этом случае подключается к общей точке этих конденсаторов (емкостного делителя).

Помимо рассмотренных выше генераторов существует достаточно много и других LC -генераторов: с эмиттерной связью, с двухтактной схемой и др. Выполняются LC -генераторы и на основе ОУ. Принципиальная схема одного из таких генераторов приведена на рис.5.4. Электронная часть генератора представлена здесь неинвертирующим усилителем. Поскольку неинвертирующий усилитель наОУ имеет малое выходное сопротивление, то LC-контур следует подключать к выходуОУчерез резистор .

На частоте резонанса параллельный контур имеет очень большое сопротивление и не шунтирует вход ОУ. При этом глубина ПОС становится больше глубины ООС и в устройстве выполняются условия возникновения генерации (5.2). При отклонении частоты от сопротивление контура уменьшается и приобретает реактивный характер, что приводит к уменьшению усилителя (за счет снижения глубины ПОС, которая становится меньше глубины ООС) и появлению дополнительных фазовых сдвигов. Таким образом, генерация колебаний в устройстве (рис. 5.4) оказывается возможной лишь на частотах, весьма близких к .

Отметим, что определенные отклонения частоты генерации могут происходить за счет изменения режимов работы и параметров элементов схемы, в частности, под действием температуры. Нестабильность частоты генерации обратно пропорциональна добротности контура. Поэтому в качестве высокостабильных генераторов используются устройства с частотно-избирательными элементами высокой добротности, которой обладает кварцевый резонатор.

Кварцевые генераторы

Обеспечить высокую стабильность частоты генерации можно при включении кварцевого резонатора в цепь обратной связи обычного LC -генератора. Для лучшей стабильности желательно использовать частоту последовательного резонанса кварца. При этом важно, чтобы общее сопротивление цепи обратной связи было значительно меньше собственного R кварцевого резонатора. Это условие выполняется в генераторе, принципиальная схема которого приведена на рис. 5.5.

Для генерации колебаний необходимо настроить LC -контур на резонансную частоту кварцевого резонатора. В этом случае полное сопротивление LC -контура велико, что позволяет получить в каскаде большое , а сопротивление кварцевого резонатора Кв мало, что обеспечивает глубокую ПОС между коллектором и базой транзистора. Частоту LC-контура можно выбирать гораздо больше резонансной частоты Кв. При этом резонатор возбудится на соответствующей высшей гармонике. В серийных кварцевых резонаторах = 10кГц - 10МГц, но некоторые из них могут возбуждаться на частотах до 250 МГц. Таким образом, работа на высших гармониках целесообразна для получения генерации на частотах свыше 10 МГц.

Отметим, что нагрузка в рассматриваемом генераторе может подключаться к коллектору транзистора. Для уменьшения ее влияния на режим работы кварцевого генератора иногда используется дополнительный согласующий каскад.

Если возбуждать кварцевый резонатор на основной частоте , то можно построить генератор и без использования LC -контура. На рис. 5.6 приведена принципиальная схема одного из вариантов такого кварцевого генератора. Частота генерации здесь определяется значением . На частотах ниже 2 МГц к кварцу Кв желательно подключить емкостный делитель напряжения, состоящий из конденсаторов и (цепь обозначена пунктиром на рис. 5.6), который способствует выполнению баланса фаз на частоте генерации. Отметим, что в генераторе (рис. 5.6) индуктивность L иногда может быть заменена резистором или параллельной цепью из резистора и конденсатора.

Если стабильность кварцевого генератора все же оказывается недостаточной для некоторых специальных случаев, то следует применить термостатирование кварцевого резонатора. Если даже получена хорошая температурная стабильность, остаются еще серьезные причины, которые могут изменить частоту генерации: временные нестабильности, старение, удары, вибрации и т. д. В тех случаях, когда стабильность термостатированных резонаторов не удовлетворяет предъявленным требованиям, можно рекомендовать лишь применять стандартные атомные частоты.

Помимо кварцевых резонаторов находят применение и другие элементы акустоэлектроники в генераторах специального назначения. Для генерации сигналов низких частот можно использовать акустоэлектронные элементы, работающие на изгибных колебаниях, а также RС -цепи. Самое широкое распространение в современной электронике получили низкочастотные синусоидальные RС -генераторы.