По форме генерируемых колебаний гс делят на генераторы синусоидальных колебаний (гсн) и генераторы сигналов специальной формы (гссф).

 

2.2.1. Генератор синусоидальных колебаний

 

Структура ГСН показана на рис. 2.19. Он состоит из усилителя с коэффициентом усиления k (комплексное число) и цепи положительной обратной связи (ПОС) с коэффициентом обратной связи b.

Тогда для усилителя и цепи положительная обратная связь (ПОС) можно записать   .Следовательно, . Полученное равенство справедливо при условии kb = 1, выполнение которого обеспечит возникновение в автогенераторе незатухающих колебаний.

Так как k = ke ­­ ^{j j}, b = b e ^{j y},    ke ­­ ^{j j} b e ^{j y} = 1, то получаем необходимость выполнения двух условий:

- k b = 1 – баланса амплитуд;

- j + y = 0 – баланса фаз.

Условие баланса фаз подразумевает наличие положительной ОС.

Условие баланса амплитуд соответствуют факту восполнения потерь энергией источника питания. Обычно значения k и b выбирают так, чтобы k b ³ 1. При этом благодаря нелинейности характеристик усилителя (коэффициент усиления k падает с ростом входного напряжения) при больших входных сигналах происходит быстрое самоустановление амплитуды колебаний.

Коэффициенты k и b зависят от частоты. Любой усилитель, охваченный ПОС, может превратиться в автогенератор (ПОС может являться акустическая связь динамическая головка – микрофон, многие знают о появлении свиста при их сближении). Если условия выполняются только для одной частоты, то возникают гармонические колебания.

ГСН можно выполнить на УК ОЭ, в коллекторной цепи которого включен колебательный LC -контур, а каскад охвачен трансформаторной ПОС. Однако для получения низкочастотных колебаний (менее 50 кГц) применение LC -генераторов нецелесообразно из-за больших величин (следовательно, размеров) индуктивностей и емкостей колебательного контура, поэтому применяют RC -генераторы. Они при прочих равных условиях по сравнению с LC -генераторами имеют меньшие габариты, массу и стоимость.

Частотно-зависимыми четырехполюсниками, используемыми в RC -генераторах, являются Г -образные RC -цепи, мост Вина (двойная Г -образная цепь), Т -образные и двойные Т -образные мосты.

Мост Вина (рис. 2.20) является избирательным фильтром, настроенным на квазирезонансную циклическую частоту w _р = 1/(RC). Амплитудно-частотная β (f) и фазо-частотная j (f) характеристики моста Вина представлены на рис. 2.20. Из них следует, что на квазирезонансной частоте f _р коэффициент передачи становится вещественным и достигает максимума b ₀ = 1/3, а сдвиг фазы y ₀ = 0. Поэтому усилитель не должен быть фазовращателем для соблюдения баланса фаз и должен обладать на частоте f _р коэффициентом усиления напряжения K_U ³3. Низкий K_U позволяет охватить усилитель на ОУ, кроме ПОС, глубокой ООС, что улучшает параметры автогенератора.

В простом RC -генераторе на ОУ (рис. 2.21) резисторы одинакового сопротивления R 1, R 2 и конденсаторы одинаковой емкости С1 и С2 включены в цепь ПОС и образуют мост Вина. ОУ и резисторы R 3, R 4 являются неинвертирующим усилителем с коэффициентов усиления K_U = 1 + R 4 / R 3. С помощью подстроечного резистора R 4 добиваются минимальных искажений гармонических колебаний. Часто в цепь ООС (вместо R 3) включают схему автоматической регулировки усиления (АРУ), что позволяет автоматически получать синусоидальные колебания почти идеальной формы.

Для регулирования частоты генератора можно в качестве R 1, R 2 и/или C 1, C 2 включить механически сопряженные переменные резисторы и/или конденсаторы.

Существенным недостатком LC - и RC -генераторов является невысокая стабильность частоты генерируемого напряжения. Связано это, в первую очередь, с относительно высокой зависимостью индуктивности катушек и емкости конденсаторов от температуры. Принятие ряда мер позволяет достичь относительной нестабильности частоты D f / f =10^–4…10^–5. Однако наиболее эффективным способом стабилизации частоты генератора является кварцевая стабилизация, когда в качестве колебательной системы используется кварцевый резонатор или просто кварц. Этим достигается относительная нестабильность частоты до 10^–10.

 

Мультивибратор

Мультивибратором называют генератор напряжения с формой, близкой прямоугольной. Его название отражает тот факт, что такое напряжение при разложении в ряд Фурье представляется рядом, содержащим много высших гармоник (мулъти – много).

Известно, что выходное напряжение усилителя линейно зависит от входного только в очень узком диапазоне (несколько микровольт). Если входное напряжение выходит за пределы этого диапазона, то выходной сигнал может принимать только два значения: + U _вых ( ≈ + 12 В) и – U _вых ( ≈ – 12 В). На этой особенности операционного усилителя основан принцип формирования прямоугольного напряжения мультивибратора (рис. 2.22, а).

Предположим, что в момент включения между входами усилителя небольшая (достаточно единиц милливольт) отрицательная разность потенциалов. При этом на выходе сформируется напряжение + U _вых, а на неинвертирующий вход с делителя R ₁ R ₂ будет подан положительный потенциал β U + _{вых.макс}, где β= R ₁ /(R ₁ + R _ос). Конденсатор начнет заряжаться по цепи «U _вых – R ₃– С – корпус», стремясь достичь потенциала + U _вых. Потенциал на инвертирующем входе начнет расти до тех пор, пока не превысит потенциал на неинвертирующем входе β U + _{вых.макс}. В этот момент усилитель сформирует на выходе отрицательное напряжение – U _вых и создаст на неинвертирующем входе отрицательный потенциал  β U -_{вых.макс}. Теперь конденсатор начнет перезаряжаться, стремясь достичь потенциала – U _вых.. Однако как только потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала на неинвертирующем входе – U_D, усилитель сформирует на выходе положительное напряжение + U _вых. Такой скачкообразный процесс изменения выходного напряжения с + U _выхдо – U _вых и обратно будет повторяться до тех пор, пока с операционного усилителя не будет снято питающее напряжение (рис.2.22, б).

  Период Т колебаний определяется постоянной времени заряда конденсатора τ = R ₃ C ₃, а также тем, насколько потенциал, формируемый делителем R ₁ R ₂, меньше напряжения U _вых.

Ждущий мультивибратор (рис. 2.22, в) формирует импульсы заданной длительности. С приходом запускающего импульса мультивибратор переходит в неустойчивое состояние, которое продолжается некоторое время t _и, определяемое времязадающей RC -цепью, после чего устройство возвращается в исходное состояние. Для создания устойчивого состояния (ждущего режима) параллельно конденсатору С включают диод VD (рис. 2.22, в) с полярностью, при которой напряжение на диоде и конденсаторе, а следовательно,на инвертирующем входе ОУ будет равно прямому напряжению U _прдиода. Этому соответствует напряжение на выходе одновибратора U -_{вых.макс}. Входное запускающее напряжение, большее β U -_{вых.макс}, скачком перебрасывает устройство в состояние, когда на выходе появляется напряжение U + _{вых.макс}. На неинвертирующий вход ОУ передается напряжение β U + _{вых.макс}, поддерживающее некоторое время в этом состоянии ждущий мультивибратор. В это время конденсатор С стремится зарядиться до напряжения β U + _{вых.макс} через резистор R ₂ с  постоянной времени τ ₃ = CR ₂. Как только напряжение на конденсаторе С сравняется с напряжением β U + _{вых.макс}, устройство скачком перейдет из неустойчивого в устойчивое состояние и будет ждать прихода следующего запускающего импульса.

Помимо рассмотренных мультивибраторов промышленность выпускает специализированные мультивибраторы в интегральном исполнении.