Генераторы гармонических и разрывных колебаний

Процесс получения переменных токов и напряжений требуемой формы называется генерированием электрических колебаний, а соответствующие электронные устройства - генераторами. По форме выходных колебаний генераторы можно разделить на две основные группы: генераторы гармонических колебаний и генераторы разрывных колебаний (импульсные).

Устройства, в которых колебаний возникают без дополнительных внешних воздействий, называются автогенераторами или генераторами с самовозбуждением.

Автогенераторы, предназначенные для получения высокочастотных гармонических колебаний (свыше сотен кГц), обычно строятся с применением элементов, использующих явление резонанса в колебательном контуре (LC-генераторы) или в пьезоэлектрических резонаторах. Автогенераторы низкочастотных гармонических колебаний (десятки кГц и ниже) строятся на основе резисторное - емкостных схем (RC-генераторы).

Рассмотрим генераторы высокочастотных гармонических колебаний. Схема автогенератора состоит из двух частей:

1) избирательного усилителя, содержащего активный нелинейный элемент (АЭ) и колебательную систему (резонатор);

2) цепи обратной связи, по которой колебание с выхода усилителя подается на вход.

Источником энергии служит постоянное напряжение источника питания.

Общая структурная схема автогенератора показана на рис.1.

В большинстве случаев причиной возникновения автоколебаний в генераторах являются флуктуации, всегда имеющие место в элементах реальной схемы. Ток, протекающий через активный элемент (транзистор, лампу), всегда флуктуирует из-за наличия дробового эффекта, т.е. непостоянства количества носителей заряда во времени. Другими источниками колебаний являются тепловое движение электронов в активном приборе и резисторах, флуктуации токораспределения в приборах и т.д. Благодаря этим явлениям токи и напряжения во всех элементах схемы даже при постоянстве питающих напряжений быстро изменяются случайным образом. Амплитудный спектр флуктуационной составляющей очень широк и почти равномерен до частот порядка 10¹² Гц.

В спектре флуктуаций всегда есть составляющие, частота которых сколь угодно близка к резонансной частоте контура, включенного в выходную цепь активного прибора. За счет избирательных свойств контура спектральная составляющая с частотой, равной f = f_p, будет выделена и через цепь обратной связи поступит на вход активного прибора. Это колебание будет усилено. Чтобы в схеме произошло нарастание возникших колебаний, на частоте f_p необходимо выполнение условия:

, (1)

где - коэффициент усиления усилителя,

- коэффициент передачи цепи обратной связи.

Таким образом:

1) обратная связь между входом и выходом должна быть положительной;

2) коэффициент усиления схемы должен превышать определенное значение.

Обычно первое условие самовозбуждения - это фазовое условие; второе - амплитудное.

В общем случае коэффициенты передачи К_у и g _ос являются комплексными величинами, т.к. напряжения в схеме имеют зависящие от частоты сдвиги фаз.

С энергетической точки зрения нарастание колебаний происходит из-за того, что АЭ отдает за период колебаний энергию большую, чем расходуемая за это время в пассивных элементах схемы и в нагрузке. В результате к началу каждого следующего периода энергия, а значит, и амплитуда колебаний возрастают. Обратная связь необходима для синхронизации активного элемента колебаниями, существующими в резонаторе.

Если в схеме возникли колебания, то амплитуда их растет только до определенного значения. По мере роста амплитуды колебаний проявляется нелинейность активного элемента: при достаточно больших амплитудах происходит уменьшение коэффициента усиления усилителя К_у. При некоторой амплитуде полный коэффициент передачи напряжения становится равным единице:

. (2)

При этом отдаваемая АЭ мощность оказывается равной потребляемой мощности. Если этот энергетический баланс устойчив к малым отклонениям, то в автогенераторе устанавливается стационарный режим колебаний.

Режим нарастания колебаний до установившегося значения - переходный, а режим генератора, при котором амплитуда колебаний постоянна, - стационарный.

Из сказанного следует, что любой автогенератор должен содержать нелинейный элемент, т.е. стационарные колебаний устанавливаются только благодаря нелинейности.

Чаще всего нелинейным элементом в автогенераторе является АЭ, хотя иногда нелинейность находится в колебательной системе или цепи обратной связи.

Активными элементами могут быть биполярные и полевые транзисторы, генераторные диоды - туннельные, лавинно-пролетные и др.

В качестве резонаторов в диапазоне высоких частот используются LC -контуры, кварцевые пластины; на СВЧ - отрезки линий с распределенными параметрами, диэлектрические шайбы, ферритовые сферы и т.д.

В исследовании любых автоколебательных систем, в том числе автогенераторов, можно выделить три основные задачи:

1) анализ условий самовозбуждения;

2) определение стационарных режимов (формы, амплитуды и частоты генерируемых колебаний) и анализ их устойчивости;

3) исследование переходных процессов установления колебаний.

Для проведения этих исследований разработано большое количество различных методов.