Политех в Сети

Сайт для Учебы

6.ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Рейтинг пользователей: / 1
ХудшийЛучший 

Важное место в радиоэлектронике принадлежит генераторам - устройствам, предназначенным для создания электрических колебаний. Различают генераторы с внешним возбуждением и с самовозбуждением. Генераторы с внешним возбуждением по существу являются резонансными усилителями, работающими в режиме отсечки тока. Генераторы с самовозбуждением называют также автогенераторами.

Автогенератор – устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний требуемой формы и частоты. Автогенератор состоит из усилителя, цепи обратной связи и источника питания (рис.6.1).

описание: структурнаясхемагенератора

Рис.6.1. Структурная схема автогенератора

Для возбуждения и генерации колебаний часть энергии усиленных колебаний с выхода усилителя должна передаваться по цепи обратной связи на вход усилителя. При включении источника питания в петле обратной связи самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, которые при наличии положительной обратной связи могут создать нарастающее напряжение в системе автогенератора. Генератор можно рассматривать как усилитель с положительной обратной связью.

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен:

. (6.1)

При коэффициент усиления усилителя с обратной связью становится равным бесконечности или даже отрицательным. Физически это означает, что при отсутствии входного напряжения есть напряжение на выходе усилителя. То есть усилитель самовозбуждается и превращается в генератор. Таким образом, условие самовозбуждения генератора соответствует выражению

. (6.2)

Коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи цепи обратной связи в общем случае зависят от частоты. Поэтому, если условие самовозбуждения выполняется для частот , ,…, , то все они будут генерироваться и получится генератор колебаний сложной формы. Если же в схеме генератора будет избирательная система (колебательный контур, частотно-зависимые Цепи), то условие самовозбуждения будет выполняться для одной частоты или узкого интервала частот. При этом получается генератор гармонических или квазигармонических колебаний. Будем рассматривать автогенератор с избирательной системой в виде колебательного контура. Условие самовозбуждения автогенератора можно записать в виде двух условий - отдельно для амплитуд и для фаз:

, (6.3)

, (6.4)

Где 0, 1, 2, 3,….

Если выполняются эти условия, то в решении линейных уравнений, описывающих систему, появляются экспоненциальные множители с положительным показателем, свидетельствующие о возрастании амплитуды свободных колебаний. Пока амплитуда колебаний мала, усиление сигнала происходит линейно. С увеличением амплитуды колебаний начинает сказываться нелинейность амплитудной характеристики усилителя. Амплитуда, нарастая, достигает некоторого установившегося значения и остается неизменной. При этом энергия, отбираемая за один период колебаний у источника постоянного тока, оказывается равной энергии, расходуемой в колебательной системе. Это соответствует стационарному режиму работы автогенератора. Наличие нелинейности является обязательным свойством системы, способной генерировать колебания установившейся амплитуды. На основе линейной теории невозможно объяснить стационарный режим работы генератора. Обычно пользуются квазилинейной теорией, которая позволяет проводить анализ процесса генерирования линейными средствами с учетом нелинейных свойств системы.

В стационарном режиме, когда в петле обратной связи установились стабильные по амплитуде колебания, можно получить следующие соотношения, пользуясь обозначениями на структурной схеме автогенератора:

, (6.5)

, (6.6)

, (6.7)

Подставляя (5.7) в (5.5), получим

. (6.8)

Из последнего выражения получаем условие работы автогенератора в стационарном режиме:

. (6.9)

Поскольку

, (6.10)

То это выражение можно записать в виде двух условий - условия баланса амплитуд :

(6.11)

И условия баланса фаз

, (6.12)

Где N=0,1,2, 3, ... .

Таким образом, в стационарном режиме петлевое усиление равно 1 и сумма фазовых сдвигов в петле обратной связи равна или кратна .

При работе автогенератора возможно два характерных режима, которые зависят от выбора начальной рабочей точки на динамической характеристике нелинейного элемента. Исследуем амплитудную характеристику узкополосного усилителя, на основе которого построен генератор гармонических сигналов. Для биполярного транзистора по схеме с ОЭ динамическая характеристика представляет собой зависимость переменного тока на выходе усилителя от переменного напряжения на входе усилителя . Для усилителя, работающего с начальным смещением, когда рабочая точка находится в середине линейного участка динамической характеристики, характер изменения во времени амплитуды выходного тока показан на рис.6.2

описание: генераторвольтамперная

Рис.6.2. Динамическая характеристика и импульсы коллекторного тока

При увеличении напряжения на входе монотонно увеличивается ток коллектора и напряжение на выходе транзистора. Следовательно, амплитудная характеристика, представляющая собой зависимость Будет иметь следующий вид:

описание: амплитуднаях-кагенератора1

Рис.6.3. Амплитудная характеристика в режиме работы с начальным смещением.

При некотором напряжении на входе наступает насыщение тока коллектора. На этом же графике представлена зависимость коэффициента усиления от входного напряжения.

Иной характер амплитудной характеристики будет при отсутствии начального смещения на базе транзистора. При этом рабочая точка находится на начальном нелинейном участке динамической характеристики, как показано на рис.6.4.

описание: генераторвольтамперная2

Рис.6.4. Динамическая характеристика и импульсы коллекторного тока

В этом случае при малых амплитудах входного напряжения Основная гармоника коллекторного тока растёт очень медленно. Постепенно при дальнейшем увеличении входного напряжения нарастание амплитуды коллекторного тока ускоряется, а затем опять наступает замедление роста коллекторного тока и насыщение. Амплитудная характеристика и зависимость коэффициента усиления от входного напряжения показаны на рис.6.5.

описание: амплитуднаях-кагенератора2

Рис.6.5.Амплитудная характеристика в режиме работы без начального смещения

Таким образом, в зависимости от положения рабочей точки на характеристике транзистора могут быть получены разные амплитудные характеристики, которые отличаются друг от друга для малых входных сигналов. В одном случае - постоянный конечный наклон амплитудной характеристики, в другом – почти нулевой наклон при малых входных сигналах с последующим постепенным нарастанием.

Рассмотрим работу генератора гармонических сигналов, построенного на транзисторном резонансном усилителе, показанный на рис.6.6.

описание: генераторстрансформатором

Рис.6.6. Резонансный усилитель с положительной обратной связью

Положительную обратную связь в генераторе можно обеспечить, используя трансформатор в коллекторной цепи. Направление включения вторичной обмотки выбирают так, чтобы обеспечить положительную обратную связь, при которой сумма фазовых сдвигов в петле обратной связи равна

. (6.13)

Напряжение с вторичной обмотки трансформатора, включенной в коллекторную цепь, передается на базу транзистора. На базу подается также постоянное напряжение смещения, обеспечивающее начальное положение рабочей точки в середине линейного участка динамической характеристики транзистора.

Считая все токи и напряжения в этой схеме комплексными, запишем выражение для напряжения обратной связи, поступающего с вторичной обмотки трансформатора на базу транзистора:

, (6.14)

Где: - ток в первичной обмотке; - коэффициент взаимной индукции катушек трансформатора. В свою очередь ток в колебательном контуре равен

. (6.15)

Подставив значение тока в выражение (6.14), получим:

. (6.16)

Коэффициент передачи цепи обратной связи равен:

(6.17)

Таким образом, значение величина постоянная и не зависит от .

Представим на графике (рис.6.7) зависимость коэффициента усиления усилителя и обратной величины коэффициента передачи цепи обратной связи от входного напряжения. Зависимость обратной величины коэффициента передачи цепи обратной связи на графике будет представлять собой прямую линию.

описание: диаграмма мягкого режима самовозбуждения

Рис.6.7.Диаграмма мягкого режима самовозбуждения генератора

На основании диаграммы на рис.6.7 можно сделать выводы о физических процессах в рассматриваемой системе. В точке A пересечения кривой зависимости коэффициента усиления с прямой произведение . Для всех значений , справедливо неравенство . При этом свободные колебания в системе будут нарастать (усилитель самовозбуждается), а будет приближаться к значению . Для всех же значений Справедливо обратное неравенство и свободные колебания с такими амплитудами будут уменьшаться (затухать), вновь приближаясь по значению к . Амплитуда же колебаний оказывается устойчивой в том смысле, что любые возмущения приводят к процессам нарастания или затухания её до тех пор, пока она не станет равной . Таким образом, в точке A выполняется условие баланса амплитуд . Из условия баланса амплитуд может быть определена стационарная амплитуда колебаний в системе.

Особенность рассмотренного режима работы генератора состоит в том, что условие самовозбуждения выполняется для любых сколь угодно малых начальных значений амплитуды колебаний в системе. Это значит, что колебания в ней могут возникнуть от любых флуктуационных возмущений. Такой режим генерации называется мягким.

Другой характер развития процесса генерации наблюдается в резонансном усилителе при нулевом начальном смещении рабочей точки. Диаграмма для этого случая представлена на рис.6.8.

Рис.6.8. Диаграмма жесткого режима самовозбуждения генератора

Кривая зависимости коэффициента усиления от входного напряжения Пересекается с прямой в двух точках А и Б, В которых выполняются условия генерации. Амплитуда колебаний в точке А не отличается от предыдущего случая и соответствует стационарной амплитуде колебаний в автогенераторе. Точка Б соответствует границе между устойчивыми и неустойчивыми колебаниями в автогенераторе. При отклонении значения влево от точки Б петлевое усиление Становится меньше 1 и свободные колебания затухают. При отклонении значения вправо от точки б Становится больше 1, амплитуда колебаний нарастает и стремится к значению . Такой режим самовозбуждения называется жёстким. Генератор в этом режиме не может возбудиться от флуктуационных возмущений. Для возбуждения колебаний необходим начальный толчок, создающий начальные колебания с амплитудой .

Таким образом, в основу генератора гармонических колебаний может быть положена схема узкополосного усилителя с положительной обратной связью, за счет которой возникает самовозбуждение. Установление стационарной амплитуды колебаний определяется нелинейностью динамической характеристики транзистора. Частота колебаний генератора зависит от частотных характеристик усилителя и цепи обратной связи и определяется условием баланса фаз. Поскольку в цепи обратной связи в этой системе используется колебательный контур, то частота генерации должна совпадать с резонансной частотой

Контура. Зависимость фазового сдвига от частоты для параллельного колебательного контура имеет вид:

, (6.18)

Где - обобщенная расстройка контура, Добротность, а Резонансная частота. Условие баланса фаз будет выполнено только при резонансе, когда и , то есть, когда частота генерации совпадает с резонансной частотой колебательного контура .