Лекция 24. Генераторы электрических сигналов

 

1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

 

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством

которого энергия внешних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой частоты, формы и мощности. Электронные генераторы входят в состав структурных схем многих электронных приборов. Они используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, телевизорах, радиоприемниках и т.д.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи.

По назначению генераторы делятся на технологические, измерительные, медицинские, связные.

По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических сигналов.

По выходной мощности генераторы делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (от 1 до 100 Вт) и мощные (более 100 Вт).

По частоте генераторы делят на инфранизкочастотные (менее 10 Гц), низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц), СВЧ (выше 100 МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на ОУ, на тунельных диодах, динисторах.

По типу частотно-избирательных цепей ОС различают генераторы LC, RC и RL типа.

 

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Обобщенная структурная схема генератора электрических сигналов должна содержать источник питания и преобразователь энергии источника в электрические колебания. Схема преобразователя приведена на рис. 24.1, а. Она содержит усилитель, частотно-избирательную цепь положительной обратной связи (ПОС), а также цепь ООС.

Обозначим модуль коэффициента усиления усилителя – К, модуль коэффициента передачи цепи ПОС – В, а модуль коэффициента передачи цепи ООС – М. По своему составу структурная схема генератора во многом соответствует схеме избирательного усилителя. Отличие схем заключается в количественных соотношениях для значений коэффициентов К, В и М, а также в требованиях к ФЧХ цепи ПОС.

Определим требования к этим параметрам генератора. Для этого функционирование генератора разделим на два этапа: этап возбуждения и этап стационарного режима. На этапе возбуждения в генераторе возникают колебания, и амплитуда их постепенно нарастает (рис. 24.1, б). На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется, и генератор переходит в стационарный режим.

На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь ПОС. Эта цепь определяет условия возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний их амплитуда нарастает до тех пор, пока действие ООС не ограничит значение К. На этапе возбуждения цепь ООС не работает.

Цепь ПОС, как правило, выполняется на пассивных R, L, C элементах, поэтому она имеет потери. Эти потери компенсируются усилителем.

Рассмотрим процессы возникновения и установления колебаний на выходе генератора. При включении питания в схеме возникнут колебания, обусловленные переходными процессами в транзисторах или ОУ, зарядом емкостей или индуктивностей. Эти колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала На выходе усилителя формируется сигнал

Сигнал поступает в цепь ПОС и ослабляется в раз. На выходе цепи ПОС он имеет значение

и вновь поступает на вход усилителя, т.е.

(24.1)

Из (24.1) следует, что если амплитуда колебаний на выходе усилителя будет нарастать. При колебания затухают. Когда

, (24.1) принимает вид:

(24.2)

При соблюдении условия (24.2) схема генератора переходит в ста-ционарный режим. Условие (24.2) распадается на два условия, которые называются условиями баланса амплитуд и фаз:

(24.3)

Условие баланса амплитуд показывает, что в режиме возбуждения колебаний коэффициент усиления усилителя должен быть больше коэффициента затухания цепи ПОС, т.е.

Для перехода к стационарному режиму в схему включается цепь с ООС. Она изменяет значение до точного соблюдения баланса амплитуд.

Условие баланса фаз означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2nπ, где n – любое целое число (как правило, n=1). Условие баланса фаз позволяет определять частоту генерируемых колебаний. Если баланс фаз выполняется только на одной частоте, то генерируются гармоническое колебание. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебания будут негармоническими.

3. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

 

Одна из возможных схем генератора гармонических колебаний была рассмотрена в лекции 23. В этом вопросе основное внимание уделим анализу физических процессов в нескольких практически применяемых схемах генераторов на транзисторах. В качестве частотно-избирательных цепей такие схемы используют колебательный контур, включаемый в цепь коллектора. Цепь ОС может быть реализована трансформаторной связью (рис. 24.2, а).

В схеме рисунка 24.2, а транзистор Т, L_к, C_к и R_б образуют резонансный усилитель по схеме с ОЭ. В такой схеме сдвиг фаз между U_вх и U_вых – φк равен π. Элементы L_др и C_ф образуют фильтр в цепи питания. Фильтр не пропускает переменную составляющую в цепь источника питания. Элемент R_б образует схему смещения с фиксацией тока базы. Индуктивность L_б, включена в цепь базы и образует ПОС. Связь между L_б и L_к трансформаторная. Для выполнения баланса фаз включение катушек встречное, т.е. φβ = π.

Рассмотрим физические процессы более подробно. Пусть в момент времени t = 0 включено питание. Бросок тока коллектора вызовет в контуре L_к, C_к

колебания с частотой ω₀, причем,

u_к(t) = U_m0·exp(-δ·t)·cosω₀t,

где U_m0 - начальная амплитуда свободных колебаний, d = (G_вых + β·G_вх)/2·C_к, G_вых,G_вх – выходная и входная проводимости резонансного усилителя, β – коэффициент передачи тока базы транзистора.

Учтем затухание В, вносимое элементами ПОС. Тогда

d = (G_вых + β G_вх·B)/2·C_к.

Для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы потери δ были отрицательными. Это возможно, если

(G_вых + β G_вх·B)<0. (24.4)

Разделим (24.4) на G_вых и учтем, что K₀ = (-β R_вых)/R_вх. Тогда от (24.4) приходим к выражению баланса амплитуд в режиме возбуждения:

1-KB<0.

На практике для надежного возбуждения обеспечивают KB=(2÷4). Баланс фаз обеспечивается включением колебательного контура в цепь коллектора и встречным включением катушек индуктивности L_б и L_к.

Чтобы завершить анализ работы генератора, обратимся к проходной характеристике транзистора (рис. 24.2, б).

На характеристике показана рабочая точка Т, сигнал в цепи ПОС – u_б(t) и сигнал в цепи коллектора i_к(t). Рабочая точка Т размещена в середине линейного участка характеристики. При соблюдении условия (24.4) в схеме возникают колебания и их амплитуда в границах линейного участка непрерывно растет. Когда амплитуда сигнала превышает размеры линейного участка характеристики, ее рост прекращается. Форма колебаний в цепи коллектора искажается, но контуром выделяется только одна гармоника – на частоте ω0.

4. ТРЕХТОЧЕЧНЫЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ

ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

 

Схемы генераторов, в которых часть выходного сигнала передается в цепь базы через индуктивный или емкостной делитель, называются трехточечными. Обобщенная схема трехточечного генератора приведена на рис. 24.3, а. В ней комплексные сопротивления Z1, Z2, Z3 представляют элементы колебательного контура. Они соединены с тремя выводами тран-

зистора. Выясним, каким условиям должны удовлетворять эти сопротивле-

ния, чтобы ОС была положительной.

Известно, что комплексный коэффициент передачи цепи ОС определяется отношением:

где

Тогда

.

Теперь очевидно, что j_b = π + φ_Z2 - φ_Z3 (здесь π в левой части обусловлено сдвигом фазы в цепи коллектора). Но нам уже известно, что для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы φ_β = π, т. е.

p + j_Z2 - j_Z3 = p.

Значит,

φ_Z2 = φ_Z3. (24.5)

Выражение (24.5) показывает, что знаки реактивностей в цепях коллектор-эмиттер и база-эмиттер должны быть одинаковыми, т.е. это должны

быть либо индуктивности (рис. 24.3, б), либо емкости (рис. 24.3, в).

На резонансной частоте сопротивление колебательного контура активно, а сумма реактивных сопротивлений Х₁ + Х₂ +Х₃ = 0. Но знаки Х2 и Х3 должны совпадать. Значит, знак реактивности в цепи коллектор-база – Х₁ должен быть противоположным.

Реальная схема индуктивной трехточки приведена на рис. 24.4, а. В этой схеме делитель R₁,R₂ образует схему смещения с фиксацией напряжения на базе. Резистор Rэ предназначен для обеспечения термостабилизации. Вывод от катушки индуктивности делит ее на две части L1 и L2 и соединен с эмиттером транзистора через разделительный конденсатор Cр1 большой емкости. В результате индуктивность L1 по переменной составляющей включена между базой и эмиттером (посредством Cф1 и Cф2), а L₂ – между коллектором и эмиттером. Между электродами коллектор-база включена емкость контура C1. Так реализована трехточка. Выходное напряжение снимается с резистора Rэ через Ср2. Оно равно напряжению обратной связи Uб, снимаемому с катушки L1.

На рис. 24.4, б представлена схема генератора с емкостной ОС (емкостная трехточка).

Благодаря делителю С1 С2 контур тремя точками (э, к, б) соединен по

переменной составляющей с транзистором. Напряжение ОС снимается с конденсатора С2. Необходимые фазовые соотношения обеспечиваются подключением эмиттера к средней точке делителя. При этом Z1=jωL1, Z2=1/jωC2, Z3=1/jωC1.

Частота генерации определяется выражением

а коэффициент обратной связи

 

5. RC – ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Генераторы гармонических колебаний с LC контурами широко применяются на ВЧ. Их применение на НЧ осложняется низким качеством и большими габаритами катушек индуктивности. В связи с этим в цепях ПОС НЧ генераторов обычно используют RC-цепи. Такие цепи имеют квазирезонансные характеристики и обеспечивают сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями, равным 180º или нулю. Две такие цепи приведены на рис. 24.5.

Первая цепь (рис. 24.5, а) состоит из трех фазосдвигающих звеньев. Каждое звено на частоте ω₀ обеспечивает сдвиг фазы на 60º. В результате фаза выходного напряжения будет сдвинута относительно фазы входного на 180º. Для построения генератора с такой цепью необходимо применить инвентирующий усилитель. Фазовый сдвиг (-π) обеспечивается только на частоте ω0 = При этом модуль коэффициента передачи на частоте ω0 равен Для построения генератора с такой цепью необходимо применить инвертирующий усилитель.

Вторая цепь (рис. 24.5, б) называется мостом Вина. Напомним, что на резонансной частоте мост Вина обеспечивает сдвиг по фазе, равный нулю. Для построения генератора на основе моста Вина необходимо применять неинвертирующий усилитель.

Схему генератора на основе моста Вина в цепи ПОС легко реализовать на ОУ (рис. 24.6, а). Такая схема полностью совпадает со схемой резонансного усилителя по рис. 22.7, а. Схема генератора на основе RC -цепи рис. 24.5, а приведена на рис. 24.6, б.

 

 

При реализации схем необходимо учитывать низкое значение коэффициента передачи RC звеньев – 1/3 для моста Вина и 1/29 для лестничной схемы. Это эквивалентно низкочастотной избирательности. А так как ОУ в схеме рис. 24.6, а и транзистор в схеме рис. 24.6, б после возбуждения переходят в нелинейный режим, то колебания на выходе RC генератора по форме будут существенно отличаться от гармонических.

Чтобы исключить искажения формы колебаний, активные элементы RC генераторов должны работать в линейном режиме. Поэтому обязательным элементом схемы становится цепь ООС с нелинейным сопротивлением.

Процесс самовозбуждения и ограничения амплитуды колебаний в схеме рис. 24.6, б происходит следующим образом. С помощью R₁, R2 и Rэ рабочая точка транзистора выбирается на середине линейного участка проходной характеристики. При включении питания возникают броски тока, как и в любой схеме. Бросок тока порождает бесконечный спектр гармоник.

Условия баланса фаз выполняются только на частоте ω0 = Амплитуда колебаний на этой частоте начинает увеличиваться. Но по мере увеличения амплитуды сопротивление Rэ в цепи ООС по току также увеличивается, уменьшая коэффициент усиления каскада. Процесс увеличения амплитуды замедляется.

Амплитуда примет постоянное значение, когда из-за роста Rэ выполняется баланс амплитуд. Значение Rэ выбирают так, чтобы баланс амплитуд выполнялся в пределах линейного участка проходной характеристики.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

24.1. Перечислите признаки классификации генераторов электрических сигналов.

24.2. Приведите деление генераторов по частоте.

24.3. Как делятся генераторы по типу частотно - избирательных цепей?

24.4. В чем заключаются отличия структурных схем генератора и избирательного усилителя?

24.5. Какую роль в схеме генератора выполняет цепь ООС?

24.6. В чем состоит отличие генератора гармонических колебаний от генератора негармонических колебаний?

24.7. Назовите основной признак трехточечных схем генераторов гармонических колебаний.

24.8. Чем отличаются схемы емкостной и индуктивной трехточки?

24.9. Обоснуйте необходимость применения RC генераторов.

24.10. В чем заключается недостаток RC генераторов и как он может быть устранен?