Електронні автогенератори

1. Електронні автогенератори поняття та класифікація

Електронний генератор – це пристрій, який перетворює електричну енергію джерела постійного струму в енергію незатухаючих електричних коливань необхідної форми, частоти і потужності.

За принципом роботи розрізняють генератори із самозбудженням (автогенератори) і генератори з зовнішнім збудженням, які по суті є підсилювачами потужності високої частоти. Електронні автогенератори розділяють на автогенератори синусоїдальних (гармонічних) коливань і автогенератори коливань несинусоїдальної форми, які прийнято називати релаксаційними (імпульсними ) автогенераторами.

Будучи першоджерелом електричних коливань, генератори з самозбудженням широко використовуються в радіопередаючих і радіоприймальних (супергетеродинних) пристроях, у вимірювальній апаратурі, в електронних обчислювальних машинах, в пристроях телеметрії і т.д.. Нижче показано класифікацію генераторів за діапазоном частот.

       Найбільш розповсюджені схеми автогенераторів містять підсилювальний елемент і коливальну систему, пов’язані між собою колом позитивного зворотного зв’язку.

Для побудови автогенератора синусоїдальних коливань зазвичай використовуються два типи підсилювальних схем – резонансні підсилювачі і підсилювачі на резисторах. Автогенератори, виконані на основі схеми резонансного підсилювача, часто називають автогенераторами типу LC, а автогенератори, побудовані на основі схеми підсилювача на резисторах, - автогенераторами типу RC. Перші використовуються на високих частотах, інші – на низьких.

В якості підсилювальних елементів схем автогенераторів, які використовуються в пристроях електронної автоматики і обчислювальної техніки, найбільш широко застосовуються транзистори і тунельні діоди.

2. Коливні характеристики автогенераторів

Рисунок 1 - Залежність струму колектора від амплітуди гармонічного

вхідного сигналу

Розглянемо залежність струму колектора від амплітуди гармонічного вхідного сигналу (рис. 1). При малих значеннях амплітуди (1) коливання відбуваються в околі робочої точки “О” в межах лінійної ділянки зображеної на рисунку прохідної характеристики. Форма змінної компоненти колекторного струму  І_к  повторює форму вхідної напруги  U_вх  і їх амплітуди пропорційні одна одній. При більшій величині вхідної напруги (2) нижня частина кривої  І_к(t) вже зазнає нелінійні спотворення і пропорційність між  І_к   та U_вх   зникає. При дуже великих амплітудах (3) нелінійні обмеження струму  І_к спостерігаються як в нижній, так і у верхній частинах кривої І_к(t).

Рисунок 2 – Коливальна характеристика автогенератора

Але якщо ми маємо справу з транзистором навантаженим коливним контуром, який настроєний на частоту вхідного сигналу, то цей контур реагуватиме лише на першу гармоніку струму І_к(t), тоді як всі вищі гармоніки будуть проходити через контур не утворюючи на ньому істотного спаду напруги. Тому напруга на контурі буде гармонічною, незважаючи на те, що струм, який через нього протікає, має форму далеку від синусоїдальної. Очевидно, що при нелінійних спотвореннях амплітуда напруги на контурі U_Кт не буде вже пропорційною до амплітуди вхідної напруги U_вх=U_Бт - в міру її збільшення зріст U_Кт  буде сповільнюватися і виходити на насичення. Подібна залежність зображена на рисунку 2 і має назву коливної характеристики. Співвідношення  U_Кт/U_Бт  є не що інше, як коефіцієнт підсилення  , який тепер залежить в же від

величини вхідної напруги: він зменшується в міру збільшення U_Бт.

При наявності зворотного зв’язку напруга, що повертається на вхід транзистора U_Бт=βU_Кт . Тому на рисунку 2 можна провести лінію зворотного зв’язку, що являє собою пряму, яка проходить через початок координат. Її нахил визначається величиною зворотного зв’язку: чим більше  β, тим більш похило іде ця лінія.

В областях коливної характеристики, в яких крутість ходу січної до кривої U_Кт=f(U_Бт)  (а це є не що інше як коефіцієнт підсилення k) більша за крутість прямої зворотного зв’язку  1/β (тобто k>1/β), умова самозбудження буде виконаною і амплітуда коливань зростатиме. Праворуч від точки А крутість січної менша за крутість лінії зворотного зв’язку ( k<1/β ) і амплітуда коливань буде зменшуватися. Лише у точці А, де виконується умова kβ=1, амплітуда коливань не буде ані зростати, ані зменшуватися, тобто зберігатиметься незмінною. Досягнувши точки А коливання припинять свій зріст і залишатимуться незмінними за амплітудою.

Такий режим є стійким. Якщо амплітуда коливань з якихось причин зросте, вона потрапить у область праворуч від точки А і почне зменшуватися, поки не повернеться у точку А. Якщо ж амплітуда коливань зменшиться, вона опиниться у області, де  k>1/β, і буде зростати, аж поки не досягне точки А.

3. Умови самозбудження

Принцип роботи генераторів коливань базується на реалізації умови самозбудження підсилювача з додатнім зворотнім зв’язком, структурну схему якого показано на рисунку 3.

Рисунок 3 - Структурна схема генератора коливань

 Для комплексних значень вхідних і вихідних напруг підсилювача запишемо:

U_вих = КU_вх, а U_вх = βU_вих = U_зв.з,

де К, β– комплексні значення коефіцієнта підсилення та передаточного коефіцієнта відповідно підсилювача та ланки зворотного зв’язку. Як відомо, коефіцієнт підсилення за напругою підсилювача з додатним зворотним зв’язком визначається виразом:

                                                                                                               (1)

 Перехід підсилювача в режим генерування коливань (К_П = ∞) забезпечується умовою:     Кβ =1         або             Ке^jφβ^jφ=1.                    (2)

                              Рисунок 4 -  Умови роботи генератора коливань

Це рівняння називають умовою самозбудження генератора коливань. Ця умова поділяється на умову балансу амплітуд (Кβ=1) і на умову балансу фаз (φ = -ψ + 2π), які визначають стабільну роботу генератора коливань (рис. 4).

4. Основні параметри автогенераторів

Автогенератор гармонійних коливань (як, втім, і коливань будь-якої форми і частоти) можна представити загальною структурною схемою (рис. 5), що складається з нелінійного резонансного підсилювача з комплексним коефіцієнтом підсилення      К=К/(jω) і ланцюзі позитивного зворотнього зв’язку (ЗЗ) з комплексним коефіцієнтом передачі по напрузі β=β(jω). У представленій схемі відмічені комплексні амплітуди наступних напруг:

вхідної - Uвx = Uвх (jω);

вихідної  - Uвиx = U вих (jω);

зворотного зв'язку - Uзз = Uзз (jω). 

Рисунок 5 - Узагальнена структурна схема автогенератора

Вираз для напруги зворотного зв'язку на будь-якій частоті генерації ЗЗ запишемо у вигляді:

 Uзз = Uвх = βUвих                                   (1)

 Тоді вихідна напруга U вих = КUвх, або з урахуванням (1):

 U вих = КβUвх                                          (2)

 Як випливає зі співвідношення (2), автогенератор буде працювати в стаціонарному режимі за умови, що:

      Кβ = 1                                                  (3)

 Якщо ж Кβ> 1, то амплітуда вихідних коливань буде безперервно зростати, що визначає необхідну умову самозбудження генератора.

В теорії автогенераторів вираз (3) прийнято представляти у вигляді двох рівностей:

      Кβ = Кзз = 1;                                  (4)

        фк + фβ = 2πn,                              (5)

 де Кзз - коефіцієнт посилення підсилювача зі зворотним зв'язком;

параметр n = 0, 1, 2, 3 ....

 Співвідношення (4) визначає умова балансу амплітуд в автогенераторі. З нього випливає, що в стаціонарному режимі на генерується частоті коефіцієнт посилення підсилювача зі зворотним зв'язком Кзз дорівнює одиниці.

Рівність (5) характеризує умова балансу фаз. Воно показує, що в стаціонарному режимі сумарні фазові зрушення сигналу на частоті генерації, створювані підсилювачем і ланцюгом позитивного ЗЗ, повинні бути рівні (або кратні) 2π. Слід зазначити, що тільки умова балансу фаз дозволяє визначити частоту генеруючих коливань.

У схемах автогенераторів гармонійних коливань, які працюють в стаціонарному режимі, співвідношення (4) і (5) виконуються на одній фіксованій частоті ωр, яка є резонансною для вузькополосної коливальної системи. При роботі автогенератора негармонійних коливань умови (4) і (5) повинні виконуватися для деякої смуги частот.

Найбільш часто в автогенераторах гармонійних коливань в якості вузькополосних коливальних систем використовуються резонансні LC-контури і частотно-залежні (фазуючі) RС-ланцюги. Автогенератори гармонійних коливань із згаданими резонансними контурами називають LC-генераторами, а з фазуючими   RС-ланцюгами - RC-генераторами. LC-генератори здатні виробляти коливання досить високої частоти (більше 100 кГц), а RС-генератори використовуються для створення гармонійних коливань низькочастотного діапазону (від десятків кГц до одиниць Гц).