Схемы автогенераторов. Общий принцип стабилизации частоты колебаний (стр. 2 из 3)

Рис. 3 Вариант RC-звена и его ФЧХ

Рис. 4 Вариант RC-звена и его ФЧХ

Из графиков видно, что одно простейшее RC-звено вносит сдвиг фаз, не превышающий 90°. Поэтому сдвиг по фазе величиной 180° можно осуществить путем каскадного соединения трех элементарных RC-звеньев (рис.5).

Рис. 5 Схемы и ФЧХ трехзвенных RC-цепей

Элементы RC-цепи рассчитываются так, чтобы на частоте генерации получить сдвиг фаз 180°. Один из вариантов генератора с трехзвенной цепью RC показан на рисунке 6

Рис. 6 Генератор с трехзвенной цепью RC

Генератор состоит из резистивного усилителя на транзисторе и цепи обратной связи. Однокаскадный усилитель с общим эмиттером осуществляет сдвиг фазы между напряжением на коллекторе и базе j_К = 180°. Следовательно, для выполнения баланса фаз цепь обратной связи должна обеспечивать на частоте генерируемых колебаний j_ОС = 180°.

Проведем анализ цепи обратной связи, для чего составим систему уравнений по методу контурных токов.

Решая полученную систему относительно коэффициента обратной связи b, получим выражение

Из выражения следует, что фазовый сдвиг 180° получается в том случае, когда

будет вещественной и отрицательной величиной, т. е.

,

следовательно, генерация возможна на частоте

На этой частоте модуль коэффициента обратной связи

Это означает, что для возбуждения автоколебаний коэффициент усилителя должен быть больше 29.

Выходное напряжение генератора обычно снимают с коллектора транзистора. Для получения колебаний гармонической формы в цепь эмиттера включен терморезистор R_Т с положительным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении амплитуды колебаний сопротивление R_Т возрастает и увеличивается глубина отрицательной обратной связи в усилителе по переменному току, соответственно, падает коэффициент усиления. Когда наступает стационарный режим колебаний (Кb = 1), усилитель остается линейным и искажения формы коллекторного тока не происходит.

Автогенератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи.

Характерной особенностью схем RC-генераторов с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи является использование в них усилителей, не инвертирующих фазу входного сигнала. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с неинвертирующим входом или многокаскадный усилитель с четным числом инвертирующих каскадов. Рассмотрим некоторые возможные варианты цепей обратной связи, обеспечивающих нулевой фазовый сдвиг (рис. 7).

Рис. 7 Варианты цепей ОС, обеспечивающие нулевой фазовый сдвиг

Они состоят из двух звеньев, одно из которых представляет RС-звено с положительным фазовым сдвигом, а второе – с отрицательным сдвигом фазы. В результате сложения ФЧХ на определенной частоте (частоте генерации) можно получить фазовый сдвиг, равный нулю.

На практике наиболее часто в качестве избирательной цепи с нулевым фазовым сдвигом применяют фазобалансный мост, или по-другому мост Вина (рис. 7 в), применение которого показано в схеме RC-генератора с нулевым фазовым сдвигом, выполненного на операционном усилителе (рис. 8).

Рис. 8 RC-генератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи ОС

В этой схеме напряжение с выхода усилителя подается на его неинвертирующий вход через цепь обратной связи, образованную элементами моста Вина R₁C₁ и R₂C₂. Резистивная цепочка RR_Т образует еще одну обратную связь – отрицательную, которая предназначена для ограничения нарастания амплитуды колебаний и сохранения их гармонической формы. Напряжение отрицательной обратной связи поступает на инвертирующий вход операционного усилителя. Терморезистор R_Т должен иметь отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Коэффициент передачи цепи обратной связи

должен быть вещественной и положительной величиной, а это возможно при выполнении равенства

Отсюда определяется частота генерируемых колебаний. Если R₁ = R₂ =R, C₁ = C₂ = C, то

Амплитудное условие самовозбуждения на частоте w₀ требует выполнения неравенства

При равенстве R₁ = R₂ = Rи C₁ = C₂ = Cкоэффициент усиления К > 3.

Частоту колебаний можно изменять путем изменения сопротивлений R или емкостей конденсаторов С, входящих в состав моста Вина, а амплитуда колебаний регулируется сопротивлением R.

Основное преимущество RC-генераторов перед LC-генераторами заключается в том, что первые легче реализовать для низких частот. Например, если в схеме генератора с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи (рис. 8) R₁ = R₂ = 1 МОм, C₁ = C₂ = 1 мкФ, то генерируемая частота

.

Чтобы получить такую же частоту в LC-генераторе, потребовалась бы индуктивность L = 10¹⁶ Гн при С = 1 мкФ, что трудно осуществить.

В RC-генераторах можно, изменяя одновременно величины емкостей С₁ и С₂, получить более широкий диапазон перестройки частоты, чем это имеет место в LC-генераторах. Для LC-генераторов

в то время как для RC-генераторов, при С₁ = С₂

К недостаткам RC-генераторов следует отнести тот факт, что на относительно высоких частотах они труднее реализуются, чем LC-генераторы. Действительно, величину емкости нельзя снизить меньше емкости монтажа, а уменьшение сопротивлений резисторов приводит к падению коэффициента усиления, что затрудняет выполнение амплитудного условия самовозбуждения.

Перечисленные достоинства и недостатки RC-генераторов обусловили их применение в низкочастотном диапазоне с большим коэффициентом перекрытия по частоте.

2. Задача стабилизации частоты автогенераторов

Стабильность частоты автогенератора является одной из важнейших его характеристик, которая в значительной степени определяет надежность работы системы связи. В частности, высокая степень постоянства частоты обеспечивает возможность вхождения в связь без предварительного поиска корреспондента и ведение связи без подстройки.

Изменение частоты под воздействием различных дестабилизирующих факторов называется нестабильностью частоты.

Различают абсолютную нестабильность частоты, равную абсолютному значению отклонения частоты от её номинального значения

и относительную нестабильность, выражаемую отношением

,

где f – текущее (реальное) значение частоты;

f_НОМ – номинальное ( заданное) значение частоты.

Современная техника стабилизации частоты дает возможность достаточно просто обеспечить относительную нестабильность до 10^-4–10^-5. Широко распространены автогенераторы, имеющие Df / f_НОМ = 10^-7–10^-8, а предельные возможности в настоящее время достигают 10^-16.

Вычислим Dw₀/w₀, имея в виду, что w₀ = 1/

задается параметрами избирательной системы автогенератора (колебательным контуром). Полный дифференциал от w₀ как функции двух переменных (С и L) равен

Заменяя дифференциалы приращениями, получим окончательно:

Знак "минус" в формуле означает, что увеличение (положительное приращение) индуктивности или емкости вызывает уменьшение частоты w₀.

Для обеспечения требуемой стабильности частоты необходимо применять комплекс специальных мер, направленных на ослабление влияния дестабилизирующих факторов на частоту колебаний автогенераторов:

- параметрическая стабилизация – выбор схемы автогенератора и расчет элементов, позволяющих стабилизировать режимы работы транзистора (лампы);