Генераторы колебаний

Генераторы служат для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию незатухающих колебаний. Генераторы включают в свой состав активный элемент и частотно-избирательный четырехполюсник. В качестве активных элементов могут использоваться диоды, имеющий участок отрицательного сопротивления на вольт-амперной характеристике, транзисторы или операционные усилители. В качестве частотно-избирательных четырехполюсников применяются резонансные LC-контуры, кварцевые резонаторы, RC-, RL- и RLM-цепи. По типу частотно-избирательного четырехполюсника генераторы делятся на LC-, RC-, RL-, RLM – генераторы.

По принципу возникновения колебаний различают генераторы с внешним (независимым) возбуждением (рис. 1а) и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы, рис. 1б).

Рис.1. Структурные схемы генераторов (УС-усилитель, ИЧ - частотно-избирательный четырехполюсник)

В данном пособии будут рассматриваться автогенераторы. Кольцевая схема автогенератора выполняется таким образом, чтобы возникла положительная обратная связь. По критерию Найквиста, колебания в замкнутой системе возникают и существуют, если амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы охватывает на комплексной плоскости критическую точку [1,0] (рис.2).

Рис.2. Амплитудно-фазовая характеристика автогенератора

Амплитудно-фазовая характеристика автогенератора

Для выполнения условия возникновения колебаний необходимо выполнение условия:

Это выражение, представляющее собой условие самовозбуждения генератора, распадается на два условия:

где n = 0, 1, 2….

Эти условия означают, что для существования автоколебаний необходимо, чтобы потери, вносимые частотно-избирательным четырехполюсником, компенсировались усилителем (баланс амплитуд), а создаваемый ими суммарный сдвиг фаз должен быть равен 0 или кратен 2p (баланс фаз). Последнее условие означает, что в кольцевой схеме реализована положительная обратная связь. Для генераторов гармонических колебаний условия баланса амплитуд и фаз должны выполняться только на одной частоте w₀.

Для построения автогенераторов можно использовать как инвертирующие усилители (j_У = p и j_ИЧ = p ), так и неинвертирующие усилители (j_У = 0, j_ИЧ = 2p n, где n =0,1,2… ).

Различают «мягкий» и «жесткий» режимы возбуждения генераторов. При «мягком» режиме петлевое усиление больше единицы (К_У(w)К_ИЧ(w)>1) в момент включения напряжения питания. Любые шумы или возмущения в системе, вызванные случайными факторами, усиливаются и через цепь обратной связи подаются на вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала, причем величина этого дополнительного сигнала больше того возмущения, которое вызвало его появление. Соответственно увеличивается выходное напряжение, что приводит к увеличению входного сигнала и т.д. В итоге случайно возникшее возмущение приведет к непрерывному возрастанию выходного сигнала. Коэффициент усиления начинает уменьшаться с увеличением амплитуды колебаний. При выполнении условия К_У (w) К_ИЧ(w)= 1 амплитуда автоколебаний стабилизируется.

При «жестком» режиме возбуждения для возникновения автоколебаний необходимо подать на генератор внешний сигнал, не меньше определенного значения (это относится к генератором, коэффициент усиления усилительного каскада которых зависит от амплитуды входного сигнала).