2.2 Режимы самовозбуждения автогенератора

В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительного элемента, и от коэффициента К ос возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.

1.Режим мягкого самовозбуждения.

В данном режиме рабочую точку А выбирают на линейном участке вольт-амперной характеристики усилительного элемента, что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока i вых (рис. №2).

Рис. № 2. Диаграмма, мягкого режима самовозбуждения.

В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения U вх, всегда имеющихся в реальных условиях из-за флуктуаций носителей заряда.

Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки вольт-амперной характеристики со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S ср и коэффициента передачи К ос цепи обратной связи.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи К уменьшится до единице. В результате в автогенераторе установиться стационарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных колебаний, причем угол отсечки выходного тока 0>90 0 . Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы.

Если бы усилительный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.

Из-за нелинейности воль-амперной характеристики форма выходного тока i вых усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при достаточно большой добротности (50…200) колебательной системы первая гармоника этого тока и, следовательно, напряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармонические колебания.

2. Режим жесткого самовозбуждения.

При этом режиме напряжение смещения U 0 задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначительный колебания, возникшие в контуре, не могут вызвать ток выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возникают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникновения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрирует с помощью рис.№3.

Рис.№ 3. Диаграмма жесткого самовозбуждения

Из рассмотрения этого рисунка видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая1) ток i вых =0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напряжения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В стационарном режиме усилительный элемент работает у углами отсечки выходного тока 0<90 0 .

Для удобства эксплуатации автогенератора целесообразнее применить мягкий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника питания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки 0<90 0 обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного тока усилительного элемента.

Автоматическое смещение. Его применение обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующими автоматическим переходом в режим жесткого самовозбуждения. Этого достигают применением в автогенераторе специальной цепи автоматического смещения.

На рис.№ 4а изображена упрощенная принципиальная схема автогенератора на биполярном транзисторе VT, нагрузкой которого служит колебательный контур L2C2. Напряжение положительной обратной связи создается на катушке L1 и подводится между базой и эмиттером транзистора. Начальное напряжение6 смещения на базе транзистора создается источником включена цепь авто-смещения R1C1.

Процесс возникновения и нарастания колебаний иллюстрируется с помощью рис.№ 4б. В первый момент после включения генератора, т.е. в момент появления колебаний, рабочая точка А находится на участке максимальной крутизны вольт-амперной характеристики транзистора. Благодаря этому колебания возникают легко в условиях мягкого режима самовозбуждения. По мере возрастания амплитуды увеличивается ток базы, постоянная составляющая которого создает падение напряжения U см на резисторе R1 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор C1). Так как напряжение U см приложено между базой и эмиттером в отрицательной полярности, результирующее постоянное напряжение на базе U 0 - U см уменьшается, что вызывает смещение рабочей точки вниз по характеристике транзистора и переводит автогенератор в режим работы с малыми углами отсечки коллекторного тока при этом токи коллектора i к и базы i б имеют видпоследовательности импульсов, а напряжение на выходе U вых, создаваемое первой гармоникой коллекторного тока, представляет собой синусоидальное колебание с неизменной амплитудой.

Таким образом, цепь автоматического смещения R1C1в автогенераторе выполняет роль регулятора процесса самовозбуждения и обеспечивает в первоначальный момент условия мягкого самовозбуждения с последующим переходом в более выгодный режим с малыми углами отсечки.

3. Основные схемы LC- автогенераторов

3.1 Одноконтурные схемы автогенераторов на транзисторах

Маломощные автогенераторы, используемые в современной аппаратуре передачи сигналов электросвязи, выполняют обычно на транзисторах, имеющих по сравнению с электронными лампами большую экономичность, долговечность, надежность и компактность.

Компенсироваться усилителем. Для возбуждения гармонических колебаний, необходимо, чтобы условие баланса фаз и условие баланса амплитуд выполнялись только на одной (заданной) частоте. Поэтому в генераторе синусоидальных колебаний необходимо обеспечить частотно-избирательный характер или коэффициента усиления усилителя, или коэффициента передачи цепи обратной связи. Процесс развития и установления...

К50-35 должен быть рассчитан на напряжение не менее 16 В. Также будут применены конденсаторы К10-17. Погрешность их должна быть не больше ±20%. В физиотерапевтическом устройстве на основе применения упругих волн применен повышающий трансформатор. Работает он на частотах до 66000 Гц. В связи с этим в трансформаторе необходимо использовать торроидальный сердечник. Это уменьшит габариты изделия. Для...

Связи, действие которой должно обеспечить подачу на вход усилителя сигнала с амплитудой не ниже амплитуды первоначального сигнала и со сдвигом фаз, равным нулю. Рис. 1. Принцип построения генератора на основе усилителя положительной обратной связью Необходимым и достаточным условием самовозбуждения замкнутой схемы автогенератора является равенство выходного напряжения цепи обратной связи...

Реферат: Базовые схемы режимов самовозбуждения

АНАЛИЗ РЕЖИМОВ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ. БАЗОВЫЕ СХЕМЫ

Введение

Сравнительный анализ режимов самовозбуждения генератора

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Автогенератор на туннельном диоде

Обобщенная схема трехточечного генератора

Заключение

Литература

Введение

Проведя сравнительный анализ режимов самовозбуждения автогенератора, отметив достоинства и недостатки этих режимов, необходимо акцентировать внимание на совмещении их достоинств в автоматическом смещении путем анализа конкретных схем его обеспечения.

Рассматривая базовые схемы автогенераторов с применением трансформаторов и туннельных диодов, особое внимание следует уделить на понимание курсантами физических процессов, происходящих при самовозбуждении и работе генераторов, а также сделать опору на изученные теоретические основы автоколебаний.

Первый патент на трехточечную схему выдан инженеру американской фирмы "Вестерн электрик" Р. Хартлею (1975 г.), имя которого она носит в радиотехнической литературе. Это индуктивная трехточка. В схеме Хартлея обратная связь изменяется путем перемещения точки присоединения катода по виткам катушки индуктивности контура. В 1918 году инженер той же фирмы Э. Колпитц запатентовал схему лампового генератора с емкостной обратной связью. Схемы Хартлея и Колпитца являются основными схемами автогенераторов и прототипами всех исторически более поздних автогенераторов.

В конце первой мировой войны в ламповой технике генерирования незатухающих колебаний были сделаны попытки использовать внутриламповые емкости. Положительная обратная связь через емкость сетка-анод триода, с которой боролись в радиоприемниках, здесь оказалась полезной. Одна из ранних схем такого типа имела два контура – один в анодной цепи, другой – в сеточной цепи и была эквивалентна индуктивной трехточке. Колебания возникали, когда контуры были несколько расстроены относительно частоты генерации и имели индуктивное сопротивление. Эта схема нашла применение на коротких волнах в радиолюбительской практике 20-х годов. Позднее появились другие варианты двухконтурных генераторов. Важно подчеркнуть, что все они сводились либо к индуктивной, либо к емкостной трехточкам. Принципы построения ламповых генераторов сохранились до наших дней, несмотря на то, что элементная база шагнула далеко вперед (от лампового триода до интегральных микросхем).

Сравнительный анализ режимов самовозбуждения генератора

Проведем сравнительный анализ режимов самовозбуждения, используя при этом различные характеристики автогенератора.

Мягкий режим.

i K (u БЭ) с наибольшей крутизной, то режим самовозбуждения называется мягким.

Проследим за изменениями амплитуды тока первой гармоники в зависимости от величины коэффициента обратной связи К ОС. Изменение К ОС приводит к изменению угла наклона a прямой обратной связи (рис.1)

Рис. 1 Мягкий режим самовозбуждения

При К ОС = К ОС1 состояние покоя устойчиво и генератор не возбуждается, амплитуда колебаний равна нулю (рис. 1 б). Величина К ОС = К ОС2 = К КР является граничной (критической) между устойчивостью и неустойчивостью состояния покоя. При К ОС = К ОС3 > К КР состояние покоя неустойчиво, генератор возбудится, и величина I m 1 установится соответствующей точке А. При увеличении К ОС величина первой гармоники выходного тока будет плавно расти и при К ОС = К ОС4 установится в точке Б. При уменьшении К ОС амплитуда колебаний будет уменьшаться по той же кривой и колебания сорвутся при коэффициенте обратной связи К ОС = К ОС2 < К КР.

В качестве выводов можно отметить следующие особенности мягкого режима самовозбуждения:

Для возбуждения не требуется большой величины коэффициента обратной связи К ОС;

Возбуждение и срыв колебаний происходят при одном и том же значении коэффициента обратной связи К КР;

Возможна плавная регулировка амплитуды стационарных колебаний путем изменения величины коэффициента обратной связи К ОС;

Как недостаток следует отметить большое значение постоянной составляющей коллекторного тока, что приводит к малому значению КПД.

Жесткий режим.

Если рабочая точка находится на участке характеристики i K = f (u БЭ) с малой крутизной S < S MAX , то режим самовозбуждения называется жестким.

Проведем анализ режима (аналогично мягкому режиму самовозбуждения) по колебательной характеристике автогенератора I m 1 = f (U m БЭ) и характеристике I m 1 = f (К ОС), представленных на рисунках 2 а) и б) соответственно.

Рис. 2 Жесткий режим самовозбуждения

Анализируя точки пересечения прямых обратной связи с колебательной характеристикой, приходим к выводу, что возбуждение автогенератора произойдет, когда коэффициент обратной связи превысит величину К ОС3 = К ОСКР. Дальнейшее увеличение К ОС приводит к небольшому увеличению амплитуды первой гармоники выходного (коллекторного) тока I m 1 по пути В-Г-Д. Уменьшение К ОС до К ОС1 не приводит к срыву колебаний, так как точки В и Б устойчивы, а точка А устойчива справа. Колебания срываются в точке А, т. е. при К ОС < К ОС1 , так как точка А неустойчива слева.

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:

Для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи К ОС;

Возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи К ОС;

Амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;

Постоянная составляющая коллекторного тока меньше, чем в мягком режиме, следовательно, значительно выше КПД.

Сравнивая положительные и отрицательные стороны рассмотренных режимов самовозбуждения, приходим к общему выводу: надежное самовозбуждение генератора обеспечивает мягкий режим, а экономичную работу, высокий КПД и более стабильную амплитуду колебаний – жесткий режим.

Стремление объединить эти преимущества привело к идее использования автоматического смещения, когда генератор возбуждается при мягком режиме самовозбуждения, а его работа происходит в жестком режиме. Сущность автоматического смещения рассмотрена ниже.

Автоматическое смещение.

Сущность режима заключается в том, что для обеспечения возбуждения автогенератора в мягком режиме исходное положение рабочей точки выбирается на линейном участке проходной характеристики с максимальной крутизной. Эквивалентное сопротивление контура выбирается таким, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. В процессе нарастания амплитуды колебаний режим по постоянному току автоматически изменяется и в стационарном состоянии устанавливается режим работы с отсечкой выходного тока (тока коллектора), т. е. автогенератор работает в жестком режиме самовозбуждения на участке проходной характеристики с малой крутизной (рис. 3).

Рис. 3 Принцип автоматического смещения автогенератора

Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы путем включения в цепь базы цепочки R Б C Б (рис. 4).

Рис. 4. Схема автоматического смещения за счет тока базы

Начальное напряжение смещения обеспечивается источником напряжения Е Б. При возрастании амплитуды колебаний увеличивается напряжение на резисторе R Б, создаваемое постоянной составляющей базового тока I Б0 . Результирующее напряжение смещения (Е Б - I Б0 R Б) при этом уменьшается, стремясь к Е БСТ.

В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя R Б1 , R Б2 (рис. 5).

Рис. 5. Автоматическое смещение с помощью базового делителя

В этой схеме начальное напряжение смещения

где – ток делителя.

При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы I Б 0 увеличивается и смещение Е Б уменьшается по величине, достигая значения Е БСТ в установившемся режиме. Конденсатор С Б предотвращает короткое замыкание резистора R Б1 по постоянному току.

Следует отметить, что введение в схему генератора цепи автоматического смещения может привести к явлению прерывистой генерации. Причиной ее возникновения является запаздывание напряжения автоматического смещения относительно нарастания амплитуды колебаний. При большой постоянной времени t = R Б С Б (рис. 8.41) колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным – Е Б.НАЧ. Далее смещение начинает изменяться и может оказаться меньше той критической величины, при которой еще выполняются условия стационарности, и колебания сорвутся. После срыва колебаний емкость С Б будет медленно разряжаться через R Б и смещение вновь будет стремиться к Е Б.НАЧ. Как только крутизна станет достаточно большой, генератор снова возбудится. Далее процессы будут повторяться. Таким образом, колебания периодически будут возникать и снова срываться.

Прерывистые колебания, как правило, относятся к нежелательным явлениям. Поэтому очень важно расчет элементов цепи автоматического смещения проводить так, чтобы исключить возможность возникновения прерывистой генерации.

Для исключения прерывистой генерации в схеме (рис. 3) величину C Б выбирают из равенства

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 6).

Рис. 6. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Назначение элементов схемы:

1) транзистор VT p - n - p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;

2) колебательный контур L K C K G Э задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость G Э характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;

3) катушка L Б обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура L К (коэффициент взаимоиндукции М);

4) источники питания Е Б и Е К обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

5) конденсатор С Р разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;

6) блокировочные конденсаторы С Б1 и С Б2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

Физические процессы в генераторе.

При подключении источников питания Е Б и Е К эмиттерный переход смещается в прямом направлении и возникает коллекторный ток i К (t), который в начале замыкается от + Е К через эмиттер – базу – коллектор транзистора и емкость С К на - Е К, поскольку емкость для перепада тока представляет собой короткое замыкание. Конденсатор С К заряжается, а затем начинает разряжаться через элементы контура L K G Э и в контуре возникают свободные колебания. Колебательный ток, проходя через L К, создает ЭДС взаимоиндукции в катушке L Б. Эта ЭДС прикладывается к эмиттерному переходу транзистора через емкость С Б1 и управляет токами базы и коллектора. Переменная составляющая коллекторного тока, протекающая по цепи: коллектор, контур L K C K G Э, эмиттер, база, коллектор, восполняет потери энергии в контуре и, если выполнены условия самовозбуждения, то колебания в нем будут нарастать по амплитуде. Первое условие самовозбуждения называется фазовым и оно достигается тем, что катушка L Б включается встречно катушке L К. В этом случае напряжение на базе U БЭ будет изменяться в противофазе с напряжением на коллекторе (соответственно, и с напряжением на контуре U К) и выходная проводимость транзистора окажется отрицательной. Это означает, что транзистор является источником энергии по переменному току. Но одного фазового условия недостаточно, необходимо еще выполнение амплитудного условия самовозбуждения, т. е. чтобы энергия W (+), поступающая в контур от транзистора, превышала потери энергии W (-) на проводимости G Э. Практически это достигается выбором М > М КР, где М КР – величина М, при которой выполняется равенство W (+) = W (-). Частота генерируемых колебаний примерно равна резонансной частоте контура

поскольку при Q >> 1, величина коэффициента затухания d

Достоинства схемы : возможность плавной, независимой регулировки частоты (путем изменения С К) и амплитуды (путем изменения М) колебаний.

При расчете параметров генератора необходимо определить частоту генерируемых колебаний, резонансную частоту контура, добротность контура, а также выполнение амплитудного и фазового условия самовозбуждения.

Пример

Автогенератор с трансформаторной обратной связью (рис. 6) имеет параметры контура L K = 3 мкГн, С К = 90 пФ, G Э = 25 Ом.

Определить частоту собственных затухающих колебаний колебательного контура w 1 , резонансную частоту w 0 и добротность Q колебательного контура.

Решение задачи.

Поскольку включение катушек L Б и L K произведено встречно, что обеспечивает противофазное изменение напряжений на базе и коллекторе транзистора, то фазовое условие самовозбуждения выполнено. Амплитудное условие самовозбуждения будет достигнуто выбором М > М КР.

Для определения режима свободных колебаний в контуре рассчитаем его параметры.

Частота собственных колебаний контура определяется выражением

Для ее определения вычислим резонансную частоту контура и коэффициент затухания контура:

Добротность контура вычислим по формуле

Как видно из приведенных расчетов, частота собственных колебаний и резонансная частота контура, при добротности Q >> 1, практически совпадает (квазиколебательный режим), что подтверждает теоретические положения.

Автогенератор на туннельном диоде

Исторически туннельные диоды появились значительно позже, чем транзисторы и лампы. Малые габариты и вес, высокая надежность и экономичность обусловили быстрое расширение области их применения. Вольт-амперная характеристика у туннельного диода – типа N (рис. 7). Поэтому схема автогенератора получается просто: к диоду подключают параллельный контур по переменному току (рис. 8.44 б), а режим по постоянному току выбирают так, чтобы рабочая точка О оказалась на падающем участке характеристики (рис. 7).

Рис.7. Вольт-амперная характеристика и схема генератора на туннельном диоде

Режим по постоянному току должен обеспечиваться с учетом внутреннего сопротивления источника R i . Для этого необходимо решить систему двух уравнений:

Графическое решение системы показано на рисунке 8.44 а.

Рассмотрим два случая.

В первом случае, при крутизне наклона характеристики |S (U 0)| > 1/R i , существует три возможных состояния, удовлетворяющих уравнениям системы – точки А, О, Б. Анализ, с учетом емкости самого диода, показывает, что только точки А и Б, расположенные на нарастающих участках характеристики, являются устойчивыми. Если точка покоя (точка О) находится на участке характеристики с отрицательным наклоном, то состояние схемы будет неустойчивым и рабочая точка самопроизвольно смещается в одно из крайних положений (в точку А или точку Б).

Во втором случае, при крутизне наклона характеристики |S (U 0)| < 1/R i , существует лишь одно состояние, удовлетворяющее уравнениям – точка О. Оно оказывается устойчивым и поэтому рабочая точка может быть установлена на любом участке вольт-амперной характеристики с отрицательной крутизной, следовательно, фазовое условие самовозбуждения выполняется. Амплитудное условие самовозбуждения будет выполнено, если |S (U 0)| > G Э, где G Э – проводимость контура в точках подключения диода.

Частота колебаний равна

и может изменяться с помощью С К. Амплитуда колебаний изменяется путем изменения точки подключения диода к колебательному контуру. Если катушки L 1 и L 2 не связаны единым магнитным полем, то коэффициент включения контура равен

Если же катушки L 1 и L 2 образуют единую катушку с общим магнитным полем, то диод подключается к индуктивной ветви с коэффициентом включения, равным

где n 1 и n 2 – число витков в частях катушки, обозначенных на схеме L 1 и L 2 .

Блокировочная емкость С Б выбирается из условия

Достоинства схемы:

1) способность работать в очень широком диапазоне частот (от единиц килогерц до десятков гигагерц);

2) высокая стабильность параметров при изменении температуры в широких пределах;

3) низкий уровень собственных шумов;

4) малое потребление энергии от источников питания;

5) длительный срок службы;

6) малая чувствительность к воздействию радиации.

Недостаток схемы – малая выходная мощность, что обусловлено малыми интервалами токов и напряжений в пределах падающего участка характеристики (с отрицательной крутизной). Например, генератор на одном туннельном диоде с пиковым током до 10 мА обеспечивает мощность, не превышающую единиц милливатт. Для получения большей мощности необходимо применять диоды с большими пиковыми токами.

Обобщенная схема трехточечного автогенератора

Кроме схемы автогенератора с трансформаторной обратной связью существуют так называемые трехточечные схемы автогенераторов синусоидальных колебаний. В них нет катушек связи и положительная обратная связь достигается автотрансформаторным (потенциометрическим) подключением цепи обратной связи к контуру, т. е. обратная связь реализована с помощью реактивных делителей напряжения емкостного или индуктивного типа.

В трехточечном автогенераторе активный прибор (лампа или транзистор) подключается к колебательному контуру в трех точках. Изобразим обобщенную схему замещения трехточечного генератора по переменному току, которая будет справедлива для любого генератора такого типа (рис. 8).

Рис. 8. Обобщенная схема замещения трехточечного автогенератора

Контур состоит из двухполюсников , , , которые обычно имеют столь малые потери, что можно считать их чисто реактивными:

Обобщенная схема содержит усилитель с коэффициентом усиления

и нагрузкой в виде контура Х 1 Х 2 Х 3 , а также цепь обратной связи, передающую часть выходного напряжения усилителя обратно на его вход с коэффициентом передачи

Поскольку

Фаза коэффициента усиления j К в схеме с общим эмиттером (катодом) на резонансной частоте контура равна 180°, так как сопротивление контура на этой частоте чисто активно, а усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал. Следовательно, для выполнения фазового условия самовозбуждения генератора j К + j b = 360° необходимо, чтобы j b = 180°. Это будет выполняться, если b будет действительной и отрицательной величиной. В соответствии с (8.40) можно утверждать, что это будет выполняться при двух условиях:

1) Х 1 и Х 3 должны быть разного знака (разного характера реактивности);

2) |Х 3 | > |X 1 |.Частота генерируемых колебаний равна резонансной частоте контура, так как фазовое условие будет выполняться только на этой частоте. Из условия резонанса в контуре Х 1 + Х 2 + Х 3 = 0 следует, что Х 2 должен иметь знак, одинаковый с Х 1 и тогда

Таким образом, можно сформулировать правило построения трехточечного генератора: между общим и управляющим, общим и выходным электродами усилительного элемента должны быть включены реактивные элементы одинакового характера реактивности, а между управляющим и выходным электродами – элемент противоположного характера реактивности.

Соблюдение данного правила гарантирует выполнение фазового условия самовозбуждения генератора.

Если реактивные двухполюсники являются одноэлементными, то возможны всего два варианта трехточечных генераторов (рис. 9).

Рис. 9. Схемы трехточечных генераторов

Схему, представленную на рисунке 9, а называют индуктивной трехточкой, а на рисунке 8.46, б – емкостной трехточкой.

Все вышеприведенные рассуждения и выводы справедливы и для трехточечных автогенераторов, собранных на лампе. Нетрудно изобразить и аналогичные схемы индуктивной и емкостной трехточки.

Следует подчеркнуть, что двухполюсники , , , входящие в контур, могут быть получены как полные сопротивления сколь угодно сложных схем (например, колебательных контуров), важно лишь, чтобы на частоте генерируемых колебаний они создавали нужную реактивность. В схемах автогенераторов могут отсутствовать конденсаторы колебательных контуров, так как вместо них используются междуэлектродные емкости.

Заключение

Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Появление новых схем обусловлено желанием улучшить те или иные свойства имеющихся схем. Например, желание получить возможность независимой регулировки частоты и амплитуды колебаний на всех более высоких частотах вместе с определенными конструктивными удобствами, получить более высокую стабильность частоты и т. д. Однако одновременного улучшения всех свойств, как правило, достичь не удается в силу их противоречивости, поэтому приходится отдавать предпочтение той или иной схеме в зависимости от условий применения.

Литература:

1. Богданов Н. Г., Лисичкин В. Г. Основы радиотехники и электроники. Часть 8, 2000г..

2. Никольский И. Н., Хопов В. Б., Варокосин Н. П., Григорьев В. А., Колесников А. А. Нелинейные радиотехнические устройства связи. 1972.

В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительно­го элемента, и от коэффициента К 0 . с возможны два режима самовозбужде­ния: мягкий и жесткий.

В режиме мягкого самовозбуждения рабо­чую точку А выбирают на линейном участке ВАХ усилительного элемента (рисунок 9.1,а), что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока. В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения, всегда имею­щихся в реальных условиях из-за флук­туации носителей заряда.

Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности ВАХ усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки ВАХ со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S ср и коэффициента передачи К 0с цепи обрат ной связи.

Рисунок 9.1 – Диаграммы, поясняющие режимы самовозбуждения.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи уменьшится до единицы. В результате в автогенераторе установится стацио­нарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных ко­лебаний, причем угол отсечки выходно­го тока 0> 90°. Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы. Обратим внимание: если бы усили­тельный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.

Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики форма выходного тока усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при доста­точно большой добротности (Q=50…200) колебательной системы первая гармо­ника этого тока и, следовательно, на­пряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармоничес­кие колебания.

9.5 Режим жесткого самовоз­буждения

При этом режиме напря­жение смещения задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначи­тельные колебания, возникшие в конту­ре, не могут вызвать ток в выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возни­кают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникно­вения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрируется на рисунке 9.1, б. Видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая 1) ток i вых = 0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напря­жения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В ста­ционарном режиме усилительный эле­мент работает с углами отсечки выход­ного тока <90°.

Для удобства эксплуатации автогене­ратора целесообразнее применять мяг­кий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника пи­тания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки <90° обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режи­ме автогенератора более выгоден имен­но режим с малыми углами отсеч­ки выходного тока усилительного эле­мента.

УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ АГ

Процесс возник­новения и установления колебаний в автогенераторе удобно исследовать с помощью колебательных характери­стик и линий обратной связи.

10.1 Колебательные характе­ристики

Они представляют со­бой зависимости амплитуды первой гармоники выходного тока усилитель­ного элемента I m 1 от амплитуды входно­го напряжения U m вх при неизменном на­пряжении смещения U 0 и разомкнутой цепи обратной связи: . Эти зависимости имеют нелинейный характер и могут быть получены экспе­риментально путем перевода генератора в режим с внешним возбуждением.

Рисунок 10.1 – Колебательные характеристики АГ.

На рисунке 10.1 показаны три колеба­тельные характеристики, соответствую­щие разным напряжениям смещения. Характеристика 1 соответствует смеще­нию, при котором крутизна вольт-ам­перной характеристики имеет наиболь­шее значение. По мере увеличения на­пряжения U m вх средняя крутизна па­дает, и наклон характеристики умень­шается.

Характеристика 2 соответствует мень­шему напряжению смещения, при кото­ром статическая крутизна ВАХ усилительного эле­мента в рабочей точке меньше макси­мальной крутизны. Вследствие этого с увеличением напряжения средняя крутизна S ср растет и лишь при очень больших значениях U m вх начинает уменьшаться.

Третья характеристика соответствует случаю, когда при отсутствии входного сигнала ток через усилительный эле­мент не проходит. Этот ток, а следова­тельно, ток в колебательном контуре, появляется лишь при некоторой ампли­туде напряжения U m вх , достаточной для отпирания лампы или транзистора в течение части периода высокочастот­ного колебания.

Линии обратной связи

Эти линии определяют зависимость амплитуды U m вх , т. е. выходного на­пряжения цепи обратной связи, от ам­плитуды тока I m 1 , являющегося вход­ным током этой цепи: .

Поскольку и получаем

.

Отсюда следует, что линии обратной связи графически изображаются в виде прямых, выходящих из начала коорди­нат (рисунок 10.2). Наклон этих прямых различен и зависит от значения коэф­фициента К ос . Чем сильнее обратная связь в автогенераторе, тем меньший угол наклона имеет линия обратной свя­зи относительно оси U m вх (на рисунке 10.2 ).

Рисунок 10.2 – Линии обратной связи.

10.3 Определение стационар­ной амплитуды колебаний

В стационарном режиме АГ амплитуда входного напряже­ния U m вх и соответствующая данному режиму амплитуда первой гармоники выходного тока I m 1 усилительного эле­мента должны одновременно удовлетво­рять обоим указанным зависимостям. Это возможно только в точках пересече­ния колебательной характеристики и линии обратной связи. На рис. 10.3 ось абсцисс колебательной характе­ристики U m вх служит одновременно осью ординат линий обратной связи 2-5, причем масштаб на них одинаковый. По общей оси ординат характеристики 1 и линий 2-5 откладывается ток I m 1 .

Линия обратной связи 2, соответст­вующая коэффициенту передачи цепи обратной связи , имеет с ко­лебательной характеристикой 1 общую точку только в начале координат. В этом случае самовозбуждения автоге­нератора не происходит из-за малого коэффициента К ос или малого значения резонансного сопротивления контура R рез .

Рисунок 10.3 – Определение стационарного состояния АГ в режиме мягкого самовозбуждения.

При критическом коэффициенте прямая обратной связи 3 сливается с колебательной характери­стикой в области ОА, в которой она линейна, но не пересекает эту характе­ристику.В данном случае самовозбуждение также отсутствует, что подтверждает вывод: в автогенераторе, работающем в линейном режиме и имеющем , получить автоколебания не­возможно.

Колебания в АГ возникают лишь при коэффициенте , которо­му соответствует линия обратной связи 4. Эта линия в условиях мягкого режи­ма самовозбуждения имеет с колеба­тельной характеристикой две общие точки, 0 и В. Точка В соответст­вует стационарному состоянию автогенератора, характеризующемуся ампли­тудами тока I m 1 B и напряжения U m вхВ . В это состояние генератор приходит в процессе самовозбуждения, но может выйти из него под действием различных дестабилизирующих факторов.

Рас­смотрим процессы, которые будут при этом протекать.

Предположим, что напряжение на входе усилительного элемента умень­шилось до значения U m вхС . Это напря­жение вызовет в выходной цепи генера­тора ток I m 1 C (точка С на рисунке 10.3), который, благодаря обратной связи, увеличит напряжение на входе до U m вхА , что приведет, согласно харак­теристике 1, к увеличению тока до I m 1 A и т. д. В результате генератор вернется в состояние, определяемое точ­кой В пересечения характеристик 1 и 4. Аналогично можно показать, что если под действием каких-либо причин на­пряжение на входе усилительного элемента увеличится и станет больше, чем U m вхВ (точка D на рисунке 10.3), генера­тор вновь автоматически перейдет в состояние, определяемое точкой В. Приведенные рассуждения подтверж­дают, что точка В является точкой устойчивого равновесия и соответствует стационарному режиму работы автоге­нератора. Амплитуды напряжения и то­ка в стационарном режиме определяют­ся величиной обратной связи. При уве­личении обратной связи (рисунок 3, пря­мая 5) соответствующие стационарные амплитуды увеличиваются до значений U m вхЕ и I m 1 E .

Вторая общая точка колебательной характеристики 1 и линии обратной свя­зи 4 (рисунок 10.3, точка 0) является неустойчивой, так как в ней возникшие колебания вне зависимости от началь­ной амплитуды нарастают до колебаний со стационарными амплитудами, опре­деляемыми положением точки В.

Рисунок 10.4 – Определение стационарного состояния АГ в режиме жесткого самовозбуждения.

В условиях жесткого режима само­возбуждения (рисунок 10.4) колебательная характеристика 1 и линия обратной связи имеют три общих точки: О, А, В. Точка 0 характеризует устойчивое состояние покоя автогенератора, т. е. отсутствие самовозбуждения при малых начальных амплитудах колебаний. Ко­лебания возникают только когда первоначальная амплитуда входного напряжения становится больше U m вхА , определяемого точкой А на рис. 10.4, например, напряжение увеличилось до значения U m вхС . Вызванный этим напряжением ток I m 1 C увеличит c помощью обратной связи напряжение на входе генератора, что приведет к большему возрастанию тока и т. д.

(см. рисунок 10.4, линии со стрелками). В результате достигается устойчивый колебательный режим (точка В), характеризуемый амплитудами U m вхВ и I m 1 B .

Предположим теперь, что напряжение на входе генератора стало меньше, чем U m вхА и достигло значения U m вхВ , определяемого точкой D. Тогда ток уменьшится до I m 1 D , что вызовет дальнейшее уменьшение входного напряжения, как это показано линиями со стрелками на рис. 4. В результате колебания затухают. Следовательно, точка А пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи характеризует неустойчивое состояние режима автогенератора.

Режим самовозбуждения, при котором после включения источника питания колебания плавно нарастают, называется мягким самовозбуждением, если же для возбуждения колебаний требуется какое-либо дополнительное воздействие, то такой режим называется жестким.

Рис. 13.2. Изменение крутизны при мягком режиме самовозбуждения

Реализации мягкого режима самовозбуждения можно достичь путем соответствующего выбора напряжения смещения на участке вольтамперной характеристики транзистора с большой крутизной.

Этому режиму соответствует зависимость S=f(U mб) следующей формы, показанной на рис. 13.2.

На этом же рис. проведена прямая
. Для точки пересечения графиков выполняется уравнение баланса амплитуд и установившаяся амплитуда колебания равна
. При мягком режиме стационарный режим оказывается устойчивым, режим покоя – неустойчивым. Поэтому происходит самовозбуждение автогенератора.

Для жесткого режима характерным является то, что малые колебания на входе транзистора не могут вызвать самовозбуждения автогенератора; самовозбуждение возможно только при большой начальной амплитуде напряжения. Такой режим реализуется путем подачи на УЭ запирающего напряжения смещения, при котором малые амплитуды входного напряжения не могут вызвать тока в выходной цепи УЭ.

Для этого режима характерна следующая зависимость S=f(U mб), показанная на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Изменение крутизны при жестком режиме самовозбуждения

Режим, соответствующий амплитуде колебаний
, устойчив, а режим, соответствующий амплитуде
, неустойчив.

13.3. Эквивалентные трехточечные схемы автогенератора

Простейшими по конфигурации автогенераторами являются автогенераторы, работающие по трехточечной схеме. В таких автогенераторах транзистор тремя своими выводами присоединяют к трем точкам колебательного контура, состоящего из трех реактивных элементов.

Обобщенная трехточечная схема автогенератора изображена на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Обобщенная эквивалентная схема автогенератора

Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы:

В зависимости от того, какие реактивные элементы количественно преобладают в контуре, различают автогенераторы, построенные по схеме индуктивной (рис. 13.5) и емкостной (рис. 13.6) трехточки.

Индуктивная трехточка:

Рис. 13.5. Индуктивная трехточка

,
,
.

Емкостная трехточка:

Рис. 13.6. Емкостная трехточка

- частота генерируемых колебаний.

,
,
.

Коэффициент обратной связи через элементы трехточечной схемы:

.

Для индуктивной трехточки:
.

Для емкостной трехточки:
.

Схема Клаппа

В модифицированной схеме емкостной трехточки достигается более высокая стабильность частоты (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Схема Клаппа

Введение конденсатора С 3 уменьшает коэффициент включения транзистора в контур, снижая дестабилизирующее влияние его параметров на частоту автогенератора.

, где
.

Во всех схемах контур включен частично в коллекторную цепь транзистора.

Коэффициент включения контура в цепь коллектора:

Эквивалентное сопротивление цепи коллектора:
.

Автогенератор, в зависимости от условий, может работать в мягком или жестком режиме самовозбуждения. Для раскрытия особенностей этих режимов самовозбуждения удобно совместно рассматривать амплитудную характеристику усилителя с цепью ООС (собственно усилитель), которая всегда имеет нелинейность, и амплитудную характеристику петли положительной ОС, которая является линейной (цепь обратной связи является линейным четырехполюсником).

На рис. 3.2, а представлена типовая амплитудная характеристика нелинейного собственно усилителя.

При малых входных сигналах выходной сигнал изменяется пропорционально входному (усилитель имеет постоянный коэффициент усиления, равный тангенсу угла наклона АХ к оси абсцисс), при больших входных сигналах указанная пропорциональность нарушается (коэффициент усиления усилителя зависит от амплитуды входного сигнала). Линия обратной связи является прямой, проведенной под углом к оси абсцисс, так как между выходным напряжением и напряжением ОС наблюдается линейная зависимость .

В момент включения питания автогенератора на входе усилителя действует шум, имеющий широкий спектр частотных составляющих, в том числе составляющую , частота которой соответствует резонансной частоте избирательной системы. Следует отметить, что прочие спектральные составляющие шума будут подавлены в той или иной мере избирательной системой. На выходе усилителя после усиления в К раз появится выходной сигнал , который после ослабления цепью ПОС в раз поступает на вход усилителя в виде напряжения . Процесс будет протекать до тех пор, пока амплитуда выходного колебания не достигнет стационарного значения (будет выполнено условие баланса амплитуд).

Из рис. 3.2, а видно:

точка А является точкой устойчивого равновесия;

генерация возможна только при таких условиях, когда линия обратной связи пересекает амплитудную характеристику усилителя, что соответствует выполнению условия .

Рассмотренный выше режим самовозбуждения автогенератора называется мягким. Для его обеспечения необходимо, чтобы АХ усилителя выходила из нуля и имела бы в начале координат линейный участок с достаточным углом наклона к оси абсцисс.

Мягкий режим самовозбуждения генератора характеризуется следующими особенностями:

§ АХ усилителя и прямая обратной связи пересекаются только в одной точке, которая является точкой динамического равновесия;

§ колебания, если изменять коэффициент ПОС β , возникают (прекращаются) при одном и том же коэффициенте ПОС ;

§ при для возбуждения автогенератора не требуется внешних воздействий;

§ при мягком режиме самовозбуждения генератора существует возможность установки заданной амплитуды колебаний путем подбора коэффициента ПОС .

Вместе с тем следует отметить, что мягкий режим работы автогенератора экономически невыгоден, так как автогенератор работает в линейном режиме и его к.п.д. не превышает 50%.

Несмотря на указанный недостаток, мягкий режим самовозбуждения является основным режимом работы автогенераторов.

Процесс возбуждения колебаний происходит иначе, если усилитель имеет S – образную АХ (рис.3.2, б ). При установке коэффициента ПОС β < β 2 АХ усилителя и линия ПОС не имеет точек пересечения. Это значит, что коэффициент ПОС мал, и автогенератор не возбуждается.

При установке коэффициента ПОС β 1 < β < β 2 АХ усилителя и линия ПОС имеет две точки пересечения А и С . Это значит, что условие баланса амплитуд выполняется для двух значений амплитуды колебаний автогенератора.

Точка С характеризует неустойчивое состояние автогенератора. Пусть в некоторый момент времени амплитуда на выходе генератора соответствует точке С , при этом коэффициент усиления собственно усилителя равен К С. Допустим, что под действием внешнего фактора амплитуда колебаний уменьшилась. Это приведет к уменьшению сигнала на входе генератора, так как U ВХ = β·U ВЫХ, и вызовет дальнейшее уменьшение амплитуды выходных колебаний, поскольку коэффициент усиления усилителя К меньше, чем К С . Результатом внешнего воздействия в рассматриваемом случае будет срыв колебаний. Напротив, если под действием внешнего фактора амплитуда колебаний увеличится, то возрастет и сигнал на входе. Это вызовет дальнейшее увеличение амплитуды выходных колебаний, которое будет происходить до тех пор, пока система не перейдет в стационарное состояние.

Точка А характеризует устойчивое (стационарное) состояние автогенератора, при этом коэффициент усиления собственно усилителя равен К А . Допустим, что под действием внешнего фактора амплитуда колебаний, соответствующая точке А , уменьшилась. Это приведет к уменьшению сигнала на входе генератора, так как U ВХ = β U ВЫХ. Однако, поскольку коэффициент усиления усилителя К в рассматриваемом случае больше К А, входной сигнал получит большее усиление и амплитуда выходного сигнала возрастет и вновь будет соответствовать точке А .

Очевидно, что для запуска автогенератора амплитуда возбуждающего воздействия должна превысить значения амплитуды входного сигнала, соответствующей точке С . Рассмотренный режим возбуждения автогенератора называется жестким .

В случае, если установить коэффициент ПОС β = β 2 , то автогенератор работает также, как и в мягком режиме, при этом существует точка устойчивого равновесия.

Рассмотрим, как изменяется амплитуда колебаний, если изменяется коэффициент ПОС, а внешние воздействия отсутствуют.

В соответствии с рассмотренным выше, запуска генератора не произойдет, если β < β 2 (линия ПОС β проходит левее линии β 2). Запуска генератора не произойдет и в случае, если β 1 < β < β 2 (линия ПОС β проходит между линиями β 1 и β 2 ), так как внешний электрический толчек отсутствует. Генератор возбудится только в случае β = β 1 , при этом установится стационарная амплитуда колебаний. Если после запуска генератора дальше уменьшать коэффициент ПОС β в пределах β 1 < β < β 2 , то срыва колебаний не произойдет, будет лишь уменьшаться амплитуда колебаний. Срыв колебаний произойдет в случае, когда β = β 2 . Для возобновления колебаний необходимо снова установить коэффициент ПОС β = β 1 .

Таким образом, жесткий режим самовозбуждения генератора характеризуется следующими особенностями:

§ кривая коэффициента усиления усилителя имеет точку перегиба и пересекается с прямой ПОС в одной или двух точках;

§ существует два значения критического коэффициента ПОС (β 1 и β 2 ), соответствующие запуску и срыву колебаний автогенератора;

§ амплитуда колебаний даже для критической ПОС запуска β 1 не может быть близка к нулю;

§ существует возможность запуска генератора при β 1 < β < β 2 за счет начального внешнего толчка.

Жесткий режим автогенератора более экономичен (автогенератор имеет более высокий к.п.д.), чем мягкий режим, так как усилитель работает в нелинейном режиме. Вместе с тем, при жестком режиме невозможно получить колебания малой амплитуды, а запуск генератора имеет определенные сложности. Жесткий режим самовозбуждения автогенераторов применяется редко.