книги / Основы радиоэлектроники

*(С /2м)<р, т. е. АГ(1/2м)-р<1,

и оси< и уврм. Это значит, что

замкнутое кольцо генератора (см. рис. 6.3), возвратится на вход усилителя ослабленным (мос<ыупЛ, ПРИ каждом обходе кольца генератора сигнал всё более ослабляется. Он будет ослабляться до тех пор, пока Uyapм не станет равным (7СТм, что соответствует установившемуся режиму работы. Уменьшение относительно UCTM(см. рис. 6.5) приводит к тому, что становится UOCM> Uynpu, происходит нарастание колебаний и уменьшение коэффициента усиления до тех пор, пока соотношение ЛГ(С/ст м)' Р= 1 снова станет выполняться.

Если имеем характеристику К(1/упры), соответствующую жесткому режиму возбуждения генератора, то при коэффициенте обратной связи (3 (см. рис. 6.5.) процесс установления колебаний ничем не отличается от рассмотренного выше.

Если же коэффициент обратной связи равен р2 (см. рис. 6.6), то колебания не могут возникнуть самопроизвольно от флукту­ аций токов и напряжений, существующих в системе. В самом деле, если в результате флуктуаций возникает на выходе усили­ теля управляющее напряжение U t м то имеет место

рис. 6.6). Если обратная связь такова, что —> К для любых

Ро

значений К (см. рис. 6.5 и 6.6), то колебания не могут возникнуть ни при каких условиях, ибо АГР< 1 и любые колебания, возник­ нув, начнут затухать, как это было показано выше.

С ростом р амплитуда стационарных колебаний возрастает. На рис. 6.5. значению (Зь меньшему, чем р, соответствует выше расположенная прямая 1/рх и меньшее, чем Qv, значение

^упрм UHм.

Проведенный анализ показывает, что условие баланса ампли­ туд определяет амплитуду колебаний в автогенераторе.

Если выполняется условие баланса фаз (6.4), то это означает, что сигнал, прошедший усилитель, возвращается через цепь об­ ратной связи на вход усилителя в фазе с исходным сигналом, в итоге управляющее напряжение возрастает, ток через активный элемент возрастает, мощность сигнала на выходе также возрас­ тает, т. е. сигнал как бы сам себя «подталкивает». Обычно баланс фаз выполняется только на определенной частоте, которая и яв­ ляется частотой колебаний в автогенераторе. Поэтому условие баланса фаз позволяет найти эту частоту.

§ 6.3. Транзисторные автогенераторы гармонических колебаний

Рассмотрим две схемы транзисторных автогенераторов гар­ монических колебаний томсоновского типа— с резонансными контурами. Резонансная частота контура определяет частоту ко­ лебаний автогенератора.

На рис. 6.7 представлена схема автогенератора на биполяр­ ном транзисторе с индуктивной обратной связью.

Транзистор с контуром LC и сопротивлением нагрузки R Hв коллекторной цепи представляет собой резонансный усили­ тель напряжения. С помощью индуктивности Loc создается цепь обратной связи, необ­ ходимая для работы

автогенератора.

На рис. 6.7 делитель R {R 2 обеспечивает не- Ъых обходимыми напряже­ ниями участок базаэмиттер и участок базаколлектор, конденса­ тор С6л шунтирует на частоте генерации рези­ стор R 2, в итоге напря­ жение обратной связи

с катушки Loc полностью поступает на участок база-эмиттер. При работе автогенератора за счет детектирования колебаний на участке эмиттер-база из-за цепочки C6JIR 2 постоянное напряже­ ние может стать нулевым или даже отрицательным, но это приведет лишь к более экономичной работе автогенератора, так как уменьшается постоянный ток через транзистор, в начале же работы напряжение на участке база-эмиттер открывает транзис­ тор, что облегчает самовозбуждение автогенератора. Автогене­ ратор при включении работает в мягком режиме, а затем перехо­ дит в жесткий режим работы.

Необходимо помнить, что источник питания Еп для тока высокой частоты (тока на частоте генерации) представляет собой практически короткое замыкание из-за конденсатора на выходе источника питания Еп. В результате резисторы R t и R 2 оказываются зашунтированными накоротко на высоких часто­ тах, таким образом R t и R 2 никакого влияния на фазовые соотношения в автогенераторе не оказывают.

Амплитуда напряжения на коллекторе UKMравна амплитуде выходного напряжения {/вых м и амплитуде напряжения на катуш­ ке индуктивности Т о к через катушку индуктивности

1гм= т-^ отстает на л/2 от напряжения ULm. Как было показано

в § 5.4, напряжение на входе транзистора U ynpM находится в про­ тивофазе с напряжением на коллекторе U KM.

Чтобы найти напряжение обратной связи, вспомним, что по закону Фарадея э. д. с. индукции, наводимая со стороны катушки индуктивности L с током iL в катушке Loc вне контура при коэффициенте взаимной индукции М, равна:

Если ток iL изменяется по закону

ственно к базе).

Широкое распространение по­ лучила «трехточечная» схема. Рассмотрим схему индуктивной трехточки, приведенную на рис. 6.9.

От схемы рис. 6.7 она отличается реализацией цепи обратной связи. Сопротивление емкости С выбрано так, что оно превыша-

шСг,

частоте генерации. Поэтому ток в ветви CL2 определяется ем­ костным сопротивлением этой цепи и опережает по фазе на тс/2 напряжение на контуре й км= 0 ВЫХМ (рис. 6.10). Напряжение на индуктивности Ь2 опережает ток /с, протекающий через эту ин­ дуктивность на л/2 UL2u=j(&L2iCM и имеет ту фазу, которую должно иметь управляющее напряжение й упрм для выполнения условия баланса фаз: оно должно быть противофазно напряже­ нию на коллекторе UKMравному напряжению на выходе генера­ тора 0выхмЧастота колебаний такого генератора определяется

В схеме рис. 6.12 назначение R„, RT, R„, С3, Rj— то же, что и в резисторных

в схеме генератора выполняется, но только для одной частоты. На этой частоте и происходит генерация гармонических колеба­ ний. При R 1 = R2 = R3, CI = С2 = С3

(сопротивления делителя Л4, Rs и выходное сопротивление тран­ зистора выбираются так, чтобы они незначительно влияли на частоту генерации).

Широкое распространение получили RC— автогенераторы гармонических колебаний с мостом Вина. Схема такого автоге­ нератора, построенного на двух полевых транзисторах, представ­ лена на рис. 6.13. Сопротивления /?и1, /?и2 служат для создания необходимого автоматического смещения на участках затвор-

обратной связи автогенератора, напряжение обратной связи сни­ мается с участка C2R2 (между точками А В).

Очень просты по кон­ струкции ЛС-генераторы, конструируемые на осно­ ве операционных усилите­ лей.

/?С-генератор с мостом Вина на основе операцион­ ного усилителя К140УД IA изображен на рис. 6.14. На­ пряжение обратной связи с моста Вина подается на неинвертируюший вход

операционного усилителя, чтобы выполнялось условие баланса фаз; так как операционные усилители обладают большим коэф­ фициентом усиления, то для выполнения условия баланса ампли­ туд необходимо уменьшить К, для чего вводится отрицательная обратная связь; напряжение отрицательной обратной связи сни­ мается с /?4 и подается на инвертирующий вход операционного усилителя, величина напряжения отрицательной обратной связи определяется соотношением между /?3 и Л4; соотношение между R 5 и R6 в схеме рис. 6.14 влияет и на величину положительной обратной связи; используя (5.5), для схемы рис. 6.14 получим:

Частота генерации регулируется переменными резисторами Ri и /?2; синусоидальная форма колебаний на выходе достигается при достаточно большой отрицательной обратной связи, которая регулируется переменным резистором /?3; чтобы частота генера­ ции не сказывалась на нагрузке операционного усилителя (из-за изменения и R2), напряжение на мост Вина подается не со всей нагрузки (R 5-f Л6), а только с части ее (/?6).

Понятие о стабилизации частоты автогенераторов

Изменение частоты Асо колебаний автогенератора определяет его нестабильность частоты Дш/соген. Причинами изменений частоты могут быть внутренние шумы в автогенераторе, на­ пример, шумы транзисторов и резисторов в транзисторных автогенераторах. Шумы определяют кратковременную неста­ бильность частоты. Для уменьшения кратковременной неста­ бильности надо выбирать транзисторы с малым уровнем шумов. Другими причинами изменений частоты могут быть изменения питающих напряжений и температуры. Эти причины определяют

долговременную нестабильность частоты. Для уменьшения дол­ говременной нестабильности необходима стабилизация питаю­ щих напряжений и температуры, в частности использование термостатов — устройств, поддерживающих постоянную темпе­ ратуру. И кратковременная и долговременная нестабильности тем меньше, чем выше добротность колебательной системы генератора. В обычных контурах с сосредоточенными катушками индуктивности и койденсаторами удается получить добротность

внесколько сотен, в диэлектрических резонаторах — в несколько тысяч и десятков тысяч, в кварцевых резонаторах— до миллиона,

всверхпроводящих резонаторах — около миллиарда.

§ 6.4. Генераторы негармонических колебаний

Генераторы негармонических колебаний генерируют периоди­ ческие колебания сложной формы с периодом Т. Эти колебания могут быть разложены в ряд Фурье и содержат не только гармо­ нику основной частоты со = 2я/7’, но и гармоники с кратными частотами я со (я = 2; 3; ...). Появление высших гармоник свойст­ венно всем процессам в устройствах, содержащих нелинейные элементы, а каждый генератор обязательно содержит нелиней­ ный активный элемент. В генераторах, содержащих LC контуры, высшие гармоники тока не создавали напряжения на сопротивле­ нии нагрузки из-за фильтрующих (избирательных) свойств этих контуров. В рассмотренном выше RC генераторе негармониче­ ских колебаний также удавалось получить на выходе гармоничес­ кие колебания при работе транзистора в режиме с малым уров­ нем высших гармоник.

В генераторах негармонических колебаний узкополосных фильтрующих цепей нет, колебания содержат много гармониче­ ских составляющих, и рассмотрение процессов из-за их сложно­ сти проводится не комплексным методом, а на временном язы­ ке путем анализа процессов в цепях в различные моменты вре­ мени.

Генератор пилообразных сигналов на тиратроне (рис. 6.15) явля­ ется простейшим релаксационным генератором и ранее широко использовался как генератор развертки в осциллографах. Генера­ тор содержит элементы Л, С и тиратрон Т.

При включении напряжения Еп начинается заряд конденсато­ ра С и напряжение на нем ис рас­ тет по закону, близкому к линей­ ному, в течение времени /зар. Ко­ гда напряжение ис достигает напряжения зажигания и3 тират­ рона (сотни вольт), в тиратроне

процесс зарядки конденсатора повторяется (рис. 6.16). Изме­ няя отрицательное напряже­ ние на сетке тиратрона, мож­ но менять амплитуду и пе­

риод колебания этого релаксационного генератора. Подавая на сетку тиратрона положительные импульсы, можно преждевре­ менно вызвать разряд конденсатора, подавая отрицательные им­ пульсы, можно несколько задержать момент возникновения тле­ ющего разряда и начало разряда конденсатора. Таким образом можно изменить период Т релаксационных колебаний тиратронного генератора и осуществить синхронизацию этого генерато­ ра— сделать период его колебаний равным или кратным периоду повторения внешних импульсов.

Мультивибратор (рис. 6.17) состоит из двух Л-усилителей, причем выходное напряжение левого усилителя снимается с кол­ лектора транзистора УТг и передается на вход правого усили­ теля, а выходное напряжение этого усилителя снимается с кол­ лектора УТ2 и подается на вход левого усилителя (на участок база-эмиттер транзистора VTv). Обычно RM имеет величину ~1 кОм, R6— порядка десятков кОм, Сх и С2— десятых долей микрофарады. При усилении транзистором УТг набег фаз гармо­ нического сигнала равен я, при усилении этого сигнала транзис­ тором УТ2 набег фазы также равен л. В диапазоне от единиц до сотен кГц сопротивлением емкостей можно пренебречь. Тогда общий набег фазы в замкнутой цепи из двух усилителей равен 2л, т. е. в системе существует широкополосная положительная об­ ратная связь и условия генерации К (5=1 выполняются сразу на многих не кратных частотах. Наличие активных нелинейных элементов — транзисторов и отсутствие фильтрующих цепей при­ водит к генерации негармонических периодических колебаний.

Рассмотрим процессы, происходящие в мультивибраторе (рис. 6.17), который содержит два транзистора п-р-п типа. Для транзистора такого типа положительное напряжение и^ открыва­ ет транзистор. Пусть в началь­ ный момент времени через оба транзистора текут токи покоя базы /бп и коллектора /кг. При этом напряжение покоя на базе

ких вольт (рис. 6.18 а, б). Кон­ денсаторы Ci и С2 заряжены,

перь, что ток коллектора iK перво­ го транзистора VTX вырос. Это приводит к увеличению падения напряжения на R Kl и уменьшению uKl= E —iKiRKl до примерно 1 В, при этом | икэ| < | и6э| и оба перехода в транзисторе открываются (ре­ жим насыщения) (рис. 6.18а). По­ тенциал правой пластины конден­ сатора Сх уменьшается, и это при­ водит к появлению разрядного тока /р2, протекающего через со­ противление Лб2. Поскольку потен­

циал точки В равен £, протекание дополнительного тока приводит к понижению потенциала точки А ибэ2 = Е — R6 (/Pi + /б2) (рис. 6.18г) и, в силу этого, к закрыванию транзистора vT2. Напряжение на коллекторе VT2достигает Еп (рис. 6.18в), в силу этого возрастает до Еппотенциал правой пластины С2, через базу /Р2 протекает большой ток, потенциал точки С возрастает, в силу этого ток /Ki транзистора VTi растет (рис. 6.18 б), а напряжение на его коллекторе иК{падает. Длительность процессов определяется постоянной времени TPI = Ci R 6y Уменьшение uKi приводит к дальнейшему уменьшению wCi. Когда wCj упадет до нуля, за счет тока, протекающего через /?бг, начнет повышаться потенциал правой пластины Сь в силу этого откроется транзистор VT2 и закроется транзистор VTX. Таким образом, напряжения на конденсаторах Сг и С2 меняют знак.

Мультивибратор используется как генератор прямоугольных импульсов необходимой частоты. Если R6i=R6i, R Ki = RKi, СХ= СЪ то мультивибратор называется симметричным. Период Т колебаний такого мультивибратора в два раза больше длитель­ ности импульсов I, скважность импульсов Т/г равна 2.

Широко используются также несимметричные мультивибрато­

ная связь подается на неинвер­ тирующий вход с делителя на­ пряжения Л2, R3. Отрицатель­ ная обратная связь подается на инвертирующий вход через ре-