Линия обратной связи - это зависимость амплитуды входно . напряжения усилителя t/вх от амплитуды основной гармоники выходного тока усилителя 1г\. Линия обратной связи характеризует ослабляющее действие цепи обратной связи и имеет вид линейной прямой, наклон которой к оси абсцисс определяется параметрами линейного четырехполюсника обратной связи.

Рис. 12.2

Рис. 12 3

Для определения а.мплитуды стационарных колебаний генератора линию обратной связи и колебательную характеристику строят на одном графике (рис. 12.2). Амплитуда стационарного тока 1г\ соответствует положению точки их пересечения М. В точке М выполняется баланс амплитуд /Сир -1, так как входной сигна.1 при прохождении усилительного тракта усиливается во столько раз, во сколько ослабляется четырехполюсником обратной связи.

Докажем, что точка М является точкой устойчивого динамического равновесия. Пусть на входе усилителя возникает флуктуация напряжения Vbx. Ток /гь соотвегствующий значению Vn определяется по колебательной характеристике. Току /п на лн НИИ обратной связи соответствует напряжение L/ bx. Таков пер вый цикл прохождения сигнала через усилитель и четырехполюсник обратной связи, в процессе которого напряжение Vx увеличивается до значения U\x. После нескольких циклов напряжение f/вх и ток /г1 возрастут до значения б'вх.ст и /ri ст, соответствую щих положению точки М. Если теперь напряжение f/вх cлyчaйнJ

возрастет, например до значения Lbx, то ток /г) на линии

ратной связи будет соответствовать значению 6ех<Ь'вх- В нечном счете ток /п и напряжение t/вх возвращаются к значениям /г1 ст и t/вхст. л

Процесс установления стационарной амплитуды представл на рис. 12.2 с помощью отрезков, характеризующих направлей

и величину изменений напряжения llx и тока h\ в течение

оДИ°

го цикла. Отрезки изменений напряжения f/gx показаны горйЗ

тальными стрелками, а отрезки изменений тока /ri - вертикальными.

В зависимости от вида колебательной характеристики различают два режима самовозбуждения в генераторах.

1. Мягкий режим - когда колебательная характеристика начинается с нулевой точки и ее угол наклона к оси абсцисс в области малых амплитуд f/вх больше, чем угол наклона линии обратной связи. Такая колебательная характеристика приведена на рис. 12.2. При включении питания в генераторе происходит плавное нарастание амплитуды колебаний до стационарного значения.

2. Жесткий режим -котаа колебательная характеристика не удовлетворяет приведенным условиям мягкого режима. Примером колебательной характеристики, вызывающей жесткий режим, является характеристика, приведенная на рис. 12.3.

Линия обратной связи (рис. 12.3) пересекается с колебательной характеристикой в двух точках М' и М. Точка М является точкой устойчивого динамического равновесия. Рассуждая аналогично, можно доказать, что точка М' является точкой неустойчивого равновесия, когда отклонение напряжения (7вх от значения Ubk(M) в сторону уменьшения или увеличения на некоторую величину Af/ex приводит либо к срыву колебаний, либо к возрастанию амплитуды до значения Iri(M). Таким образом, для возникновения незатухающих колебаний в генераторе с жестким режимом возбуждения необходим первоначальный импульс напряжения Ubxo = Ubx(M)-\-AUbx, обеспечивающий ток Iri>Iri(M).

Генераторы синусоидальных колебаний разделяют на следующие типы; LC-тип, использующий в качестве частотно-зависимой цепи колебательный контур (генераторы 1С-типа применяются, как правило, в диапазоне радиочастот); RC-тип, у которого частотно-зависимые цепи обратной связи представляют собой сочетание элементов R я С. В диапазоне звуковых и дозвуковых частот такие цепи обладают меньшими габаритами и весом по сравнению с колебательными контурами.

§ 12.2. Генератор с фазовращающей ЯС-цепъю

Структурная схема такого генератора представляет собой усилитель с поворотом фазы на 180°, в котором для выполнения условия баланса фаз (12.2) включена цепь обратной связи, изменяющая на частоте генерации фазу выходного сигнала также на 0°. На остальных частотах баланс фаз выполняться не должен. ° качестве фазовращающей цепи обратной связи обычно исполь-УЮтся трехзвенные iC-цепи, приведенные на рис. 12.4, а, б. Амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики RC-цепен аны на рис. 12.4, в, г.

Для цепи рис. 12.4, а частоту генерации шо и коэффициент Редачи Ро на частоте ио можно найти из формул -617 225

а,о=1/(/?С/б); (12.3)

%=UU,==\l2. (12.4)

Для схемы рис. 12.4, б выполняются следующие соотношения:

%=vI{RC); (12.5)

Ро=1/29. (12.6)

i Li

С С

Рис. 12.4

Ср, R

н r

Из формул (12.4) и (12.6) видно, что фазовращающие ?С-це-пи (рис. 12.4, а, б) существенно уменьшают сигнал обратной связи, поступающий на вход усилителя. Поэтому для обеспечения баланса амплитуд генератора и возникновения колебаний коэффициент усиления усилителя необходимо выбирать из условия

Принципиальная схема прос- тейшего генератора с фазовраща-вых ющей /?С-цепью приведена на рис. 12.5.

В этой схеме усилитель выполнен на транзисторе VTi, включенном по схеме каскада ОЭ.

Для уменьшения влияния элементов схемы на форму кривой генерируемых колебаний в усилителе часто создается местная отрицательная обратная связь по току, не зависящая от частоты во всем диапазоне полосы пропускания усилителя.

Рис. 12 5

Для нормальной работы генераторов необходим согласующий каскад - эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT2. При отсутствии эмиттерного повторителя условия самовозбуждения в схеме генератора выполнить трудно, так как, во-первых, фазовращающая цепь обратной связи шунтирует резистор и тем самым уменьшает коэффициент усиления Кио усилительного каскада; во-вторых, малое входное сопротивление каскада сни-}кает коэффициент передачи ро.

Частоту генерации в схеме рис. 12.5 можно определить по формуле (12.5), если сопротивление резисторов R много меньше входного сопротивления эмиттерного повторителя, т. е. /?<С/?вх.п-

Если это условие не выполняется, то частоту генерации схемы с учетом шунтирующего действия /?вхп определяют по формуле

/6 + 4/? ? х.п1/?6 971

%---. (1-7)

а необходимое для поддержания незатухающих колебаний значение коэффициента усиления усилителя с обратной связью - по формуле

/(Г„>294-23/?/(/?з 1/?б). (12.8)

Расчет генератора низкой частоты

Рассчитать элементы генератора незатухающих колебаний с частотой Мо= = 1 кГц (см. рнс. 125). Напряжение питания £ =-Ю В. Рабочие напряжения и токи покоя транзисторов соответственно равны /ко1=к02=ко=4 мА, Uxoi =

= /к02=/к0 = 4 В.

Решение. 1. Из условия (/кэтах>£к, 2/ко</кдоп выбираем транзисторы типа Л1П42Б с параметрами A2u = 45-100, /кдоп=30 мА, У , так=15 В.

2 Записывая уравнение £к=/ко2+/эо2э2 и учитывая, что /ко /эо, найдем сопротивление

/?э2 = (Як - Uk02) /эо2 = 1.5 кОм.

3. Из уравнения

602 = / 022132 - /Э02э2)/6

найдем сопротивление:

(£к-/.02)А21э2 j,Qy 3

4. Задавая /э01/?э1 = 0,015 и записав уравнение иаходим

/?к = (0,985Як - г/кэо1) к01 = 1.5 кОм (по ГОСТУ 39 Ом); Rn = f30i 30i =0,015 Як/э01 = 0,04 кОм.

5. Определим входное сопротивление усилительного каскада без учета шун- РУющего действия делителя Ri-R:

Rbxi = Гб1 + (1 + А2:э) Rn = 1.8 кОм.

6. Так как сопротивление параллельного соедннеиня резисторов /?, н R не должно сильно шунтировать входное сопротнвленне Rbxi, принимаем i?ili?2>/? или i?i/?2=2/?Bxi=3,6 кОм.

7. Определяем сопротивление

о £к Ehm

~ /90l/?3l/(/?ll/?2) 4-/ко1/А21М /ко ~

= 112 кОМ (по ГОСТУ ПО кОм).

8. Находим сопротивление

/?2= [l/(/?ilW2) - = 3,8 кОч (по ГОСТУ 3,9 кОм).

9. Определяем входное сопротивление эмиттерного повторителя с учетом шунтирования резистора R32 входным сопротивлением усилительного каскада i?axi=/?,/?2Bxi = l,2 кОм:

/?вх.п =б2 4(1+ А21э2) {RbiKyi) = 55.2 Ом.

10. Находим сопротивление

/?вх2 = /?б1/?вхп = 24,6 кОм.

11. Выбираем

/? 0,1 /?вх2 = 2,3 кОм (по ГОСТУ 2,2 кОм).

12. Из формулы (12 7) определяем емкость конденсатора:

С л 1,1 мкФ.

Примечание. Если значение емкости получается слишком большим (сотни микрофарад), то следует увеличить сопротивление R и пересчитать емкость С.

13. Определяем коэффициент усиления усилительного каскада:

< осй;(А2ш/?к) ?вх1 37,5.

Полученный коэффициент усиления удовлетворяет условию (12 8) поддержания незатухающих колебаний в схеме. При невыполнении условия (12 8) уменьшают сопротивление резистора обратной связи R . Если обратная связь отсутствует, но полученный коэффициент усиления не удовлетворяет условию (12 8), то для повышения Ки выбирают транзисторы с большим коэффициентом А21Э.

§ 12.3. Генератор с мостом Вина в цепи обратной связи

При использовании двухкаскадного усилителя, изменяющего фазу входного сигнала на 360°, генератор синусоидальных колебаний можно построить, включив в цепь положительной обратной связи частотно-избирательный четырехполюсник, не изменяющий фазу сигнала на частоте генерации. Примером такого четырехполюсника может служить цепь, представленная на рис. 12.6,0 и называемая мостом Вина. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики этой цепи приведены на рис. 12.6, б.

Для цепи рис. 12.6, а частоту генерации соо и коэффициент передачи Ро на частоте ио определяют из формул

c o=l /?i/?2CiC2; (12-9)

Ро=2/1-1/(1 + RdRt + С2/С1). (12.9а)

Если/?i = i?2=.R, С, = С2 = С, то формулы (12.9) и (12.9а) будут иметь вид m=ll{RC). Ро=1/3.

Практическая схема генератора на транзисторах приведена на рис. 12.7. Для стабилизации частоты и амплитуды генерируемых колебаний в схему введена цепь отрицательной обратной связи, состоящая из элементов С4, Roc, Rsi- Эффект стабилизации амплитуды {/вых увеличивается, если в качестве резистора обратной связи Roc использовать термистор. Действительно, с ростом {/вых увеличивается ток цепи отрицательной обратной связи. Термистор нагревается, его сопротивление уменьшается и возрастает коэффициент передачи р

iiir3)/(r3l+Roc) Rsl/Roc, что приводит К

уменьшению выходного напряжения до первоначального значения.

На рис. 12.8 приведена схема генератора с мостом Вина на операционном усилителе. Принцип ее построения не отличается от принципа построения предыдущей схемы. Мост Вина включен в цепь положительной обратной связи между неинвертирующим входом ОУ и выходом. Резисторы /?з, Ri, R5 образуют цепь отрицательной обратной связи для стабилизации частоты и амплитуды генерируемых колебаний.

Рис. 12.6

Рис. 12 7

§ 12.4. Генераторы с колебательными контурами

В качестве задающего генератора радиопередающих устройств связи и гетеродина супергетеродинного радиоприемника применя- Отся генераторы высокой частоты с колебательными контурами цепи обратной связи (LC-renepaTopbi).

По способу включения колебательного контура в цепь обрат-

ной связи различают генераторы с индуктивной (трансформаторной), автотрансформаторной и емкостной обратной связью (рис 12.9).

В схемах с автотрансформаторной (рис. 12.9, б) и емкостной (рис. 12.9, в) СВЯЗЯ.МИ конту'р включен в схему тремя выводами поэтому такие схемы часто называют индуктивной и емкостной трехточками. В схеме (рис. 12.9, а) для выполнения условий баланса фаз, т. е. создания положительной обратной связи, напряжение Ul, на катушке L-2 должно быть противофазно напряжению Ul, на катушке Li.

Рис. 12 9

Величина сигнала положительной обратной связи Ul, определяется соотношением числа витков катушек индуктивности Li и Li и расстоянием между ними. С увеличением числа витков Z-2 и сближении катушек глубина обратной связи возрастает. Число витков катушки Li определяют с учетом заданной частоты генерации, определяемой формулой для резонансной частоты контура

Л=1/2я/1;С.

При найденном значении Li число витков катушки определяют из условия обеспечения баланса амплитуд. В схеме индуктивной трехточки (рис. 12.9, б) условие баланса фаз выполняется благодаря тому, что выходной сигнал, снимаемый с коллектора транзистора или с обмотки катушки Li, противофазен сигналу положительной обратной связи, снимаемому с обмотки Lj.

Для обеспечения сигнала положительной обратной связи, при котором выполняется условие баланса амплитуд, выбирают определенное число витков обмотки Li. При этом необходимо учитывать, что частота генерации определяется из формулы

Л=1/2яу7Ата)С, т. е., подбирая число витков обмотки Z-2, следует одновременно корректировать также и число витков обмотки Li так, чтобы заданная частота генерации не изменилась.

Частоту генерации в схемах рис. 12.9, а, б изменяют с помощью конденсатора переменной емкости, включенного в цепь колебательного контура. Возможность перестройки частоты в широком диапазоне обусловили применение индуктивной трехточки в гетеродинах радиоприемников, возбудителях радиопередатчиков и т. Д.

Емкостная трехточечная схема автогенератора (рис. 12.9, в) аналогична резисторному усилителю напряжения, в цепь положительной обратной связи которого включен колебательный контур. Выходной сигнал снимается с конденсатора Си а сигнал положительной обратной связи с конденсатора Со- Так как напряжения на Ci и Сг противофазны, то выполняется условие баланса фаз.

Условие баланса амплитуд выполняется при соответствующем сигнале положительной обратной связи Uc,- Для его увеличения необходимо уменьшать емкость конденсатора Сг, так как при этом возрастают емкостное сопротивление, а следовательно, и падение напряжения на конденсаторе от протекания тока через колебательный контур. При найденном значении Сг емкость конденсатора С] определяют из условия обеспечения заданной частоты генерации

/= 1/2я V[Cfi2/(C, + C2)\L.

Изменение частоты генерации в схеме емкостной трехточки не совсем удобно, так как для этого приходится изменять число витков катушки L или перемещать ее сердечник. Поэтому емкостную трехточку в основном используют в качестве тактовых генераторов с фиксированной частотой.

Малая добротность колебательного контура LC-генератора CQ<100) вызывает искажения формы генерируемых колебаний, когда условия самовозбуждения выполняются для нескольких гармонических составляющих, близких к основной гармонике с частотой /г.

Неправильный расчет схемы автогенератора также может привести к искажениям выходного сигнала. Например, при слишком большом коэффициенте передачи сигнала положительной обратной связи р условие баланса амплитуд /CuPI выполняется для нескольких гармонических составляющих даже при большой добротности колебательного контура.

Для выполнения условия баланса амплитуд на одной частоте Необходимо уменьшить коэффициент усиления К и, ЧТО достигается обычно введением отрицательной частотно-независимой обратной связи, например включением переменного резистора в цепь эмиттера транзистора.

При построении генераторов на биполярных транзисторах следует учитывать, что зависимость коэффициента усиления по току 21э от частоты вызывает дополнительный фазовый сдвиг между одным напряжением усилителя и напряжением обратной свя-

зи, изменяющий условие баланса фаз в схеме генератора. В результате частота генерации будет отличаться от резонансной частоты контура.

Принципы построения генераторов на полевых транзисторах не отличаются от описанных выше.

Для повышения мощности автогенераторов в схемах рис. 12.9 увеличивают напряжение питания схемы. Однако при этом контур, включенный в коллекторную или стоковую цепь будет находиться под напряжением источника питания, которое в схемах мощных автогенераторов может достигать нескольких сотен вольт.

Рис. 12 10

Рис. 12 11

Устранить этот недостаток можно в схеме генератора с параллельным питанием (рис. 12.10), где транзистор, контур и источник питания включены параллельно друг другу.

Блокировочный дроссель 1бл, имеющий большое сопротивление по переменному току, обеспечивает развязку источника питания и контура на частоте генерации, но не является препятствием для постоянной составляющей тока. Чтобы источник питания не замыкался через Ь&л и катушку индуктивности контура, включают конденсатор Сбл-

Цепь из параллельно соединенных резистора R и конденсатора С, включенная в цепь затвора, служит для создания мягкого режима возбуждения колебаний генератора. В области малых амплитуд колебания затвор транзистора имеет почти нулевое смещение. С увеличением амплитуды колебаний отрицательное смещение затвора возрастает за счет зарядки конденсатора С.

На практике встречаются схемы генераторов с двумя колебательными контурами. Примером такого генератора является схема, изображенная на рис. 12.11. Баланс фаз, при котором напряжения сток-затвор и затвор-исток находятся в противофазе, обеспечивается только в том случае, если на частоте генерации сопротивления контуров в цепях затвора и стока имеют индуктивный характер, так как при индуктивном характере сопротивлений контуров схема на рис, 12.11 эквивалентна схеме индуктивной трехточки.

§ 12.5. Стабилизация частоты LC-генераторов. Кварцевые генераторы

На стабильность частоты LC-генераторов сильно влияет напряжение источника питания, от которого зависят значение реактивных составляющих входного и выходного сопротивлений, изменяющих параметры колебательного контура. Поэтому использование высококачественного стабилизатора напряжения для питания генератора является одним из факторов, обеспечивающих высокую стабильность частоты генерации.

Частота LC-генераторов зависит и от температуры окружающей среды, так как с ее ростом обычно увеличиваются индуктивность катушки и емкость конденсатора контура, что приводит к снижению частоты генерации. Поэтому для стабилизации частоты генератора, работающего в широком диа- Рис. 12 12 пазоне температур, параллельно основному

контурному конденсатору Со в качестве элемента термокомпенсации включают тикондовый конденсатор С, емкость которого уменьшается с ростом температуры (рис. 12.12).

Температурную стабильность частоты количественно оценивают с помощью температурного коэффициента частоты (ТКЧ), равного относительной нестабильности частоты Af при изменении температуры на 1 °С. Температурный коэффициент частоты транзисторных LC-генераторов обычно составляет (1...2) Ю- *.

При использовании термокомпенсирующих тикондовых конденсатор ТКЧ удается уменьшить примерно на порядок, т. е. до (1...2) .10-5.

Более высокую стабильность частоты можно получить в схемах кварцевых генераторов, где в качестве высокодобротного колебательного контура со стабильными параметрами используется пластина кварца, обладающая пьезоэлектрическими свойствами.

Если к обкладкам кварцевой пластины приложить переменное электрическое поле (напряжение), то в ней возникают механические колебания. Такое свойство пластины называется обратным пьезоэффектом. Возникшие в пластине механические колебания, в свою очередь, вызывают появление на обкладках электрических зарядов, знак которых изменяется с частотой механических колебаний. В результате через пластину будет протекать переменный электрический ток. Это свойство пластины называется прямым пьезоэффектом.

Кварцевая пластина, помещенная в кварцедержатель, эквивалентна колебательному контуру, электрическая схема которого приведена на рис. 12.13.

Величины Lkb, Скв и Гкв зависят от геометрических размеров Кварцевой пластины без держателя и от типа механических коле-