3.3. Трехточечные схемы генераторов гармонических колебаний

Существует большое число различных схем автогенераторов, которые могут быть классифицированы по ряду признаков:

• по виду активных элементов автогенераторы могут быть ламповыми, транзисторными, диодными и в микросхемном исполнении;

• по виду колебательных систем различают LC – генераторы и RС генераторы;

• по виду ОС различают генераторы с внутренней и внешней ОС и т. д.

Рассмотрим LC – генераторы, в которых напряжение ПОС снимается с части колебательного контура, то есть используется неполное включение колебательного контура. Поскольку контур в этом случае имеет три точки соединения, то схемы LC – генераторов получили название трехточечных (рис. 3.3) или трехточек.

Выполнение условия баланса амплитуд в схемах автогенераторов обычно не вызывает затруднений при правильном включении активного элемента.

Выполнение условия баланса фаз обеспечивается правильным включением элементов колебательного контура.

Автогенератор работает на частоте, близкой к собственной (резонансной) частоте колебательного контура, так что выполняется условие равенства нулю реактивного сопротивления контура (рис. 3.3, а)

или .

Коэффициент обратной связи определяется выражением

= .

Поскольку усилитель меняет фазу выходного сигнала по отношению к входному на , необходимо, чтобы цепь ПОС обеспечивала сдвиг фаз на величину . Это возможно только в случае, если β является действительной и отрицательной величиной, откуда следует, что Z₂ и Z₃ должны иметь одинаковый характер реактивного сопротивления, а Z₁ – противоположный характер. На рис. 3.3, б, в приведены упрощенные схемы индуктивной и емкостной трехточек.

В общем случае вместо дискретных реактивных элементов (индуктивности и емкости) могут быть включены расстроенные относительно резонансной частоты колебательные контура, имеющие требуемый характер эквивалентного реактивного сопротивления.

При использовании в качестве активных элементов ОУ все сделанные замечания справедливы, если используется инвертирующий вход ОУ.

При использовании неинвертирующего входа ОУ следует учитывать, что входной и выходной сигналы ОУ синфазны.

Изобразим эквивалентную схему генератора на ОУ (рис. 3.4, а).

На резонансной частоте выполняется условие: . Откуда следует: . Коэффициент обратной связи находим по формуле

.

Коэффициент передачи цепи обратной связи должен быть действительной величиной, а поскольку выходной и входной сигналы ОУ синфазны, то β в стационарном режиме работы генератора должен быть равен 1 (а не – 1, как это было в трехточечной схеме транзисторного автогенератора). Откуда следует, что Z₂ и Z₃ должны иметь различный характер реактивности, а Z₁ – такой же, как у Z₂.

На рис. 3.4, б представлена схема емкостной трехточки на основе ОУ с неинвертирующим входом.

LС – генераторы нашли широкое применение на высоких частотах. Они являются составными частями возбудителей радиопередатчиков, а также датчиков опорных частот приемников, используемых в качестве гетеродинов. Для настройки LС – генераторов на конкретную частоту применяются подстроечные конденсаторы, включаемые параллельно основному конденсатору резонансного контура, или варикапы. В последнем случае часто применяется электронная перестройка частоты автогенератора.

3.4. RС – генераторы

На низких частотах для формирования гармонических колебаний колебательные системы на LС элементах не используются из-за громоздкости. Более компактными в этой области частот являются RС – генераторы, активным элементом в которых, как правило, является ОУ, а цепь ПОС реализуется с помощью набора RС элементов. В ОУ может использоваться как инвертирующий, так и неинвертирующий вход. В первом случае цепь ПОС должна обеспечивать сдвиг фаз выходного сигнала, подаваемого на вход на , во втором случае сдвиг фаз должен быть равен нулю. ПОС в RС – генераторах формируется одним из двух вариантов: с помощью фазосдвигающей RС – цепи (рис. 3.5, а) или с использованием моста Вина (рис.3.5, б).

В теории цепей показывается, что на квазирезонансной (якобы резонансной) частоте трехзвенная RС – цепь вносит фазовый сдвиг, равный , и имеет вещественный коэффициент передачи, равный 1/29. Поэтому для обеспечения баланса амплитуд в генераторе коэффициент усиления усилителя должен соответствовать условию , а баланс фаз выполняется автоматически за счет использования инвертирующего входа ОУ. Частота генерации схемы с фазосдвигающей цепью определяется внешними (навесными) элементами и задается соотношением

.

Если в схеме (рис. 3.5, а) поменять местами резисторы и конденсаторы, то следует обеспечить коэффициент усиления усилителя (цепь ПОС обеспечивает коэффициент передачи ), а квазирезонансная частота будет определяться из соотношения

.

Недостатком генератора на фазосдвигающей RС – цепи является большое число навесных элементов и трудность перестройки генератора в широком диапазоне частот.

Автогенератор с использованием моста Вина (рис.3.5, б) имеет более компактную структуру. Мост Вина, представляющий собой последовательно – параллельные RС – цепи, является цепью ПОС и имеет на квазирезонансной частоте коэффициент передачи и нулевой фазовый сдвиг. Для выполнения условий генерации коэффициент усиления собственно усилителя должен быть больше 3.

Частота генерации определяется из соотношения

.

Перестройка такого генератора в широком диапазоне частот (от единиц герц до сотен килогерц) легко реализуется с помощью сдвоенных конденсаторов С, либо сдвоенных резисторов R.