Низкочастотные иу

В качестве RC-фильтров в избирательных усилителях могут использоваться различные RC-цепи, у которых коэффициент передачи (β = U_ОС / U_вых) β ≈ 0 в диапазоне полосы пропускания от до f_н до f_в.

Широкое применение в этих усилителях нашел двойной Т-образный мост. Нарисуем схему избирательно усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи (рисунок 2.52).

2C

2C

C

C

C

C

R/2

R/2

R

R

R

R

U_ОС

U_вых

U_вых

U_вх

Рисунок 2.52 – Принципиальная электрическая схема низкочастотного ИУ.

На квазирезонансной частоте f₀ = 1 / (RC); β = 0, т. к. на этой частоте каждый из одинарных Т-образных мостов имеет равные по модулю и противоположные по фазе коэффициенты передачи β и их выходные токи взаимно компенсируются, так что U_OC = 0.

Коэффициент усиления избирательного контура с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи выражается через параметры усилителя и цепи обратной связи: K_OC = . Используя предыдущие рассуждения можно сказать, что при f = 0 и f = ∞, когда: β → 1: K_OC = ≈ 1, а на квазирезонансной частоте β = 0 K_OC = K >> 1.

Избирательные усилители с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи хорошо работают на квазирезонансных частотах от единиц Гц до нескольких МГц. Их избирательные свойства зависят от коэффициента усиления K_U: чем больше этот коэффициент, тем лучше усиливается полезный сигнал по сравнению с очень низкими и очень высокими частотами.

2.9 Генераторы гармонических колебаний

Генератором гармонических колебаний называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности.

ГГК являются одной из составных частей измерительных приборов и автоматических систем.

Электронные генераторы гармонических колебаний классифицируются по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения.

В зависимости от частоты генераторы подразделяют на:

• низкочастотные (0,01 / 100 кГц);

• высокочастотные (0,1 / 100 МГц);

• сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).

По способу возбуждения различают:

• генераторы с независимым возбуждением. Такими генераторами являются, по существу, усилители мощности с соответствующим частотным диапазоном;

• автогенераторы или генераторы с самовозбуждением.

Рассмотрим структурную схему автогенератора, которая состоит из усилителя с коэффициентом усиления K и звена положительной обратной связи с коэффициентом передачи β (рисунок 2.53).

_

_

β

K

U_вх

U_вых

Рисунок 2.53 – Структурная схема автогенератора

Коэффициент усиления K и коэффициент передачи звена обратной связи β приняты комплексными, т. е. учитывается их зависимость от частоты. В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, на интегральных микросхемах и т. д.

Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: LC-контуры и RC-четырехполюсники.

Входным сигналом для усиления является часть его выходного напряжения, передаваемое звеном положительной обратной связи.

Стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды входных и выходных напряжений имеют неизменные значения, будет возможен при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения:

К · β = 1,

которое следует из соотношений

U_вх = β · U_вых,

U_вых = K · U_вх.

Тогда U_вых = β · K · U_вых.

Условие самовозбуждения можно представить в виде:

|K| · e^iφ · |β| · e^iψ = 1,

где |K|, |β| – модули коэффициентов усиления и передачи, соответственно;

φ , ψ – аргументы этих коэффициентов.

Это равенство выполняется при условиях:

• |К| · |β| = 1 – условие баланса амплитуд;

• φ + ψ = 2πn – условие баланса фаз,

где n = 0, 1, 2, 3, …;

φ – фазовый сдвиг выходного напряжения усилителя;

ψ – фазовый сдвиг выходного напряжения звена обратной связи.

Условие баланса фаз означает, что сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2π, что свидетельствует о наличии в данном устройстве положительной обратной связи.

Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стационарных устойчивых колебаний условие баланса амплитуд должно удовлетворять соотношению: |К| · |β| ≥ 1.

LC-автогенератор

В этом автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком (рисунок 2.54).

M₁

L_c

VT

с

з

и

+E_с

R_з

C_з

C_к

L_к

M₂

U_вых

Рисунок 2.54 – LC-автогенератор

Звеном обратной связи является катушка L_c, включенная в стоковою цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой L_к резонансного контура L_к C_к. Первоначально колебания в автогенераторе возникают или из-за флуктуации тока в колебательном контуре, или при подаче напряжения питания. По этим причинам при условии, что эквивалентное активное сопротивления контура R_э < .

U_вых

U_з

Появляются слабые колебания с частотой ω₀ = 1/ , которые при отсутствии положительной обратной связи прекратились бы из-за потерь энергии в контуре. Но при наличии положительной обратной связи этого не происходит. Т. к. появившееся напряжение на контуре усиливается транзистором. Эти колебания через катушку L_с индуктивно связанную с L_к, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно возрастает, что соответствует условию |К| · |β| > 1. По мере роста амплитуды напряжение в цепи затвора транзистора из-за нелинейности его амплитудной характеристики (участок ab) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение |К| · |β| = 1 (рисунок 2.55).

0

b

a

|К| · |β| = 1

|К| · |β| > 1

t

U_вх

Рисунок 2.55 – Временная диаграмма и АХ автогенератора

При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует стационарному режиму работы автогенератора.

В автогенераторах широко применяется автоматическое смещение рабочей точки на характеристиках, которое позволяет выбрать необходимый режим усиления усилителя.

В данной схеме это осуществляется с помощью звена R_з C_з для создания положительного смещения U_з0 относительно истока.

При появлении положительные полуволны напряжения контура через затвор проходит ток i_з, который заряжает С_з. В результате на затворе появляется отрицательный потенциал относительно истока.

В отрицательный полупериод напряжение контура i_з и C_з разряжается через R_з, поддерживая на затворе отрицательный потенциал.

Если R_з C_з >> T (период автоколебаний), то C_з не будет успевать заметно разряжаться и напряжение смещения U_з0 будет постоянным. Выбрав R_з и C_з мы обеспечим работу автогенератора в требуемом режиме усиления.

C_p

L_p

Мы с вами рассмотрели схему, в которой LC-контур включен последовательно с транзистором. Этот тип автогенератора имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что элементы LC-контура находятся под низким напряжением. Но такой генератор обладает небольшим КПД.

M

L_з

L_к

R_з

C_к

C_з

+E_c

U_вых

C_вых

Рисунок 2.56 – Генератор с параллельным питанием

Большим КПД и большей мощностью генерируемых колебаний обладает автогенератор, где LC-контур включен параллельно с транзистором по отношению к источнику питания (рисунок 2.56). При этом элементы LC-контура находятся под более высоким напряжением, чем в рассмотренной схеме. Это приводит к тому, что конденсатор той же емкости надо выбирать большего размера. Чтобы избавиться от этого недостатка LC-контур включают через разделительный конденсатор C_р параллельно. С_р не пропускает постоянную составляющую тока в индуктивную катушку L_к. Дроссель L_р предотвращает короткое замыкание контура по переменной составляющей через источник питания E_с. Такой генератор называется генератором с параллельным питанием.

В LC-генераторах, ввиду зависимости L и C колебательного контура и параметров транзистора от температуры наблюдается зависимость от t° и частоты f. В условиях постоянства t° нестабильность частоты вызвана изменениями дифференциальных параметров транзистора в зависимости от изменения положения рабочей точки покоя усилительного каскада, что обуславливает необходимость его стабилизации.

Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности:

δ_f = ∆f / f · 100 %,

где ∆f – абсолютное отклонение частоты от номинального значения f.

Меры, повышающие стабильность частоты:

• увеличение температурной стабилизации выбранного режима покоя усилительных каскадов;

• применение специальных средств, компенсирующих температурные изменения частоты (например, введение в колебательный контур конденсаторов с зависимой от t° емкостью).

Наибольшая стабильность частоты с коэффициентом δ_f = 10^-3 / 10^-5 % достигается при использовании в генераторах кварцевого резонатора. Высокая стабильность частоты обуславливается тем, что кварцевый резонатор обладает высокой добротностью Q.

Разновидностью такого генератора является трехточечный автогенератор, который бывает двух типов:

• индуктивный трехточечный;

• емкостной трехточечный.

LC-контур в таких автогенераторах включается не двумя точками, как обычно, а тремя, что позволяет снимать сигнал обратной связи непосредственно с резонансного контура.

RC-автогенераторы

Для получения гармонических колебаний низкой частоты (от нескольких сотен КГц до долей Гц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратной связи используются RC-четырехполюсники. Такие автогенераторы называются RC-автогенераторами. Применение RC- четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а добротность их не удовлетворяет необходимым требованиям. RC-автогенераторы на низких частотах обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-автогенераторы.

RC-автогенератор содержит усилитель (одно- или двухкаскадный) и звено обратной связи в виде частотно-зависимой RC-цепи. Такими цепями являются (рисунок 2.57):

• Г-образные RC-цепи;

R_n

R₁

C_n

C₁

выход

C_n

выход

вход

вход

R_n

R₁

C₁

R₁

C₁

• мост Вина;

выход

вход

R₂

C₂

C₂

C₁

• двойной T-образный мост (симметричный и несимметричный);

выход

вход

R₃

R₂

R₁

C₃

Рисунок 2.57 – Виды звеньев обратной связи

+E_c

RC-автогенератор с T-образным RC-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рисунок 2.58).

з

и

с

U_вых

R

R

R

R

C_вых

C

C

C

Рисунок 2.58 – RC-автогенератор с T-образным звеном обратной связи

Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи U_вх и U_вых сдвинуты по фазе на 180°. Т. е. если U_вых усилителя подать на его вход, то получится 100 %-я ООС. Для соблюдения баланса фаз, т. е. для введения положительной обратной связи, U_вых, прежде чем подать его на вход, необходимо сдвинуть на 180°. Т. к. R_вх усилителя очень большое, а R_вых – очень малое, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°.

Недостатки RC-автогенератора:

• цепь обратной связи сильно шунтирует конденсатор усиления, вследствие чего снижается K_U и нарушается условие баланса амплитуд, т. е. колебания могут быть неустойчивыми;

• генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к f₀. Это объясняется отсутствием строгой избирательности к основной частоте Г-образных RC-цепей.