Учебные вопросы:
1Амплитудные характеристики режимов самовозбуждения
4 Прерывистая генерация
1 Амплитудные характеристики режимов самовозбуждения
Для того чтобы более детально проследить процесс возникновения, нарастания и установления колебаний в автогенераторе, удобно воспользоваться графическим методом с помощью колебательной характеристики и линии обратной связи.
Колебательной характеристикой называется зависимость амплитуды первой гармоники коллекторного тока от амплитуды управляющего напряжения на базе транзистора Iк1 = ф(UБЭ). Вид колебательной характеристики зависит от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора Iк=f(eбэ).
При работе транзистора в режиме колебаний первого рода, т. е. когда рабочая точка А выбрана на середине линейного участка проходной характеристики, как показано на рис. 2.10,а, колебательная характеристика имеет выпуклую форму (рис. 2.10,6,1). При увеличении амплитуды входного напряжения амплитуда выходного тока сначала достаточно быстро возрастает вследствие постоянства крутизны Sд= const). Затем рост выходного тока замедляется из-за нелинейности нижнего и верхнего изгиба характеристики транзистора.
Если рабочая точка на переходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока В (режим колебаний второго рода), то колебательная характеристика начинается несколько правее нуля. Затем по мере увеличения входного (управляющего) напряжения колебательная характеристика имеет нижний изгиб, соответствующий нелинейному нижнему участку проходной характеристики и соответственно верхний изгиб (рис. 2.10,6,11).
Линией обратной связи называется графически выраженная зависимость напряжения обратной связи от тока в выходной цепи транзистора. Поскольку цепь обратной связи линейна, то линия обратной связи представляет собой прямую линию, восходящую из начала координат (рис. 2.10,в).
Чтобы проследить процесс возникновения, нарастания и установления колебаний, совместим колебательную характеристику и линию обратной связи на одном графике.
2 Мягкий режим самовозбуждения.
Мягкий режим самовозбуждения . На рис. 2.11,а амплитудная колебательная характеристика генераторов в режиме колебаний первого рода (кривая линия) и амплитудная характеристика обратной связи автогенератора (прямая линия) совмещены на одном графике. Поскольку исходная рабочая точка находится на среднем крутом участке проходной характеристики транзистора (см. рис. 2.10,а), то даже самые малые изменения напряжения на входе транзистора вызовут изменения выходного тока. А такие малые изменения напряжения в схеме имеются всегда либо за счет флуктуации носителей зарядов, либо за счет включения напряжения источника питания.
Допустим, что в контуре за счет флуктуации появился ток Ib1m (рис. 2.1 \,а). Этот ток по цепи обратной связи создает на входе напряжение возбуждения U1. Это напряжение в соответствии с колебательной характеристикой вызывает в выходной цепи ток I2. При токе I2 ,на входную цепь автогенератора в соответствии с линией обратной связи наводится напряжение U2, которое вызывает ток I3, и т. д. Последовательность нарастания колебаний показана на рис. 2.11 ,а стрелками. Так, колебания в контуре будут нарастать до значения, определяемого точкой В пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи. Точка В соответствует режиму установившихся колебаний: в выходной цепи протекает ток Iуст, на участке база - эмиттер создается напряжение U уст. В точке В выполняется баланс амплитуд, и в автогенераторе устанавливаются устойчивые колебания.
Действительно, если на (выходе автогенератора ток уменьшился до значения I3, то он через цепь обратной связи будет создавать на входе напряжение U3 и колебания снова возрастут до установившегося значения. Если же за счет внешнего воздействия ток в контуре увеличится, например, до значения Iv, то потери в контуре оказываются больше и напряжение на вход по цепи обратной связи наведено меньше. Колебания уменьшаются до установившегося значения.
Из рассмотренного следует, что на участке, где колебательная характеристика проходит над линией связи, пополнения больше потерь и колебания нарастают. На участке, где колебательная характеристика ниже линии обратной связи, пополнения меньше потерь и колебания уменьшаются. В точке В пересечения амплитудных характеристик пополнения равны потерям.
Таким образом, в режиме колебаний первого рода колебания в автогенераторе возникают после включения источника питания самостоятельно и нарастают до установившегося значения плавно, мягко. Поэтому такой режим колебаний называют мягким режимом самовозбуждения.
3 Жесткий режим самовозбуждения.
Жесткий режим самовозбуждения. Если рабочая точка на проходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока, колебательная характеристика пересекается с линией обратной связи в двух точках, как показано на рис. 2.11,б.
В области 1 кривая проходит под прямой - это значит, как было показано выше, что потери в контуре превышают пополнения энергии и колебания не возникают. В области 2 кривая проходит над прямой - это значит, что потери в контуре меньше, чем пополнения, и колебания могут нарастать. Из этого видно, что в режиме колебаний второго рода колебания автоматически, от флуктуации, возникнуть не могут (участок 0-1 на рис. 2.11,б). Для возникновения колебаний в автогенераторе в режиме колебаний второго рода необходимо во входную цепь транзистора подать напряжение значительной амплитуды UB03б>Uн Только после этого резкого, жесткого внешнего скачка напряжения колебания возникают и быстро нарастают. Отсюда и режим самовозбуждения называется жестким. Колебания нарастают до установившегося значения, соответствующего точке В устойчивых колебаний.
Классификация генераторов
Генератор — это устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний с определенными параметрами.
Основными параметрами колебаний являются: амплитуда, частота и форма.
Основным требованием, предъявляемым к генераторам является устойчивость его работы при воздействии на него дестабилизирующих факторов, т. е. стабильность параметров генерируемых колебаний.
Генераторы широко применяются в технике связи. Они используются при формировании тестовых сигналов, сигналов синхронизации, служебных сигналов, опорных колебаний и т. д.
Условное графическое изображение генераторов приведено на рисунке 1.
Рисунок 1 - Условное графическое обозначение генераторов: а) гармонических колебаний, б) последовательности прямоугольных импульсов, в) последовательности пилообразных импульсов.
Классификация генераторов приведена на рисунке 2.
Электрическими являются генераторы, непосредственно преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию колебаний.
Электромеханическими являются генераторы, в которых частота генерируемых колебаний задается частотой механических колебаний некоторых материалов (кварцевой пластины).
В генераторах с внутренним возбуждением или с самовозбуждением колебания формируются за счет внутреннего источника питания.
Рисунок 2 - Классификация генераторов
В генераторах с внешним возбуждением формирование колебаний осуществляется из поступающего на его вход другого колебания (умножение и деление частоты).
Релаксационные генераторы или мультивибраторы формируют колебания не гармонической формы (последовательности прямоугольных, треугольных, пилообразных, колокообразных и т. д. импульсов).
Гармонические или квазигармонические генераторы формируют колебания гармонической формы.
В RC -генераторах в качестве избирательной цепи используются RC-фильтры.
В LC -генераторах в качестве избирательной цепи используется параллельный колебательный контур.
В двухточечных LC -генераторах колебательный контур подключается к усилительному элементу двумя точками, а в трехточечных LC -автогенераторах ? тремя точками.
Обобщенная структурная схема гармонического автогенератора
Построим обобщенную структурную схему гармонического автогенератора. Поскольку это автогенератор, то он должен иметь внутренний источник питания (ИП) Для формирования гармонических колебаний генератор должен содержать цепь, в которой способны возникнуть колебания. Такой цепью является колебательный контур, который также будет выполнять функции избирательной цепи (ИЦ). Избирательная цепь определяет частоту генерируемых колебаний и их форму. С точки зрения возникновения колебаний колебательного контура достаточно, но колебательный контур является пассивной цепью, а следовательно обладает положительным активным сопротивлением Rиц. При наличии этого сопротивления, а также сопротивления нагрузки Rн, в которую подаются колебания, формируемые генератором колебания будут затухающими. Поэтому в цепь автогенератора необходимо включить элемент, обладающий отрицательным активным сопротивлением, как известно, элемент обладающий отрицательным активным сопротивлением является источником переменного тока, а следовательно является активным (усилительным) элементом (УЭ). Сопротивление усилительного элемента Rуэ должно полностью компенсировать все потери энергии в пассивных цепях генератора и нагрузке. Также в состав автогенератора необходимо включить цепь, с помощью которой часть колебаний с выхода генератора будет поступать в усилительный элемент для компенсации потерь, т. е. необходима цепь обратной связи (ОС). Данная цепь также является пассивной и обладает положительным активным сопротивлением Rос. Таким образом, получаем обобщенную структурную схему гармонического автогенератора (рисунок 3).
Рисунок 3 - Обобщенная структурная схема гармонического автогенератора
В стационарном режиме работы автогенератора положительное активное сопротивление пассивных элементов генератора и нагрузки должно полностью компенсироваться отрицательным сопротивлением усилительного элемента, т. е.
R иц+ R ос+ R н — R уэ=0 (1)
Процесс возбуждения колебаний в автогенераторе
Рассмотрим процесс возбуждения колебаний в автогенераторе (рисунок 3). При включении источника питания в цепях автогенератора наблюдаются флуктуации тока (флуктуационный шум). Спектр этого шума содержит составляющие на всех частотах. Из этого спектра с помощью избирательной цепи выделяется составляющая на частоте генерации fг. Полученное колебание на выходе ИЦ поступает по цепи обратной связи в усилительный элемент, где осуществляется усиление колебания, которое поступает опять в ИЦ и т. д. Амплитуда колебаний возрастает до определенного момента, после чего она стабилизируется, а также стабилизируются частота и форма колебаний. Во время работы автогенератора выделяют два режима работы: переходной и стационарный. Переходной режим работы генератора длится с момента включения генератора и до момента стабилизации параметров колебаний. Стационарный режим работы длится с момента стабилизации параметров колебаний и до выключения генератора (рисунок 4).
Рисунок 4 - Режимы работы автогенератора
Условия самовозбуждения автогенератора
Чтобы определить условия самовозбуждения автогенератора необходимо рассмотреть его уравнение.
Коэффициент передачи автогенератора определяется выражением
Кп =Кус ? Кос (2)
где Кп — комплексное значение коэффициента передачи автогенератора;
Кус — комплексное значение коэффициент усиления усилителя;
Кос — комплексное значение коэффициента обратной связи.
Если разомкнуть цепь обратной связи, то выражение для коэффициента усиления будет иметь вид
Кус = Um вых / Um вх =Кус e j j ус (3)
где Um вх — комплексная амплитуда входного напряжения усилителя;
Um вых — комплексная амплитуда выходного напряжения усилителя;
Кус — модуль коэффициента усиления:
j ус — аргумент модуля коэффициента усиления.
Модуль коэффициента усиления равен
Кус= Um вых / Um вх (4)
j ус учитывает сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями усилителя. Как следует из рисунка 3, усилитель включает в себя усилительный элемент и избирательную цепь. Предположим, что в качестве избирательной системы используется параллельный колебательный контур с сопротивлением Rрез. Тогда
Um вых = Im 1 ? R рез (5)
где Im 1 ? амплитуда первой гармоники выходного тока усилительного элемента.
Между Im 1 и Um вх существует взаимосвязь, определяемая выражением
Im 1 = S ср ? Um вх (6)
где Sср — средняя крутизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента
Подставляя значение Im 1 из (6) в (5) получаем
Um вых = S ср ? Um вх ? R рез (7)
Тогда модуль коэффициента усиления усилителя, учитывая (4) и (7) будет равен
Кус= Um вых / Um вх = S ср ? Um вх ? R рез/ Um вх = S ср ? R рез (8)
Учитывая, что j ус будет равно
j ус =j уэ + j иц (9)
где j уэ — фазовый сдвиг, вносимый усилительным элементом;
j иц — фазовый сдвиг, вносимый избирательной цепью.
Учитывая выражения (3), (8) и (9) коэффициент усиления усилителя будет равен
Кус = S ср ? R рез e j ( j уэ+ j иц) (10)
Коэффициент передачи цепи обратной связи равен
Кос = Um в х /Um вых = Кос e j jос (11)
где Кос — модуль коэффициента передачи цепи обратной связи;
j ос — аргумент модуля коэффициента передачи цепи обратной связи.
j ос учитывает сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями цепи обратной связи.
Таким образом, исходя из выражений (2), (10) и (11), можно записать коэффициент передачи автогенератора в стационарном режиме (с постоянными параметрами) при генерировании синусоидальных колебаний
Кп =Кус ? Кос = S ср ? R рез ? Кос e j ( j уэ+ j иц+ j ос) =1 (12)
Выражение (12) является уравнением автогенератора . Согласно данному уравнению коэффициент передачи автогенератора в стационарном режиме должен быть равен единице.
Уравнение автогенератора выражает условия самовозбуждения автогенератора.
1. Условие баланса амплитуд
Кп = S ср ? R рез ? Кос=1 (13)
Коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора должен быть равен единице. Т. е. вся энергия, затрачиваемая на пассивных элементах генератора и нагрузки должна полностью компенсироваться энергией пополнения усилительного элемента.
Условие баланса амплитуд определяет стационарную амплитуду колебаний.
2. Условие баланса фаз
j ус =j уэ + j иц + j ос =0 или k 2 p , где k =1, 2, 3, … (14)
Суммарный сдвиг фаз в замкнутом кольце автогенератора должен быть равен нулю или кратен 2 p (360 ° ). Т. е. энергия пополнения усилительного элемента должна подаваться в фазе с уже существующими колебаниями. Для выполнения этого условия цепь обратной связи автогенератора должна быть положительной . Т. к. в большинстве автогенераторов условие баланса фаз выполняется лишь на одной частоте, то это условие определяет частоту генерации.
Режимы самовозбуждения автогенератора
В зависимости от значений постоянных питающих напряжений подводимых к электродам усилительного элемента, и от коэффициента Кос возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.
При мягком режиме самовозбуждения положение рабочей точки (А) задается на линейном участке вольт-амперной характеристики усилительного элемента (рисунок 5). В этом случае обеспечивается начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока. При этом режиме самовозбуждение возникает даже при незначительных изменениях входного напряжения, которые всегда наблюдаются из-за флуктуаций носителей зарядов. Таким образом, колебания на выходе усилительного элемента возникают сразу, даже при незначительных изменениях входного напряжения, что является достоинством данного режима самовозбуждения. Амплитуда колебаний на выходе генератора возрастает плавно. В стационарном режиме усилительный элемент может работать без отсечки или с отсечкой выходного тока, причем во втором случае угол отсечки выходного тока Q (половина длительности импульса выходного тока) больше 90°. Отсутствие отсечки или большой угол отсечки приводят к снижению коэффициента полезного действия (КПД) генератора, что является недостатком этого режима.
Рисунок 5 - Диаграммы, поясняющие мягкий режим самовозбуждения
При жестком режиме самовозбуждения положение рабочей точки задается за пределами вольт-амперной характеристики усилительного элемента (рисунок 6). Это приводит к тому, что усилительный элемент постоянно работает в режиме отсечки выходного тока, вследствие этого колебания на выходе элемента появляются лишь при превышении амплитудой входного напряжения u(t) определенного значения U н. При превышении этого значения (u(t)?U н) усилительный элемент отпирается, и на его выходе появляются колебания. Причем амплитуда этих колебаний нарастает быстро. Необходимость наличия определенного напряжения на входе усилительного элемента для появления колебаний на его выходе является недостатком жесткого режима самовозбуждения.
В данном режиме самовозбуждения угол отсечки выходного тока меньше 90°. Наличие малого угла отсечки увеличивает КПД генератора, что является достоинством этого режима.
Рисунок 6 - Диаграммы, поясняющие жёсткий режим самовозбуждения
Как видно мягкий режим самовозбуждения обладает теми достоинствами, которыми не обладает жесткий режим, а жесткий режим обладает теми достоинствами, которыми не обладает мягкий режим. Поэтому на практике в некоторых типах генераторов (в частности в LC-генераторах) используют оба режима: при включении генератора и во время переходного режима генератор работает в мягком режиме самовозбуждения, а при переходе в стационарный режим работы генератор переводится в жесткий режим самовозбуждения.
Характеристики автогенератора
Колебательная характеристика представляет собой зависимость амплитуды первой гармоники выходного тока усилительного элемента Im 1 от амплитуды входного напряжения Um вх при неизменном напряжении смещения U 0 и разомкнутой цепи обратной связи.
Эти характеристики имеют нелинейный характер, т. к. усилительный элемент является нелинейным, и зависят от режима самовозбуждения генератора. На рисунке 7, а представлена колебательная характеристика генератора в мягком режиме самовозбуждения, а на рисунке 7, б? в жестком режиме самовозбуждения.
Рисунок 7 - Колебательные характеристики автогенератора
Линии обратной связи представляют собой зависимость выходного напряжения цепи обратной связи Um вых от амплитуды первой гармоники входного тока Im 1 .
Поскольку выходное напряжение цепи обратной связи является входным напряжением усилительного элемента, а входной ток цепи обратной связи является выходным током усилителя, то линии обратной связи удобнее представить относительно усилителя как зависимость входного напряжения усилительного элемента от амплитуды первой гармоники выходного тока (рисунок 8).
Рисунок 8 - Линии обратной связи
Линии обратной связи выражают линейную зависимость, т. к. цепь обратной связи является линейной цепью. Наклон линий зависит от коэффициента обратной связи Кос. Чем больше Кос, т. е. чем сильнее обратная связь, тем меньше угол наклона относительно оси Um вх, например, на рисунке 8: Кос 1 <Кос 2 <Кос 3 .
Определение стационарной амплитуды колебаний
Из пункта 1.6 следует, что в автогенераторе одновременно существуют линейная (линии обратной связи) и нелинейная (колебательная характеристика) зависимости. В стационарном режиме работы автогенератора амплитуда напряжения Um вх и соответствующая ему амплитуда тока Im 1 усилительного элемента должны одновременно удовлетворять этим двум зависимостям. Это возможно только в точках пересечения колебательной характеристики с линией обратной связи. Рассмотрим процесс определения стационарной амплитуды колебаний в различных режимах самовозбуждения.
Мягкий режим самовозбуждения.
Для анализа процессов происходящих в автогенераторе построим обе его характеристики в одной оси координат и в одном масштабе (рисунок 9).
На рисунке представлены две линии обратной связи при различных коэффициентах обратной связи Кос 1 и Кос 2 причем Кос 1 <Кос 2 . При Кос 1 колебания отсутствуют, т. к. колебательная характеристика и линия обратной связи имеют одну общую точку 0, а значит Um вх =0 и Im 1 =0. При Кос 2 колебательная характеристика и линия обратной связи имеет две общие точки 0 и В. Поскольку, как отмечалось выше, в точке 0 колебания не возможны, то устойчивые колебания возможны только в точке В при напряжении равном Um вхВ и соответствующем ему током Im 1В. Точка В является точкой устойчивого равновесия и соответствует стационарному режиму работы генератора. В точке устойчивого равновесия наблюдается баланс энергии пополнения усилительного элемента и энергии потерь. К этой точке генератор приходит в процессе самовозбуждения. В результате воздействия на генератор различных дестабилизирующих факторов он может выйти из состояния устойчивого равновесия, но амплитуда колебаний будет стремится вернутся к точке устойчивого равновесия. Рассмотрим процессы, происходящие в автогенераторе в этом случае.
Предположим, что напряжение на входе усилительного элемента уменьшилось до значения Um вхС. Это напряжение вызовет в выходной цепи генератора ток Im 1 C . Этот ток благодаря обратной связи увеличит напряжение на входе элемента до Um вх D , а это, в свою очередь, приведет к увеличению тока до Im 1 D . Этот ток приведет к увеличению напряжения и т. д. Это будет происходить до тех пор, пока амплитуда колебаний не достигнет значений точки В. Если же амплитуда колебаний, под воздействием дестабилизирующих факторов, увеличится до значения Um вхЕ, то произойдет обратный процесс, т. е. вызванный этим напряжением ток Im 1 E , благодаря обратной связи, приведет к уменьшению напряжения Um вх и т. д., до тех пор, пока амплитуда колебаний опять не вернется к значению точки В.
Жесткий режим самовозбуждения.
В данном режиме колебательная характеристика и линия обратной связи имеет три общие точки 0, А и В (рисунок 10).
Рисунок 10 Определение стационарной амплитуды колебаний в жестком режиме
В точке 0 колебания существовать не могут. Проанализируем точку А. Уменьшение амплитуды колебаний на входе усилительного элемента до Um вхС, вызовет ток в выходной цепи Im 1С, который в свою очередь приведет к уменьшению напряжения Um вх, это напряжение приведет к уменьшению тока Im 1 и т. д. до тех пор, пока колебания не затухнут. Если напряжение на входе усилительного элемента увеличится до значения Um вх D то амплитуда колебаний будет увеличиваться до значения точки В. Таким образом, точка А является точкой неустойчивого равновесия , в этой точке могут существовать колебания, но при изменения их амплитуды они либо затухают либо их амплитуда увеличивается. Если произвести анализ точки В, то она окажется точкой устойчивого равновесия.
Мягкий режим.
Если рабочая точка находится на участке характеристики iK(uБЭ) с наибольшей крутизной, то режим самовозбуждения называется мягким.
Проследим за изменениями амплитуды тока первой гармоники в зависимости от величины коэффициента обратной связи КОС. Изменение КОС приводит к изменению угла наклона a прямой обратной связи (рис.2)
Рисунок 2. Мягкий режим самовозбуждения
При КОС = КОС1 состояние покоя устойчиво и генератор не возбуждается, амплитуда колебаний равна нулю (рис. 2 б). Величина КОС = КОС2 = ККР является граничной (критической) между устойчивостью и неустойчивостью состояния покоя. При КОС = КОС3 > ККР состояние покоя неустойчиво, генератор возбудится, и величина Im1 установится соответствующей точке А. При увеличении КОС величина первой гармоники выходного тока будет плавно расти и при КОС = КОС4 установится в точке Б. При уменьшении КОС амплитуда колебаний будет уменьшаться по той же кривой и колебания сорвутся при коэффициенте обратной связи КОС = КОС2 < ККР.
В качестве выводов можно отметить следующие особенности мягкого режима самовозбуждения:
Ø для возбуждения не требуется большой величины коэффициента обратной связи КОС;
Ø возбуждение и срыв колебаний происходят при одном и том же значении коэффициента обратной связи ККР;
Ø возможна плавная регулировка амплитуды стационарных колебаний путем изменения величины коэффициента обратной связи КОС;
Ø 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 iK = f (uБЭ) с малой крутизной S < SMAX, то режим самовозбуждения называется жестким.
Рисунок 3. Жесткий режим самовозбуждения
Возбуждение автогенератора произойдет, когда коэффициент обратной связи превысит величину КОС3 = КОСКР. Дальнейшее увеличение КОС приводит к небольшому увеличению амплитуды первой гармоники выходного (коллекторного) тока Im1 по пути В-Г-Д. Уменьшение КОС до КОС1 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 КОС < КОС1, так как точка А неустойчива слева.
Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:
Ø для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи КОС;
Ø возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи КОС;
Ø амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;
Ø 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. 4).
Рисунок 4. Принцип автоматического смещения автогенератора
Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы путем включения в цепь базы цепочки R Б C Б (рис. 5).
Рисунок 5. 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 Б С Т.
В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя R Б1 , R Б2 (рис. 6).
Рисунок 6. Автоматическое смещение с помощью базового делителя
В этой схеме начальное напряжение смещения
Е Б.НАЧ. =Е К -(I Д +I Б0)R Б2 ,
где I Д =Е К /(R Б1 +R Б2) – ток делителя.
При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы IБ 0 увеличивается и смещение ЕБ уменьшается по величине, достигая значения ЕБСТ в установившемся режиме. Конденсатор СБ предотвращает короткое замыкание резистора RБ1 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 = RБСБ (рис. 8.41) колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным – ЕБ.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 СБ будет медленно разряжаться через RБ и смещение вновь будет стремиться к ЕБ.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. 4) величину CБ выбирают из равенства
Автогенератор с трансформаторной обратной связью
Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 7).
Рисунок 7. Автогенератор с трансформаторной обратной связью
Назначение элементов схемы:
Ø транзистор VT p-n-p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;
Ø колебательный контур LKCKGЭ задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость GЭ характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;
Ø катушка LБ обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура LК (коэффициент взаимоиндукции М);
Ø источники питания ЕБ и ЕК обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;
Ø конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;
Ø блокировочные конденсаторы СБ1 и СБ2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.
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 вид последовательности 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.
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:
.
