Автогенератор, в зависимости от условий, может работать в мягком или жестком режиме самовозбуждения. Для раскрытия особенностей этих режимов самовозбуждения удобно совместно рассматривать амплитудную характеристику усилителя с цепью ООС (собственно усилитель), которая всегда имеет нелинейность, и амплитудную характеристику петли положительной ОС, которая является линейной (цепь обратной связи является линейным четырехполюсником).

На рис. 3.2, а представлена типовая амплитудная характеристика нелинейного собственно усилителя.

При малых входных сигналах выходной сигнал изменяется пропорционально входному (усилитель имеет постоянный коэффициент усиления, равный тангенсу угла наклона АХ к оси абсцисс), при больших входных сигналах указанная пропорциональность нарушается (коэффициент усиления усилителя зависит от амплитуды входного сигнала). Линия обратной связи является прямой, проведенной под углом к оси абсцисс, так как между выходным напряжением и напряжением ОС наблюдается линейная зависимость .

В момент включения питания автогенератора на входе усилителя действует шум, имеющий широкий спектр частотных составляющих, в том числе составляющую , частота которой соответствует резонансной частоте избирательной системы. Следует отметить, что прочие спектральные составляющие шума будут подавлены в той или иной мере избирательной системой. На выходе усилителя после усиления в К раз появится выходной сигнал , который после ослабления цепью ПОС в раз поступает на вход усилителя в виде напряжения . Процесс будет протекать до тех пор, пока амплитуда выходного колебания не достигнет стационарного значения (будет выполнено условие баланса амплитуд).

Из рис. 3.2, а видно:

точка А является точкой устойчивого равновесия;

генерация возможна только при таких условиях, когда линия обратной связи пересекает амплитудную характеристику усилителя, что соответствует выполнению условия .

Рассмотренный выше режим самовозбуждения автогенератора называется мягким. Для его обеспечения необходимо, чтобы АХ усилителя выходила из нуля и имела бы в начале координат линейный участок с достаточным углом наклона к оси абсцисс.

Мягкий режим самовозбуждения генератора характеризуется следующими особенностями:

§ АХ усилителя и прямая обратной связи пересекаются только в одной точке, которая является точкой динамического равновесия;

§ колебания, если изменять коэффициент ПОС β , возникают (прекращаются) при одном и том же коэффициенте ПОС ;

§ при для возбуждения автогенератора не требуется внешних воздействий;

§ при мягком режиме самовозбуждения генератора существует возможность установки заданной амплитуды колебаний путем подбора коэффициента ПОС .

Вместе с тем следует отметить, что мягкий режим работы автогенератора экономически невыгоден, так как автогенератор работает в линейном режиме и его к.п.д. не превышает 50%.

Несмотря на указанный недостаток, мягкий режим самовозбуждения является основным режимом работы автогенераторов.

Процесс возбуждения колебаний происходит иначе, если усилитель имеет S – образную АХ (рис.3.2, б ). При установке коэффициента ПОС β < β 2 АХ усилителя и линия ПОС не имеет точек пересечения. Это значит, что коэффициент ПОС мал, и автогенератор не возбуждается.

При установке коэффициента ПОС β 1 < β < β 2 АХ усилителя и линия ПОС имеет две точки пересечения А и С . Это значит, что условие баланса амплитуд выполняется для двух значений амплитуды колебаний автогенератора.

Точка С характеризует неустойчивое состояние автогенератора. Пусть в некоторый момент времени амплитуда на выходе генератора соответствует точке С , при этом коэффициент усиления собственно усилителя равен К С. Допустим, что под действием внешнего фактора амплитуда колебаний уменьшилась. Это приведет к уменьшению сигнала на входе генератора, так как U ВХ = β·U ВЫХ, и вызовет дальнейшее уменьшение амплитуды выходных колебаний, поскольку коэффициент усиления усилителя К меньше, чем К С . Результатом внешнего воздействия в рассматриваемом случае будет срыв колебаний. Напротив, если под действием внешнего фактора амплитуда колебаний увеличится, то возрастет и сигнал на входе. Это вызовет дальнейшее увеличение амплитуды выходных колебаний, которое будет происходить до тех пор, пока система не перейдет в стационарное состояние.

Точка А характеризует устойчивое (стационарное) состояние автогенератора, при этом коэффициент усиления собственно усилителя равен К А . Допустим, что под действием внешнего фактора амплитуда колебаний, соответствующая точке А , уменьшилась. Это приведет к уменьшению сигнала на входе генератора, так как U ВХ = β U ВЫХ. Однако, поскольку коэффициент усиления усилителя К в рассматриваемом случае больше К А, входной сигнал получит большее усиление и амплитуда выходного сигнала возрастет и вновь будет соответствовать точке А .

Очевидно, что для запуска автогенератора амплитуда возбуждающего воздействия должна превысить значения амплитуды входного сигнала, соответствующей точке С . Рассмотренный режим возбуждения автогенератора называется жестким .

В случае, если установить коэффициент ПОС β = β 2 , то автогенератор работает также, как и в мягком режиме, при этом существует точка устойчивого равновесия.

Рассмотрим, как изменяется амплитуда колебаний, если изменяется коэффициент ПОС, а внешние воздействия отсутствуют.

В соответствии с рассмотренным выше, запуска генератора не произойдет, если β < β 2 (линия ПОС β проходит левее линии β 2). Запуска генератора не произойдет и в случае, если β 1 < β < β 2 (линия ПОС β проходит между линиями β 1 и β 2 ), так как внешний электрический толчек отсутствует. Генератор возбудится только в случае β = β 1 , при этом установится стационарная амплитуда колебаний. Если после запуска генератора дальше уменьшать коэффициент ПОС β в пределах β 1 < β < β 2 , то срыва колебаний не произойдет, будет лишь уменьшаться амплитуда колебаний. Срыв колебаний произойдет в случае, когда β = β 2 . Для возобновления колебаний необходимо снова установить коэффициент ПОС β = β 1 .

Таким образом, жесткий режим самовозбуждения генератора характеризуется следующими особенностями:

§ кривая коэффициента усиления усилителя имеет точку перегиба и пересекается с прямой ПОС в одной или двух точках;

§ существует два значения критического коэффициента ПОС (β 1 и β 2 ), соответствующие запуску и срыву колебаний автогенератора;

§ амплитуда колебаний даже для критической ПОС запуска β 1 не может быть близка к нулю;

§ существует возможность запуска генератора при β 1 < β < β 2 за счет начального внешнего толчка.

Жесткий режим автогенератора более экономичен (автогенератор имеет более высокий к.п.д.), чем мягкий режим, так как усилитель работает в нелинейном режиме. Вместе с тем, при жестком режиме невозможно получить колебания малой амплитуды, а запуск генератора имеет определенные сложности. Жесткий режим самовозбуждения автогенераторов применяется редко.

Вернемся к рис. 9.6 и выясним поведение автогенератора при изменении коэффициента обратной связи. При ослаблении связи наклон линии II растет, и при накотором критическом значении , обращающем неравенство (9.13) в равенство возникновение колебаний невозможно. Линия связи, соответствующая критической обратной связи, занимает положение ОВ.

Если в автогенераторе с индуктивной обратной связью и колебательной характеристикой, показанной на рис. 9.6, плавно увеличивать М, то начиная с критического значения амплитуда стационарного колебания будет плавно возрастать, как показано на рис. 9.8. Такой режим самовозбуждения называется мягким. Из сказанного следует, что для получения мягкого режима необходимо, чтобы колебательная характеристика выходила из нулевой точки и имела достаточно большой наклон в области малых амплитуд. Все эти требования выполняются при использовании автоматического смещения.

При использовании принудительного (внешнего) смещения колебательная характеристика принимает вид, показанный на рис. 9.9. Для возникновения колебаний в данном случае требуется очень сильная обратная связь (линия , взаимоиндукция ).

Рис. 9,8. Зависимость стационарной амплитуды от обратной связи при мягком режиме

Рис. 9.9. Колебательная характеристика, соответствующая жесткому режиму

Рис. 9.10. Зависимость стационарной амплитуды от обратной связи при жестком режиме

Рис. 9.11. К вопросу об устойчивости генерации при жестком режиме

После того как колебания установились, связь можно ослабить до значения при котором линия связи занимает положение ОВ. При дальнейшем ослаблении связи колебания срываются. Для восстановления колебаний М нужно увеличить до значения соответствующего линии связи ОА. Такой режим самовозбуждения называется

Зависимость стационарной амплитуды от М при жестком режиме показана на рис. 9.10, причем стрелками обозначено направление изменения М.

Если принудительное напряжение смещения настолько велико, что колебательная характеристика начинается не с нуля (рис. 9.11), то никакое увеличение обратной связи не способно вызвать автоколебания. Если же вызвать колебания с помощью внешнего воздействия, то при достаточно сильной обратной связи колебания могут существовать и после прекращения воздействия. Из двух точек пересечения линий I и II точка С является устойчивой, а точка D - неустойчивой (имеется в виду динамическая устойчивость, т. е. устойчивость генерации). Это означает, что при небольших случайных отклонениях амплитуды тока в контуре около точки С система возвращается в исходное состояние, сколь же угодно малое отклонение амплитуды в районе точки D прогрессивно возрастает и переводит амплитуду либо в устойчивую точку С, либо в точку 0 (соответствующую статической устойчивости). Доказательство неустойчивости точки D аналогично доказательству устойчивости точки С, приведенному в предыдущем параграфе.

Реферат: Базовые схемы режимов самовозбуждения

АНАЛИЗ РЕЖИМОВ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ. БАЗОВЫЕ СХЕМЫ

Введение

Сравнительный анализ режимов самовозбуждения генератора

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Автогенератор на туннельном диоде

Обобщенная схема трехточечного генератора

Заключение

Литература

Введение

Проведя сравнительный анализ режимов самовозбуждения автогенератора, отметив достоинства и недостатки этих режимов, необходимо акцентировать внимание на совмещении их достоинств в автоматическом смещении путем анализа конкретных схем его обеспечения.

Рассматривая базовые схемы автогенераторов с применением трансформаторов и туннельных диодов, особое внимание следует уделить на понимание курсантами физических процессов, происходящих при самовозбуждении и работе генераторов, а также сделать опору на изученные теоретические основы автоколебаний.

Первый патент на трехточечную схему выдан инженеру американской фирмы "Вестерн электрик" Р. Хартлею (1975 г.), имя которого она носит в радиотехнической литературе. Это индуктивная трехточка. В схеме Хартлея обратная связь изменяется путем перемещения точки присоединения катода по виткам катушки индуктивности контура. В 1918 году инженер той же фирмы Э. Колпитц запатентовал схему лампового генератора с емкостной обратной связью. Схемы Хартлея и Колпитца являются основными схемами автогенераторов и прототипами всех исторически более поздних автогенераторов.

В конце первой мировой войны в ламповой технике генерирования незатухающих колебаний были сделаны попытки использовать внутриламповые емкости. Положительная обратная связь через емкость сетка-анод триода, с которой боролись в радиоприемниках, здесь оказалась полезной. Одна из ранних схем такого типа имела два контура – один в анодной цепи, другой – в сеточной цепи и была эквивалентна индуктивной трехточке. Колебания возникали, когда контуры были несколько расстроены относительно частоты генерации и имели индуктивное сопротивление. Эта схема нашла применение на коротких волнах в радиолюбительской практике 20-х годов. Позднее появились другие варианты двухконтурных генераторов. Важно подчеркнуть, что все они сводились либо к индуктивной, либо к емкостной трехточкам. Принципы построения ламповых генераторов сохранились до наших дней, несмотря на то, что элементная база шагнула далеко вперед (от лампового триода до интегральных микросхем).

Сравнительный анализ режимов самовозбуждения генератора

Проведем сравнительный анализ режимов самовозбуждения, используя при этом различные характеристики автогенератора.

Мягкий режим.

i K (u БЭ) с наибольшей крутизной, то режим самовозбуждения называется мягким.

Проследим за изменениями амплитуды тока первой гармоники в зависимости от величины коэффициента обратной связи К ОС. Изменение К ОС приводит к изменению угла наклона a прямой обратной связи (рис.1)

Рис. 1 Мягкий режим самовозбуждения

При К ОС = К ОС1 состояние покоя устойчиво и генератор не возбуждается, амплитуда колебаний равна нулю (рис. 1 б). Величина К ОС = К ОС2 = К КР является граничной (критической) между устойчивостью и неустойчивостью состояния покоя. При К ОС = К ОС3 > К КР состояние покоя неустойчиво, генератор возбудится, и величина I m 1 установится соответствующей точке А. При увеличении К ОС величина первой гармоники выходного тока будет плавно расти и при К ОС = К ОС4 установится в точке Б. При уменьшении К ОС амплитуда колебаний будет уменьшаться по той же кривой и колебания сорвутся при коэффициенте обратной связи К ОС = К ОС2 < К КР.

В качестве выводов можно отметить следующие особенности мягкого режима самовозбуждения:

Для возбуждения не требуется большой величины коэффициента обратной связи К ОС;

Возбуждение и срыв колебаний происходят при одном и том же значении коэффициента обратной связи К КР;

Возможна плавная регулировка амплитуды стационарных колебаний путем изменения величины коэффициента обратной связи К ОС;

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 i K = f (u БЭ) с малой крутизной S < S MAX , то режим самовозбуждения называется жестким.

Проведем анализ режима (аналогично мягкому режиму самовозбуждения) по колебательной характеристике автогенератора I m 1 = f (U m БЭ) и характеристике I m 1 = f (К ОС), представленных на рисунках 2 а) и б) соответственно.

Рис. 2 Жесткий режим самовозбуждения

Анализируя точки пересечения прямых обратной связи с колебательной характеристикой, приходим к выводу, что возбуждение автогенератора произойдет, когда коэффициент обратной связи превысит величину К ОС3 = К ОСКР. Дальнейшее увеличение К ОС приводит к небольшому увеличению амплитуды первой гармоники выходного (коллекторного) тока I m 1 по пути В-Г-Д. Уменьшение К ОС до К ОС1 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 К ОС < К ОС1 , так как точка А неустойчива слева.

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:

Для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи К ОС;

Возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи К ОС;

Амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;

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. 3).

Рис. 3 Принцип автоматического смещения автогенератора

Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы путем включения в цепь базы цепочки R Б C Б (рис. 4).

Рис. 4. 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 БСТ.

В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя R Б1 , R Б2 (рис. 5).

Рис. 5. Автоматическое смещение с помощью базового делителя

В этой схеме начальное напряжение смещения

где – ток делителя.

При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы I Б 0 увеличивается и смещение Е Б уменьшается по величине, достигая значения Е БСТ в установившемся режиме. Конденсатор С Б предотвращает короткое замыкание резистора R Б1 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 = R Б С Б (рис. 8.41) колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным – Е Б.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 С Б будет медленно разряжаться через R Б и смещение вновь будет стремиться к Е Б.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. 3) величину C Б выбирают из равенства

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 6).

Рис. 6. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Назначение элементов схемы:

1) транзистор VT p - n - p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;

2) колебательный контур L K C K G Э задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость G Э характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;

3) катушка L Б обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура L К (коэффициент взаимоиндукции М);

4) источники питания Е Б и Е К обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

5) конденсатор С Р разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;

6) блокировочные конденсаторы С Б1 и С Б2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

Физические процессы в генераторе.

При подключении источников питания Е Б и Е К эмиттерный переход смещается в прямом направлении и возникает коллекторный ток i К (t), который в начале замыкается от + Е К через эмиттер – базу – коллектор транзистора и емкость С К на - Е К, поскольку емкость для перепада тока представляет собой короткое замыкание. Конденсатор С К заряжается, а затем начинает разряжаться через элементы контура L K G Э и в контуре возникают свободные колебания. Колебательный ток, проходя через L К, создает ЭДС взаимоиндукции в катушке L Б. Эта ЭДС прикладывается к эмиттерному переходу транзистора через емкость С Б1 и управляет токами базы и коллектора. Переменная составляющая коллекторного тока, протекающая по цепи: коллектор, контур L K C K G Э, эмиттер, база, коллектор, восполняет потери энергии в контуре и, если выполнены условия самовозбуждения, то колебания в нем будут нарастать по амплитуде. Первое условие самовозбуждения называется фазовым и оно достигается тем, что катушка L Б включается встречно катушке L К. В этом случае напряжение на базе U БЭ будет изменяться в противофазе с напряжением на коллекторе (соответственно, и с напряжением на контуре U К) и выходная проводимость транзистора окажется отрицательной. Это означает, что транзистор является источником энергии по переменному току. Но одного фазового условия недостаточно, необходимо еще выполнение амплитудного условия самовозбуждения, т. е. чтобы энергия W (+), поступающая в контур от транзистора, превышала потери энергии W (-) на проводимости G Э. Практически это достигается выбором М > М КР, где М КР – величина М, при которой выполняется равенство W (+) = W (-). Частота генерируемых колебаний примерно равна резонансной частоте контура

поскольку при Q >> 1, величина коэффициента затухания d

Достоинства схемы : возможность плавной, независимой регулировки частоты (путем изменения С К) и амплитуды (путем изменения М) колебаний.

При расчете параметров генератора необходимо определить частоту генерируемых колебаний, резонансную частоту контура, добротность контура, а также выполнение амплитудного и фазового условия самовозбуждения.

Пример

Автогенератор с трансформаторной обратной связью (рис. 6) имеет параметры контура L K = 3 мкГн, С К = 90 пФ, G Э = 25 Ом.

Определить частоту собственных затухающих колебаний колебательного контура w 1 , резонансную частоту w 0 и добротность Q колебательного контура.

Решение задачи.

Поскольку включение катушек L Б и L K произведено встречно, что обеспечивает противофазное изменение напряжений на базе и коллекторе транзистора, то фазовое условие самовозбуждения выполнено. Амплитудное условие самовозбуждения будет достигнуто выбором М > М КР.

Для определения режима свободных колебаний в контуре рассчитаем его параметры.

Частота собственных колебаний контура определяется выражением

Для ее определения вычислим резонансную частоту контура и коэффициент затухания контура:

Добротность контура вычислим по формуле

Как видно из приведенных расчетов, частота собственных колебаний и резонансная частота контура, при добротности Q >> 1, практически совпадает (квазиколебательный режим), что подтверждает теоретические положения.

Автогенератор на туннельном диоде

Исторически туннельные диоды появились значительно позже, чем транзисторы и лампы. Малые габариты и вес, высокая надежность и экономичность обусловили быстрое расширение области их применения. Вольт-амперная характеристика у туннельного диода – типа N (рис. 7). Поэтому схема автогенератора получается просто: к диоду подключают параллельный контур по переменному току (рис. 8.44 б), а режим по постоянному току выбирают так, чтобы рабочая точка О оказалась на падающем участке характеристики (рис. 7).

Рис.7. Вольт-амперная характеристика и схема генератора на туннельном диоде

Режим по постоянному току должен обеспечиваться с учетом внутреннего сопротивления источника R i . Для этого необходимо решить систему двух уравнений:

Графическое решение системы показано на рисунке 8.44 а.

Рассмотрим два случая.

В первом случае, при крутизне наклона характеристики |S (U 0)| > 1/R i , существует три возможных состояния, удовлетворяющих уравнениям системы – точки А, О, Б. Анализ, с учетом емкости самого диода, показывает, что только точки А и Б, расположенные на нарастающих участках характеристики, являются устойчивыми. Если точка покоя (точка О) находится на участке характеристики с отрицательным наклоном, то состояние схемы будет неустойчивым и рабочая точка самопроизвольно смещается в одно из крайних положений (в точку А или точку Б).

Во втором случае, при крутизне наклона характеристики |S (U 0)| < 1/R i , существует лишь одно состояние, удовлетворяющее уравнениям – точка О. Оно оказывается устойчивым и поэтому рабочая точка может быть установлена на любом участке вольт-амперной характеристики с отрицательной крутизной, следовательно, фазовое условие самовозбуждения выполняется. Амплитудное условие самовозбуждения будет выполнено, если |S (U 0)| > G Э, где G Э – проводимость контура в точках подключения диода.

Частота колебаний равна

и может изменяться с помощью С К. Амплитуда колебаний изменяется путем изменения точки подключения диода к колебательному контуру. Если катушки L 1 и L 2 не связаны единым магнитным полем, то коэффициент включения контура равен

Если же катушки L 1 и L 2 образуют единую катушку с общим магнитным полем, то диод подключается к индуктивной ветви с коэффициентом включения, равным

где n 1 и n 2 – число витков в частях катушки, обозначенных на схеме L 1 и L 2 .

Блокировочная емкость С Б выбирается из условия

Достоинства схемы:

1) способность работать в очень широком диапазоне частот (от единиц килогерц до десятков гигагерц);

2) высокая стабильность параметров при изменении температуры в широких пределах;

3) низкий уровень собственных шумов;

4) малое потребление энергии от источников питания;

5) длительный срок службы;

6) малая чувствительность к воздействию радиации.

Недостаток схемы – малая выходная мощность, что обусловлено малыми интервалами токов и напряжений в пределах падающего участка характеристики (с отрицательной крутизной). Например, генератор на одном туннельном диоде с пиковым током до 10 мА обеспечивает мощность, не превышающую единиц милливатт. Для получения большей мощности необходимо применять диоды с большими пиковыми токами.

Обобщенная схема трехточечного автогенератора

Кроме схемы автогенератора с трансформаторной обратной связью существуют так называемые трехточечные схемы автогенераторов синусоидальных колебаний. В них нет катушек связи и положительная обратная связь достигается автотрансформаторным (потенциометрическим) подключением цепи обратной связи к контуру, т. е. обратная связь реализована с помощью реактивных делителей напряжения емкостного или индуктивного типа.

В трехточечном автогенераторе активный прибор (лампа или транзистор) подключается к колебательному контуру в трех точках. Изобразим обобщенную схему замещения трехточечного генератора по переменному току, которая будет справедлива для любого генератора такого типа (рис. 8).

Рис. 8. Обобщенная схема замещения трехточечного автогенератора

Контур состоит из двухполюсников , , , которые обычно имеют столь малые потери, что можно считать их чисто реактивными:

Обобщенная схема содержит усилитель с коэффициентом усиления

и нагрузкой в виде контура Х 1 Х 2 Х 3 , а также цепь обратной связи, передающую часть выходного напряжения усилителя обратно на его вход с коэффициентом передачи

Поскольку

Фаза коэффициента усиления j К в схеме с общим эмиттером (катодом) на резонансной частоте контура равна 180°, так как сопротивление контура на этой частоте чисто активно, а усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал. Следовательно, для выполнения фазового условия самовозбуждения генератора j К + j b = 360° необходимо, чтобы j b = 180°. Это будет выполняться, если b будет действительной и отрицательной величиной. В соответствии с (8.40) можно утверждать, что это будет выполняться при двух условиях:

1) Х 1 и Х 3 должны быть разного знака (разного характера реактивности);

2) |Х 3 | > |X 1 |.Частота генерируемых колебаний равна резонансной частоте контура, так как фазовое условие будет выполняться только на этой частоте. Из условия резонанса в контуре Х 1 + Х 2 + Х 3 = 0 следует, что Х 2 должен иметь знак, одинаковый с Х 1 и тогда

Таким образом, можно сформулировать правило построения трехточечного генератора: между общим и управляющим, общим и выходным электродами усилительного элемента должны быть включены реактивные элементы одинакового характера реактивности, а между управляющим и выходным электродами – элемент противоположного характера реактивности.

Соблюдение данного правила гарантирует выполнение фазового условия самовозбуждения генератора.

Если реактивные двухполюсники являются одноэлементными, то возможны всего два варианта трехточечных генераторов (рис. 9).

Рис. 9. Схемы трехточечных генераторов

Схему, представленную на рисунке 9, а называют индуктивной трехточкой, а на рисунке 8.46, б – емкостной трехточкой.

Все вышеприведенные рассуждения и выводы справедливы и для трехточечных автогенераторов, собранных на лампе. Нетрудно изобразить и аналогичные схемы индуктивной и емкостной трехточки.

Следует подчеркнуть, что двухполюсники , , , входящие в контур, могут быть получены как полные сопротивления сколь угодно сложных схем (например, колебательных контуров), важно лишь, чтобы на частоте генерируемых колебаний они создавали нужную реактивность. В схемах автогенераторов могут отсутствовать конденсаторы колебательных контуров, так как вместо них используются междуэлектродные емкости.

Заключение

Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Появление новых схем обусловлено желанием улучшить те или иные свойства имеющихся схем. Например, желание получить возможность независимой регулировки частоты и амплитуды колебаний на всех более высоких частотах вместе с определенными конструктивными удобствами, получить более высокую стабильность частоты и т. д. Однако одновременного улучшения всех свойств, как правило, достичь не удается в силу их противоречивости, поэтому приходится отдавать предпочтение той или иной схеме в зависимости от условий применения.

Литература:

1. Богданов Н. Г., Лисичкин В. Г. Основы радиотехники и электроники. Часть 8, 2000г..

2. Никольский И. Н., Хопов В. Б., Варокосин Н. П., Григорьев В. А., Колесников А. А. Нелинейные радиотехнические устройства связи. 1972.

Мягкий режим характеризуется безусловным быстрым установлением стационарного режима при включении автогенератора.

Жесткий режим требует дополнительных условий для установления колебаний: либо большой величины коэффициента обратной связи, либо дополнительного внешнего воздействия (накачки).

В АГ с мягким режимом положение рабочей точки не зависит от развивающихся колебаний. Для наилучшего возбуждения желательно, чтобы рабочая точка активного элемента находилась в середине линейного участка ДПХ, то есть в точке максимального усиления (рис.10).

В АГ с жестким режимом возбуждения рабочую точку устанавливают в области нижнего нелинейного участка (близко к отсечке) так, чтобы ток в отсутствие генерации был бы близок к нулю. Из-за малого коэффициента усиления начальные колебания могут не развиться (рис.11).

Для анализа качества режима возбуждения используют так называемые колебательные характеристики АГ: зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя (или коэффициента усиления) от амплитуды входного напряжения при разомкнутом контуре АГ, причем размыкание можно осуществить в любой удобной точке, например так, как показано на рис.12.

Мягкий режим самовозбуждения характеризуется постоянно вогнутой кривой с максимальной крутизной в начале координат. Цепь обратной связи в координатах колебательной характеристики называется линией обратной связи (ЛОС).Так как то в координатах уравнение линии обратной связи имеет вид , а

в координатах ЛОС представляет собой линию, параллельную оси абсцис.

Точка пересечения нелинейной колебательной характеристики с ЛОС в соответствии с уравнением баланса амплитуд определяет стационарные амплитуды и.

На рис. 13 показаны типичный вид колебательной характеристики АГ с мягким самовозбуждением и несколько ЛОС.>

Из рис.13 видно, что при колебательная характеристика и ЛОС имеют две точки пересечения О и М , причем т. О является неустойчивой, а М – устойчива.

Действительно, рассмотрим случай, при котором имеет место устойчивая генерация (рис. 14).

Пусть при включении АГ в некоторый момент времени на выходе возникло напряжение с амплитудой . Это колебание через цепь обратной связи передается на вход с амплитудой . В свою очередь напряжение вызовет на выходе напряжение (см. по стрелкам на рис.14) и т.д. Далее можно осуществить переход с колебательной характеристики на ЛОС, с ЛОС на колебательную характеристику и т. д. , пока в результате не попадем в точку М . Такого рода графики называют диаграммами Ламерея. Эта диаграмма показывает, что любое, сколь угодно малое возмущение при включении АГ приводит его в стационарное состояние, определяемое точкой М. На рис. 15показано, что т. М является стационарной при изменениях амплитуды от .

Аналогичные диаграммы можно рассматривать, используя рис. 13,б.

Для изменения величины стационарной амплитуды в АГ с мягким режимом достаточно менять величину коэффициента обратной связи. При увеличении К ос от нуля автоколебания не возникают до тех пор, пока величина К ос не достигнет величины К ос ,кр =1/К(0) , где К(0) - коэффициент усиления при , т. е. при возбуждении АГ. Дальнейшее увеличение К ос приводит к увеличению (см. рис. 16). Уменьшение К ос приводит к изменению по той же линии, что и при увеличении. Можно построить аналогичный график для амплитуды сигнала в выходной цепи АГ.

Жесткий режим самовозбуждения АГ характеризуется вогнуто-выпуклой колебательной характеристикой с одной или несколькими точками перегиба и соответственно с более чем двумя точками пересечения (рис. 17).

Такой вид характеристики имеют АГ, рабочая точка усилительного элемента которых находится на нижнем сгибе проходной характеристики. Легко показать, что точки О и М в этом случае устойчивы, а точка N – неустойчивая. Пока амплитуда на выходебудет меньше , автоколебания нарастать не будут (см. диаграмму рис.18)

Для того, чтобы перевести генератор в состояние М при данном К ос, необходимо подпитать АГ дополнительным сигналом (со стороны входа или выхода), называемым сигналом возбуждения или накачки. При этом величина сигнала накачки должна превышать величину, определяемую точкой N. В этом случае сигнал накачки по цепи обратной связи приведет генератор к стационарному состоянию М (см. рис. 19).

Для возбуждения такого АГ можно не использовать дополнительную накачку, а установить такую сильную обратную связь, чтобы генератор самовозбуждался; при этом должно выполняться условие. Учитывая, что в этом случае К(0) достаточно мало, выполнить условие можно только при очень глубокой обратной связи. Этот факт иллюстрируется рис. 20.

Пока , амплитуда автоколебаний равна нулю. При в автогенераторе

установятся колебания с амплитудой . Дальнейшее увеличение К ос приведет к плавному уменьшению амплитуды. Если теперь уменьшать К ос , то амплитуда колебаний со стороны входа усилителя будет плавно уменьшаться до тех пор, пока коэффициент обратной связи не достигнет величины , при котором ЛОС касается выпуклой части колебательной характеристики. Амплитуда стационарных колебаний при этом будет равна . Дальнейшее уменьшение К ос приведет к срыву автоколебаний. Таким образом, в АГ с жесткой колебательной характеристикой нельзя установить колебания с амплитудой меньшей, чем . Аналогичные рассуждения можно привести и для амплитуды выходного сигнала АГ, но поскольку есть однозначная связь между входной и выходной амплитудами, этого можно не делать.

Достоинством режима мягкого самовозбуждения является простота вывода АГ в требуемый стационарный режим. Недостатком – низкий КПД из-за большой величины постоянной составляющей тока. В АГ с жестким режимом достоинством является отсутствие постоянного тока (или его малая величина) в режиме покоя АГ.

Используя цепи автоматического смещения во входной цепи, можно добиться совмещения достоинств обоих типов возбуждения: в момент запуска рабочая точка находится в точке максимальной крутизны (на середине линейного участка), а с нарастанием амплитуды рабочая точка смещается в сторону отсечки из-за выпрямляющих свойств входного p-n-перехода и цепочки автоматического смещения. Пример принципиальной схемы такого АГ приведен на рис. 21.

На сопротивлении R б выделяется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде подаваемого на вход колебания. На рис. 22 показана картина перехода АГ в стационарное состояние.

Установившийся режим при этом характеризуется работой транзистора с углом отсечки 90 0 . Благодаря колебательному контуру усилителя на выходе развиваются гармонические автоколебания.