В Бессонов - Радиоэлектроника для начинающих (и не только)

Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RC-четырехполюсники. Такие автогенераторы получили название RC-автогенераторов . Применение RC-четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а такой электрический параметр, как добротность, ниже необходимых требований. С помощью RC-автогенераторов можно получать колебания и высокой частоты вплоть до 10 МГц, однако преимущества RC-автогенераторов проявляются именно на низких и инфранизких частотах. В этом частотном диапазоне за счет применения резисторов и конденсаторов RC-автогенераторы обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-автогенераторы, Для создания RC-автогенераторов широко используют биполярные транзисторы, а в последнее время полевые транзисторы и операционные усилители в интегральном исполнении.

В соответствии со структурной схемой автогенератора, изображенной на рис. 8.1, RC-автогенератор также содержит усилитель (обычно однокаскадный или двухкаскадный) и звено обратной связи, являющееся частотно-зависимой RC-цепью. Как правило, такими частотно-зависимыми цепями являются Г-образные RC-цепи (рис. 8.6, а, б ), мост Вина (рис. 8.6, в ) и двойной Т-образный мост (рис. 8.6, г ).

Рис. 8.6. Частотно-зависимые RC-цепи

RC-автогенератор с Г-образным RC-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рис. 8.7, а ). Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи входное и выходное напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Если выходное напряжение этого усилителя подать на его вход, то получится 100 %-ная отрицательная обратная связь. Для соблюдения баланса фаз, т. е. для введения положительной обратной связи в усилителе, выходное напряжение, прежде чем подать его на вход усилителя, необходимо сдвинуть по фазе на 180°. Если считать, что входное сопротивление усилителя очень большое, а выходное очень малое, а этим условиям отвечают в наибольшей степени усилители на полевых транзисторах, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°. Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте f 0= 1/(15,4∙ RC), а баланс амплитуд — при коэффициенте усиления усилителя К >= 29.

Если в автогенераторе, схема которого представлена на рис. 8.7, а , поменять местами резисторы и конденсаторы (рис. 8.7, б ), то генерация автоколебаний будет на частоте f 0= 1/(7,5∙ RC) при коэффициенте усиления усилителя К >= 18,4.

Рис. 8.7. RC — генератор с Г-образным RC-звеном обратной связи

Отметим, что Г-образные RC-цепи иногда выполняют с количеством звеньев больше трех (чаще всего четырехзвенные). Увеличением количества звеньев в автогенераторе рис. 8.7, а можно повысить частоту генерации; еще большего увеличения частоты генерации можно добиться при смене мест резисторов и конденсаторов в RC-цепи того же генератора.

Для изменения частоты генерации в рассматриваемом генераторе необходимо изменить одновременно либо все сопротивления R , либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными RC-цепями работают обычно на фиксированной частоте или в крайнем случае в узком перестраиваемом диапазоне.

Рассмотренный RC-автогенератор имеет ряд недостатков:

1) цепь обратной связи сильно шунтирует каскад усилителя, вследствие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие баланса амплитуд, т. е. возникающие колебания могут быть неустойчивыми; 2) генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к f 0; это объясняется отсутствием строгой избирательности к основной частоте Г-образных RC-цепей.

Можно показать, что в рассмотренных автогенераторах положительная обратная связь превращает транзистор в прибор с отрицательным сопротивлением, который компенсирует положительное сопротивление контура R эк, обусловленное потерями энергии.

Как известно, отрицательное сопротивление возникает тогда, когда увеличение напряжения на элементе вызывает уменьшение тока в нем. Возникновение в колебательном контуре незатухающих колебаний возможно также в том случае, если вместо положительной обратной связи параллельно контуру включить прибор, обладающий отрицательным сопротивлением (рис. 8.8, а ); при этом должно соблюдаться условие R д=< R эк, где R д— отрицательное динамическое сопротивление прибора, подключаемого к колебательному контуру.

К приборам, имеющим отрицательное сопротивление, относят туннельные и обращенные диоды; терморезисторы, тиристоры и другие приборы, у которых вольт-амперная характеристика имеет падающий участок (рис. 8.8, б ). Рабочую точку А обычно выбирают посередине падающего участка.

Рис. 8.8. Обобщённая схема LC — генератора на элементе с отрицательным сопротивлением

Наибольшее применение в автогенераторах гармонических колебаний получили туннельные диоды.

В таком автогенераторе частота генерируемых колебаний:

где L ки С к_ индуктивность катушки и емкость конденсатора колебательного контура; R эк— эквивалентные активные потери в контуре.

Туннельные диоды в автогенераторах позволяют получить колебания с частотой до 100 ГГц, т. е. колебания диапазона СВЧ.

Широкое применение туннельных диодов объясняется их малыми габаритами, массой и высокой экономичностью. Отметим, что наиболее целесообразно использовать туннельные диоды для получения колебаний в диапазоне СВЧ, где их преимущества проявляются в наибольшей степени.

Стабильность частоты автогенераторов является одним из важнейших параметров, в значительной степени определяющих надежность и точность работы устройств промышленной электроники. Нестабильность частоты генерируемых колебаний зависит от изменений температуры, влажности, давления, от механических воздействий, колебаний напряжения питания, внешних электромагнитных полей и других дестабилизирующих факторов. Воздействие дестабилизирующих факторов на стабильность частоты проявляется в изменении емкостей конденсаторов, индуктивностей дросселей и сопротивлений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и RC-цепей обратных связей. Стабильность частоты автогенераторов зависит также от паразитных емкостей и индуктивностей и их изменений, которые так или иначе влияют на частоту f 0и которые необходимо учитывать при расчетах и настройке автогенераторов.