Краткие теоретические сведения

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока заданной частоты и формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают: генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы). Кроме формы и частоты генераторы также различаются по выходной мощности, типу используемого активного элемента , виду частотно-избирательной цепи обратной связи .

Генераторы могут работать в двух режимах: режиме автоколебаний и ждущем режиме. В первом случае колебания возникают сразу в момент включения источника питания. Такие генераторы получили название автогенераторов. Во втором случае для возникновения колебаний на вход генератора необходимо подать специальный запускающий импульс.

В принципе генератор можно получить, охватив электронный усилитель с коэффициентом усиления K_u цепью положительной обратной связи с коэффициентом передачи напряжения b ( см. рис. 6.1 ) . Вследствие различных нестационарных процессов (например заряд и разряд емкостей, переходные процессы в активных элементах и т. д.) в схеме возникают электрические колебания.

Напряжение, снимаемое с выхода звена обратной связи и подаваемое на вход усилителя

                                         U_ос=U_вх= bU_вых ,                                                                 (6.1)

                                                                                                                               напряжение на выходе генератора

                                         U_вых =K_u U_ос ,                                                 (6.2)

или, с учетом выражения (6.1),

                                                   U_вых = K_u bU_вых ,                                                               (6.3)

39 

Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема генератора

Очевидно, что установившиеся колебания будут существовать в схеме при условии, что

                                                K_u b=1 ,                                               (6.4)

Если K_ub < 1, то колебания будут затухать, а если K_ub > 1, то они будут непрерывно возрастать.

Условие (6.4) можно записать следующим образом :

                                   K_ub exp [ j ( f _k +f _b ) ] = 1 ,                         (6.5)

Процесс самовозбуждения генератора, описываемый выражением (6.5), можно представить в следующем виде :

                                 ì K_u b=1 ,                                                            (6.6)                                               

                                 î f _k +f _b = 2pn (где n = 0, 1, 2...) .          (6.7)

Выражение (6.6) получило название баланса амплитуд, а выражение (6.7) - баланса фаз. Первое - означает, что потери, вносимые звеном обратной связи, должны компенсироваться усилителем, а второе - указывает на необходимую величину фазового сдвига в замкнутой цепи.

На рис. 6.2 представлена схема генератора гармонических колебаний, которая получила название генератор Колпитца по фамилии её создателя, или емкостная трёхточка , как чаще принято в отечественной литературе. Времязадающим звеном данной схемы является колебательный LC - контур,

40

состоящий из индуктивности L и емкостного делителя C1-C2.

         Ошибка! Ошибка связи.

Рис. 6.2. Схема генератора Колпитца (емкостная трёхточка)

Точка А контура подключена к выходу генератора (коллектор транзистораVT), а точка С - к его входу (база транзистора). Таким образом имеет место цепь обратной связи. Транзистор в генераторе включен по схеме ОЭ, которая, как известно, вносит фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами 180 ^о. Для выполнения условия баланса фаз средняя точка между конденсаторами В подсоединяется к общей шине, и за счет этого в сигнал обратной связи вносится дополнительный фазовый сдвиг 180 ^о (обратите внимание на знак заряда обкладок конденсаторов). Условие баланса амплитуд выполняется за счет усилительных свойств транзистора. Схема генерирует колебания синусоидальной формы с периодом

                                             ,                                  (6.8)

 Среди генераторов релаксационных колебаний наибольшее распространение получила схема мультивибратора, которая генерирует импульсы практически прямоугольной формы. Рассмотрим устройство и принцип работы мультивибратора в автоколебательном режиме. Для этого необходимо обратиться к схеме мультивибратора и эпюрам напряжений, которые представлены на рис.6.3 и 6.4, соответственно.

41

      Ошибка! Ошибка связи.

Рис. 6.3. Схема мультивибратора

Мультивибратор представляет собой два усилительных каскада (плеча), у которых выход одного связан с входом другого посредством R_бС цепочек. В том случае, если оба плеча мультивибратора собраны из однотипных элементов, то его называют симметричным, в противном случае - несимметричным. Допустим, что оба плеча мультивибратора одинаковы. Подключим схему к источнику питания E_k ( полярность соответствует транзисторам p-n-p структуры ). В первый момент токи и напряжения в схеме окажутся одинаковыми:

i_k1 = i_k2 ; U_бэ1 = U_бэ2 ; U_кэ1 = U_кэ2 ; U_с1 = U_с2 ,

Однако такое состояние не может быть устойчивым, так как в схеме всегда имеются дестабилизирующие факторы. Допустим, например, что вследствие неравномерности диффузии дырок в базу ток коллектора транзистора VT1 i_k1 несколько увеличился по сравнению с током i_k2 . Это означает, что потенциал коллектора VT1 станет по отношению к “земле” несколько менее отрицательным (Du_кэ1 = -E_к  + Di_к1×R_к1) , или иначе он получит небольшое положительное приращение. Этот скачок напряжения через конденсатор C1, который не успевает зарядиться за столь малое время, передается на базу VT2 и несколько подзапирает его. Коллекторный ток i_к2 начинает уменьшаться, уменьшая потенциал коллектора. Этот отрицательный скачок напряжения через C2 подается на базу VT1, дополнительно открывая его и увеличивая ток i_к

42

Процесс носит скачкообразный характер. Он происходит в течение десятых долей микросекунды и приводит к тому, что транзистор VT1 оказывается насыщен (открыт), а транзистор VT2 заперт. Для того чтобы лучше понять , что происходит в схеме дальше, обратимся к эпюрам напряжений, представленных на рис. 6.4.                      

Рис. 6.4. Эпюры напряжений на базах и коллекторах транзисторов

             мультивибратора

Начальному моменту (t₀ ) соответствует следующее состояние:

     U_бэ1 @   0 U_кэ1  @ 0 (VT1- насыщен),

      U_бэ2 @ 0 U_кэ1 @ 0  (VT2- заперт).

Конденсатор C1 заряжен до напряжения @ | E _к |  в предыдущем цикле с полярностью, как это указано на рис. 6.3 . Поскольку VT1 насыщен, то это напряжение приложено между базой и эмиттером VT2.  По причине насыщения VT1, а также из-за того, что конденсатор C2 разряжен, в

43

начальный момент напряжение на коллекторе VT2 близко к нулю. До момента t₁  в схеме протекают сравнительно медленные процессы. Конденсатор C2 заряжается по следующей цепи: + E_к  (“земля”) Þ открытый эмиттерный переход VT1 Þ C2 Þ R_к2 Þ - E_к  с постоянной времени t_ф  @ R_к2С₂ до напряжения @ E_к. По мере того, как конденсатор заряжается, напряжение U_к2 также постепенно достигает указанного напряжения. В это время конденсатор C1 разряжается по цепи: + E_к  (“земля”) Þ открытый транзистор VT1 Þ C1 Þ R_б2 Þ - E_к  с постоянной времени t @ R _б C . В момент времени t₁ напряжение на базе VT2 достигает 0 уровня и он мгновенно отпирается. Положительное (по отношению к базе) напряжение конденсатора C2 оказывается приложенным к VT1 и он запирается. Далее процессы повторяются, и мультивибратор устойчиво генерирует близкие к прямоугольной форме импульсы с амплитудой @  E _к и длительностью

                                           t_и @ 0.7 R _б C ,                                            (6.9)