Принципы построения автогенераторов. Режим мягкого самовозбуждения аг Условия самовозбуждения автогенератора

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.

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.

В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительно­го элемента, и от коэффициента К 0 . с возможны два режима самовозбужде­ния: мягкий и жесткий.

В режиме мягкого самовозбуждения рабо­чую точку А выбирают на линейном участке ВАХ усилительного элемента (рисунок 9.1,а), что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока. В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения, всегда имею­щихся в реальных условиях из-за флук­туации носителей заряда.

Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности ВАХ усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки ВАХ со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S ср и коэффициента передачи К 0с цепи обрат ной связи.

Рисунок 9.1 – Диаграммы, поясняющие режимы самовозбуждения.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи уменьшится до единицы. В результате в автогенераторе установится стацио­нарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных ко­лебаний, причем угол отсечки выходно­го тока 0> 90°. Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы. Обратим внимание: 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 вольт-амперной характеристики форма выходного тока усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при доста­точно большой добротности (Q=50…200) колебательной системы первая гармо­ника этого тока и, следовательно, на­пряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармоничес­кие колебания.

9.5 Режим жесткого самовоз­буждения

При этом режиме напря­жение смещения задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначи­тельные колебания, возникшие в конту­ре, не могут вызвать ток в 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 иллюстрируется на рисунке 9.1, б. Видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая 1) 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 с углами отсечки выход­ного тока <90°.

Для удобства эксплуатации автогене­ратора целесообразнее применять мяг­кий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника пи­тания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки <90° 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 эле­мента.

УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ АГ

Процесс возник­новения и установления колебаний в автогенераторе удобно исследовать с помощью колебательных характери­стик и линий обратной связи.

10.1 Колебательные характе­ристики

Они представляют со­бой зависимости амплитуды первой гармоники выходного тока усилитель­ного элемента I m 1 от амплитуды входно­го напряжения U m вх при неизменном на­пряжении смещения U 0 и разомкнутой цепи обратной связи: . Эти зависимости имеют нелинейный характер и могут быть получены экспе­риментально путем перевода генератора в режим с внешним возбуждением.

Рисунок 10.1 – Колебательные характеристики АГ.

На рисунке 10.1 показаны три колеба­тельные характеристики, соответствую­щие разным напряжениям смещения. Характеристика 1 соответствует смеще­нию, при котором крутизна вольт-ам­перной характеристики имеет наиболь­шее значение. По мере увеличения на­пряжения U m вх средняя крутизна па­дает, и наклон характеристики умень­шается.

Характеристика 2 соответствует мень­шему напряжению смещения, при кото­ром статическая крутизна ВАХ усилительного эле­мента в рабочей точке меньше макси­мальной крутизны. Вследствие этого с увеличением напряжения средняя крутизна S ср растет и лишь при очень больших значениях U m вх начинает уменьшаться.

Третья характеристика соответствует случаю, когда при отсутствии входного сигнала ток через усилительный эле­мент не проходит. Этот ток, а следова­тельно, ток в колебательном контуре, появляется лишь при некоторой ампли­туде напряжения U m вх , достаточной для отпирания лампы или транзистора в течение части периода высокочастот­ного колебания.

Линии обратной связи

Эти линии определяют зависимость амплитуды U m вх , т. е. выходного на­пряжения цепи обратной связи, от ам­плитуды тока I m 1 , являющегося вход­ным током этой цепи: .

Поскольку и получаем

.

Отсюда следует, что линии обратной связи графически изображаются в виде прямых, выходящих из начала коорди­нат (рисунок 10.2). Наклон этих прямых различен и зависит от значения коэф­фициента К ос . Чем сильнее обратная связь в автогенераторе, тем меньший угол наклона имеет линия обратной свя­зи относительно оси U m вх (на рисунке 10.2 ).

Рисунок 10.2 – Линии обратной связи.

10.3 Определение стационар­ной амплитуды колебаний

В стационарном режиме АГ амплитуда входного напряже­ния U m вх и соответствующая данному режиму амплитуда первой гармоники выходного тока I m 1 усилительного эле­мента должны одновременно удовлетво­рять обоим указанным зависимостям. Это возможно только в точках пересече­ния колебательной характеристики и линии обратной связи. На рис. 10.3 ось абсцисс колебательной характе­ристики U m вх служит одновременно осью ординат линий обратной связи 2-5, причем масштаб на них одинаковый. По общей оси ординат характеристики 1 и линий 2-5 откладывается ток I m 1 .

Линия обратной связи 2, соответст­вующая коэффициенту передачи цепи обратной связи , имеет с ко­лебательной характеристикой 1 общую точку только в начале координат. В этом случае самовозбуждения автоге­нератора не происходит из-за малого коэффициента К ос или малого значения резонансного сопротивления контура R рез .

Рисунок 10.3 – Определение стационарного состояния АГ в режиме мягкого самовозбуждения.

При критическом коэффициенте прямая обратной связи 3 сливается с колебательной характери­стикой в области ОА, в которой она линейна, но не пересекает эту характе­ристику.В данном случае самовозбуждение также отсутствует, что подтверждает вывод: в автогенераторе, работающем в линейном режиме и имеющем , получить автоколебания не­возможно.

Колебания в АГ возникают лишь при коэффициенте , которо­му соответствует линия обратной связи 4. Эта линия в условиях мягкого режи­ма самовозбуждения имеет с колеба­тельной характеристикой две общие точки, 0 и В. Точка В соответст­вует стационарному состоянию автогенератора, характеризующемуся ампли­тудами тока I m 1 B и напряжения U m вхВ . В это состояние генератор приходит в процессе самовозбуждения, но может выйти из него под действием различных дестабилизирующих факторов.

Рас­смотрим процессы, которые будут при этом протекать.

Предположим, что напряжение на входе усилительного элемента умень­шилось до значения U m вхС . Это напря­жение вызовет в выходной цепи генера­тора ток I m 1 C (точка С на рисунке 10.3), который, благодаря обратной связи, увеличит напряжение на входе до U m вхА , что приведет, согласно харак­теристике 1, к увеличению тока до I m 1 A и т. д. В результате генератор вернется в состояние, определяемое точ­кой В пересечения характеристик 1 и 4. Аналогично можно показать, что если под действием каких-либо причин на­пряжение на входе усилительного элемента увеличится и станет больше, чем U m вхВ (точка D на рисунке 10.3), генера­тор вновь автоматически перейдет в состояние, определяемое точкой В. Приведенные рассуждения подтверж­дают, что точка В является точкой устойчивого равновесия и соответствует стационарному режиму работы автоге­нератора. Амплитуды напряжения и то­ка в стационарном режиме определяют­ся величиной обратной связи. При уве­личении обратной связи (рисунок 3, пря­мая 5) соответствующие стационарные амплитуды увеличиваются до значений U m вхЕ и I m 1 E .

Вторая общая точка колебательной характеристики 1 и линии обратной свя­зи 4 (рисунок 10.3, точка 0) является неустойчивой, так как в ней возникшие колебания вне зависимости от началь­ной амплитуды нарастают до колебаний со стационарными амплитудами, опре­деляемыми положением точки В.

Рисунок 10.4 – Определение стационарного состояния АГ в режиме жесткого самовозбуждения.

В условиях жесткого режима само­возбуждения (рисунок 10.4) колебательная характеристика 1 и линия обратной связи имеют три общих точки: О, А, В. Точка 0 характеризует устойчивое состояние покоя автогенератора, т. е. отсутствие самовозбуждения при малых начальных амплитудах колебаний. Ко­лебания возникают только когда первоначальная амплитуда входного напряжения становится больше U m вхА , определяемого точкой А на рис. 10.4, например, напряжение увеличилось до значения U m вхС . Вызванный этим напряжением ток I m 1 C увеличит c помощью обратной связи напряжение на входе генератора, что приведет к большему возрастанию тока и т. д.

(см. рисунок 10.4, линии со стрелками). В результате достигается устойчивый колебательный режим (точка В), характеризуемый амплитудами U m вхВ и I m 1 B .

Предположим теперь, что напряжение на входе генератора стало меньше, чем U m вхА и достигло значения U m вхВ , определяемого точкой D. Тогда ток уменьшится до I m 1 D , что вызовет дальнейшее уменьшение входного напряжения, как это показано линиями со стрелками на рис. 4. В результате колебания затухают. Следовательно, точка А пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи характеризует неустойчивое состояние режима автогенератора.

Достоинство мягкого режима - удобство в эксплуатации, так как колебания возникают автоматически сразу после включения источника питания. Недостаток мягкого режима - низкий КПД выходной цепи, так как автогенератор в установившемся режиме работает колебаниями первого рода.

При жестком режиме самовозбуждения КПД выходной цепи высокий, но в эксплуатации значительное неудобство: для возбуждения генератора нужно иметь еще один автогенератор, чтобы запустить работающий колебаниями второго рода.

Объединить достоинства обоих режимов самовозбуждения - удобство в эксплуатации с высоким КПД - и избавиться от недостатков можно схемным решением: применить в схеме автогенератора автоматическое смещение, как показано на рис.

В этой схеме в момент включения исходная рабочая точка на проходной характеристике транзистора напряжением с делителя R1R2 устанавливается на середине характеристики. Колебания возникают мягко, в режиме колебаний первого рода, т. е. от нуля. По мере нарастания амплитуды колебаний увеличивается амплитуда выходного тока, который создает на резисторе R3 напряжение смещения, сдвигающее рабочую точку влево в область отсечки, как показано на рис. 2.10,а. Таким образом, колебания возникают автоматически, а в установившемся режиме автогенератор работает колебаниями второго рода с высоким КПД.

Наклон колебательной характеристики определяется значением коэффициента обратной связи Ко.с. На рис. 2.12 показано положение линии обратной связи при различных коэффициентах обратной связи.

Здесь видно, что с уменьшением обратной связи амплитуда установившихся колебаний уменьшается Uуст2

4 Прерывистая генерация

Прерывистая генерация . Положение рабочей точки в установившемся режиме определяет режим работы транзистора, а следовательно, и параметры автогенератора. А для установления рабочей точки в заданное положение необходимо правильно выбрать элементы смещения R3C3. Если же сопротивление автосмещения выбрать больше требуемого, то напряжение смещения увеличится и сместит рабочую точку еще дальше влево в области отсечки (рис. 2.13).

Амплитуда коллекторного тока уменьшится и окажется недостаточной для поддержания колебаний, они прекратятся.

После прекращения колебаний в контуре транзистор оказывается закрытым, коллекторный ток не протекает. В закрытом состоянии транзистор удерживается напряжением на конденсаторе Сэ, приложенным между базой и эмиттером. Во время генерации конденсатор зарядился змиттерным током. После прекращения колебаний этого тока нет и конденсатор не подзаряжается, а, наоборот, начинает разряжаться через резистор R3. Напряжение смещения спадает по экспоненте (участок 2-3 на рис. 2.1З). Рабочая точка на характеристике транзистора смещается вправо. В тот момент, когда рабочая точка окажется на таком участке характеристики, что коллекторный ток окажется достаточным для восполнения всех потерь в контуре, т. е. будет выполняться баланс.амплитуд, колебания возникнут снова. Они будут нарастать и снова сорвутся. Таким образом, процесс возникновения, нарастания и срыва колебаний будет повторяться. Автогенератор будет работать в режиме прерывистой генерации. На выходе получаются радиоимпульсы, период повторения которых определяется параметрами RэСэ. Прерывистая генерация используется для получения радиоимпульсов.

Чтобы выявить особенности самовозбуждения генератора и определить стационарную амплитуду выходных колебаний, удобно использовать метод совместного анализа амплитудной характеристики усилителя К и прямой линии ОС β= U ОС / U ВЫХ, отражающей влияние цепи ПОС (рис. 5). Отметим, что амплитудная характеристика собственно усилителя в теории генераторов соответствует колебательной характеристике. Суть метода традиционна и заключается в том, что схему генератора (см. рис. 3) мысленно (и по существу) разделяют на две цепи - линейную и нелинейную. Линейная цепь представляет петлю ПОС, а нелинейная - собственно усилитель (ОУ и цепь ООС).

Мягкий режим самовозбуждения . Типичный вид амплитудной характеристики нелинейного усилителя на ОУ (рис. 5, а). При малой амплитуде входного напряжения U ВЫХ /U ВХ =К. С ростом же амплитуды начинает проявляться нелинейность передаточной характеристики ОУ, и коэффициент усиления К (а значит, и выходное напряжение) будет практически постоянным и даже может уменьшаться. На линейном участке напряжение ОС U ОС = U BX линейно связано с выходным напряжением U ВЫХ и определяется коэффициентом передачи цепи ПОС β (ведь U ОС = β U ВЫХ). Это напряжение действует на входе усилителя, поэтому линию ОС (зависимость U ВЫХ от U ОС) проводят на графике в виде прямой линии βпод углом γ = arctg(l/β) к оси абсцисс (см. рис.5, а).

Положим, что на вход усилителя воздействует небольшое входное напряжение U BX1 . Тогда после усиления в К раз на выходе генератора появится напряжение U ВЫХ1 . Это напряжение, ослабленное цепью положительной ОС в β раз, поступает на вход усилителя в виде напряжения U BX2 . Оно затем, в свою очередь, усилится до напряжения U ВЫХ2 . Подобный процесс будет протекать до тех пор, пока амплитуда выходного колебания не достигнет стационарного значения, при котором выполняется условие баланса амплитуд.

Стационарную амплитуду автоколебаний генератора можно определить по координатам точки пересечения амплитудной характеристики усилителя с линией ОС (точка А на рис. 5, а). Точка А является точкой устойчивого равновесия, и при случайном отклонении амплитуды выходного напряжения от стационарного значения U СТ автогенератор всегда возвращается в исходное состояние. Допустим, что амплитуда выходного напряжения U ВЫХ уменьшилась относительно U СТ на величину ∆U ВЫХ. Это вызовет снижение напряжения ОС U ОС на значение ∆U ОС, что, в соответствии с амплитудной характеристикой, в свою очередь, приведет к увеличению выходного напряжения U ВЫХ. При этом выходное напряжение будет расти до стационарного значения U СТ, а нестабильность напряжения ОС ∆U ОС уменьшится до нуля и перейдет в точку U ОССТ. Исследуем влияние значения коэффициента передачи цепи ПОС β на режим самовозбуждения автогенератора гармонических колебаний с типом амплитудной характеристики усилителя, показанной на рис. 5, б. Кстати заметим, что изменение значения коэффициента передачи цепи ПОС β в схеме рис. 3 можно осуществлять либо регулировкой значения сопротивления резистора R, либо изменением коэффициента включения колебательного контура (неполным включением контура).

Если плавно увеличивать коэффициент передачи β (уменьшать наклон линии β), то, начиная с некоторого критического значения βкр, амплитуда стационарного колебания f/CT будет нарастать (см. рис. 5). Такой режим самовозбуждения генератора называют мягким. Для его обеспечения амплитудная характеристика усилителя должна выходить из нуля и иметь достаточно большой угол наклона к оси абсцисс в начале координат. Мягкий режим характерен тем, что подбором коэффициента передачи β можно установить любую, очень небольшую (близкую к уровню шумов), стационарную амплитуду выходных колебаний. В мягком режиме самовозбуждения на выходе генератора возникают колебания при появлении на входе усилителя малых уровней шумовых напряжений.

Рис.5. Мягкий режим самовозбуждения автогенератора:

а - амплитудная характеристика и линия обратной связи;

б - зависимость амплитуды U от коэффициента передачи β

Жесткий режим самовозбуждения. Другая картина процессов

наблюдается в процессах в автогенераторах, амплитудная характеристика усилителя которых имеет S-образную форму (рис. 6, а). Такой амплитудной характеристикой обладает усилитель при расположении его рабочей точки на нелинейном участке передаточной характеристики ОУ. Для самовозбуждения автогенераторов требуется очень сильная ПОС, и выходные колебания возникают мгновенно - скачком. Резкое («взрывное») самовозбуждение автогенератора происходит при значении коэффициента передачи цепи ОС β = β 1 когда линия ОС (линия 1 на рис. 6, а) касается снизу амплитудной характеристики в точке 0. Генерация колебаний срывается скачком при значении коэффициента передачи β, меньшем β 2 , когда линия ОС (линия 2) становится касательной к выпуклой части амплитудной характеристики. На графиках рис.6, а точка А отражает стационарный режим работы автогенератора, а точка С - режим неустойчивого равновесия. Такое положение объясняют следующим образом: при амплитудах выходных колебаний автогенератора, располагающихся на графиках ниже точки С, колебания затухают, а при амплитудах, находящихся выше точки С, - будут нарастать и достигнут стационарной амплитуды в точке А.