Условия самовозбуждения генератора

Любой автогенератор электрических колебаний представляет собой усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи (рис.193). При этом часть выходного напряжения Uoc через цепь ПОС поступает на вход усилителя в фазе с входным напряжением, обеспечивающим заданное значение Uвых. Чтобы амплитуда выходного напряжения не изменилась, должно.быть выполнено условие Uoc = Uвх. Так как Uвх = Uвых/KU и Uoc = βUвых, тo из равенства

Uoc = Uвх следует βUвых = Uвых/КU, или

β'K'U = 1. (1)

Рис..193 Структурная схема автогенератора

У равнение (1) является условием существования в генераторе незатухающих электрических колебаний. Ему соответствуют два уравнения:

βKU = 1 (2)

отражающее баланс амплитуд в автогенераторе, и

φU + φβ = 2πn (3)

отражающее баланс фаз, в котором n = 0, 1, 2, 3...

Уравнение (2) требует от усилителя такого коэффициента усиления, при котором полностью компенсируются потери напряжения, поступающего через цепь ПОС.

Уравнение (3) определяет условие, при котором в зам­кнутой системе (усилитель + цепь ПОС) обеспечивается ПОС.

Следует отметить, что уравнение (2) справедливо для установившегося (стационарного) режима работы автогенератора. При проектировании автогенератора должно быть выполнено условие βKU> 1. В этом случае при подаче на автогенератор напряжения питания любые сколь угодно малые напряжения на входе (например, напряжения шумов) будут вызывать возрастающее по амплитуде выходное напряжение. По мере увеличения U вследствие нелинейности амплитудной характеристики усилителя его коэффициент усиления Ки будет уменьшаться, и стационарное состояние установится при βKU = 1.

Процесс возникновения, нарастания и установления колебательного режима транзисторного автогенератора (при выполнении условий баланса фаз и амплитуд) можно объяснить с помощью так называемой колебательной характеристики автогенератора, представляющей собой зависимость

Uвыx = f(Uвх). На рис.194 изображены амплитудная характеристика собственно усилительного звена К =Uвых/Uвх = f (Uвx ) и прямая линия, выражающая зависимость коэффициента передачи цепи обратной связи от величины входного напряжения β = Uвх/Uвых =φ‘(Uвх) и характеризующая ослабляющее действие цепи обратной связи.

Предположим, что на вход транзистора поступает напряжение Uвх1. После усиления в К раз на выходе усилителя появится напряжение Uвых1.

Рис.194. Колебательная характеристика автогенератора.

Это напряжение, ослабленное в β раз, вызовет появление на входе напряжение Uвх2, которое создаст на выходе новое напряжение, и т. д. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока величина выходного сигнала не достигнет своего установившегося значения (точка A), при котором выполняется условие βК = 1.

Из-за нелинейности характеристик транзистора амплитудная характеристика усилителя также оказывается нелинейной, т. е. с ростом уровня выходного сигнала коэффициент усиления уменьшается. Именно поэтому амплитуда колебаний в контуре не может увеличиваться беспредельно и ограничивается на определенном уровне, соответствующем установившемуся режиму. Из рис.194 видно, что после включения источника питания автоколебания возникают и развиваются при воздействии на вход транзистора любого, сколь угодно малого, напряжения, которое всегда имеется вследствие флуктуационных изменений режима работы схемы.

Данный режим возникновения незатухающих синусоидальных колебаний называется мягким.

Существует жёсткий режим самовозбуждения, при котором колебания возникают мгновенно (скачкообразно). В этом случае колебательная характеристика и линия обратной связи имеют две точки пересечения, причём колебательная характеристика от точки нуля до первой точки пересечения находится ниже линии обратной связи и колебания на этом участке не возникают, а возникают между точками пересечения с нарастанием амплитуды.

В связи с этим для возникновения колебаний в жёстком режиме в генераторе необходим первоначальный электрический толчок, выводящий рабочую точку электронного прибора за первую точку пересечения этих двух линий.

Этот режим генерации используется в усилителях высокой частоты с вешним возбуждением.