Автогенератор в виде усилителя с положительной обратной связью

Как показано в разделе 5.3, в усилителе (коэффициент передачи ) с обратной связью () при положительной обратной связи (j _Кус+ j _b=2pn) возникает возбуждение при из-за нуля в знаменателе в выражении для общего коэффициента усиления (5.2).

Таким образом, условие самовозбуждения состоит в выполнении двух равенств:

j _Кус+ j _b=2pn – баланс фаз (6.1),

- баланс амплитуд (6.2).

На каких частотах выполняются условия (6.1) и (6.2), на таких частотах и будут генерироваться колебания.

Рис.6.1. LC автогенератор на транзисторе.

В реальных автогенераторах в качестве усилительных элементов используют электронные лампы, транзисторы и операционные усилители в интегральном исполнении (ИМС). В узкополосных цепях применяют резонансные LC -контуры и частотно-зависимые (фазирующие) RC -цепи.

Схема автогенератора с LC – контуром в коллекторной цепи транзистора и трансформаторной обратной связью приведена на рис.6.1. Вторичная обмотка трансформатора включается встречно первичной обмотки, чтобы получить j _b = p. Значение модуля b определяется отношением числа витков трансформатора и коэффициента связи обмоток.

Коэффициент усиления резонансного усилителя равен:

(6.3).

Здесь S – крутизна характеристики ток коллектора – напряжение базы транзистора (рис.6.2). При работе транзистора в нелинейном режиме вместо крутизны подставляется средняя крутизна для первой гармоники, определяемая углом отсечки:

(6.4).

Q _экв - эквивалентная добротность контура, учитывающая параллельные контуру сопротивления: нагрузки, цепи обратной связи и внутреннее сопротивление транзистора.

- характеристическое сопротивление, w ₀ = (LC)^-1/2 – резонансная частота. Только на резонансной частоте w = w ₀ получим j _ус=p и выполнение баланса фаз j _ус+ j _b=2p.

Рис.6.2. Характеристика транзистора а) и зависимость коэффициента усиления на резонансной частоте от напряжения на входе в режиме «А» – б) и «В» – в).

На резонансной частоте ½ К _ус½= S _ср Q _экв r и определяется крутизной характеристики S _ср в рабочей точке, положение которой определяется делителем R ₁ R ₂. При положении рабочей точки в начале характеристики (режим А) начальная крутизна близка к нулю и баланс амплитуд (6.2) не выполняется. Для самовозбуждения генератора необходим первоначальный толчок, обеспечивающий получение начальной амплитуды, большей U _min (жесткий режим самовозбуждения). Такая начальная амплитуда колебаний может быть получена для маломощных генераторов простым включением за счёт нестационарных процессов. Для запуска мощных генераторов применяют вспомогательный пусковой генератор. После запуска точка U > U _min, является неустойчивой из-за превышения условия , колебания быстро увеличиваются до установившегося стационарно устойчивого режима U _max снова соответствующему значению .

Жесткий режим самовозбуждения является экономичным из-за минимума постоянного тока I ₀, однако в нём, кроме трудности с самовозбуждением также трудна регулировка амплитуды установившихся колебаний.

При выборе рабочей точки в положении «В» (мягкий режим самовозбуждения) генератор начнёт самовозбуждаться сразу при включении питания. Амплитуда установившихся колебаний может плавно регулироваться изменением коэффициента обратной связи b. Однако, в мягком режиме имеются большие потери на постоянный ток.

На практике часто используют смешанный режим (рис.6.3).

Рис.6.3. Смешанный режим самовозбуждения: а) однотактная схема; б) процесс автоматического смещения рабочей точки; в) двухтактная схема.

Здесь рабочая точка устанавливается в режим «В» и вначале имеем мягкий режим возбуждения. Однако с увеличением амплитуды колебаний растёт постоянный ток базы через сопротивление R _б заряжая ёмкость С _б и смещая рабочую точку в режим А (рис.6.3 б). В мощных генераторах применяют двухтактную схему с двумя транзисторами (или лампами), связанными положительной обратной связью (рис.6.3 в). Транзисторы поочерёдно подхватывают колебания в контуре, при этом чётные высшие гармоники подавляются.

Существует большое количество различных схем LC – генераторов с транзисторами или электронными лампами в качестве усилительных элементов. Они различаются включением колебательного контура и типом связи с усилительным элементом. На рис.6.4.а) приведена схема автогенератора на трёхэлектродной лампе (триоде) со связью от части индуктивности (индуктивная трёхточка). Частота генерации подстраивается с помощью переменного конденсатора С. Величина напряжения связи подбирается соотношением полного числа витков катушки индуктивности и количества витков от начала до отвода. Блокирующая индуктивность L _б >> L препятствует шунтирующему действию источника питания на частоте генерации, а блокирующий конденсатор С _б>> C – шунтированию по постоянному току. Переменное напряжение связи подаётся на сетку со сдвигом на p. На рис.6.4.б показана схема ёмкостной трёхточки. Она отличается тем, что напряжение связи регулируется подбором соотношения делителя С ₁ и С ₂, а частота генерации устанавливается катушкой переменной индуктивности L. Кроме того, добавлен резистор в цепи сетки, препятствующий накоплению заряда на сетке. На рис.6.4.в) показана схема с трансформаторной связью контура и усилительного элемента. В таких схемах важно правильное подключение выводов катушек (начало обозначено точкой).

Рис.6.4.

Аналогичные типы генераторов реализуются и на транзисторах. На рис.6.5 приведены две схемы индуктивной и ёмкостной трёхточки. Отличие от схем на электронных лампах состоит необходимости применения делителя напряжения R ₁ R ₂ для установки тока покоя базы и развязывающего конденсатора С _св. В индуктивной трёхточке применено последовательное питание контура и транзистора, а в ёмкостной параллельное.

Рис.6.5.

Настройку LC -генератора на требуемую частоту осуществляют обычно изменением небольшой емкости дополнительного конденсатора, включенного параллельно основному конденсатору резонансного контура. В современных автогенераторах для изменения частоты колебаний применяют варикапы и подстройку, или даже перестройку частоты, производят с их помощью электронным способом.