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.

АНАЛИЗ РЕЖИМОВ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ. БАЗОВЫЕ СХЕМЫ

Введение

Сравнительный анализ режимов самовозбуждения генератора

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Автогенератор на туннельном диоде

Обобщенная схема трехточечного генератора

Заключение

Литература

Введение

Проведя сравнительный анализ режимов самовозбуждения автогенератора, отметив достоинства и недостатки этих режимов, необходимо акцентировать внимание на совмещении их достоинств в автоматическом смещении путем анализа конкретных схем его обеспечения.

Рассматривая базовые схемы автогенераторов с применением трансформаторов и туннельных диодов, особое внимание следует уделить на понимание курсантами физических процессов, происходящих при самовозбуждении и работе генераторов, а также сделать опору на изученные теоретические основы автоколебаний.

Первый патент на трехточечную схему выдан инженеру американской фирмы "Вестерн электрик" Р. Хартлею (1975 г.), имя которого она носит в радиотехнической литературе. Это индуктивная трехточка. В схеме Хартлея обратная связь изменяется путем перемещения точки присоединения катода по виткам катушки индуктивности контура. В 1918 году инженер той же фирмы Э. Колпитц запатентовал схему лампового генератора с емкостной обратной связью. Схемы Хартлея и Колпитца являются основными схемами автогенераторов и прототипами всех исторически более поздних автогенераторов.

В конце первой мировой войны в ламповой технике генерирования незатухающих колебаний были сделаны попытки использовать внутриламповые емкости. Положительная обратная связь через емкость сетка-анод триода, с которой боролись в радиоприемниках, здесь оказалась полезной. Одна из ранних схем такого типа имела два контура – один в анодной цепи, другой – в сеточной цепи и была эквивалентна индуктивной трехточке. Колебания возникали, когда контуры были несколько расстроены относительно частоты генерации и имели индуктивное сопротивление. Эта схема нашла применение на коротких волнах в радиолюбительской практике 20-х годов. Позднее появились другие варианты двухконтурных генераторов. Важно подчеркнуть, что все они сводились либо к индуктивной, либо к емкостной трехточкам. Принципы построения ламповых генераторов сохранились до наших дней, несмотря на то, что элементная база шагнула далеко вперед (от лампового триода до интегральных микросхем).

Сравнительный анализ режимов самовозбуждения генератора

Проведем сравнительный анализ режимов самовозбуждения, используя при этом различные характеристики автогенератора.

Мягкий режим.

i K (u БЭ) с наибольшей крутизной, то режим самовозбуждения называется мягким.

Проследим за изменениями амплитуды тока первой гармоники в зависимости от величины коэффициента обратной связи К ОС. Изменение К ОС приводит к изменению угла наклона a прямой обратной связи (рис.1)

Рис. 1 Мягкий режим самовозбуждения

При К ОС = К ОС1 состояние покоя устойчиво и генератор не возбуждается, амплитуда колебаний равна нулю (рис. 1 б). Величина К ОС = К ОС2 = К КР является граничной (критической) между устойчивостью и неустойчивостью состояния покоя. При К ОС = К ОС3 > К КР состояние покоя неустойчиво, генератор возбудится, и величина I m 1 установится соответствующей точке А. При увеличении К ОС величина первой гармоники выходного тока будет плавно расти и при К ОС = К ОС4 установится в точке Б. При уменьшении К ОС амплитуда колебаний будет уменьшаться по той же кривой и колебания сорвутся при коэффициенте обратной связи К ОС = К ОС2 < К КР.

В качестве выводов можно отметить следующие особенности мягкого режима самовозбуждения:

Для возбуждения не требуется большой величины коэффициента обратной связи К ОС;

Возбуждение и срыв колебаний происходят при одном и том же значении коэффициента обратной связи К КР;

Возможна плавная регулировка амплитуды стационарных колебаний путем изменения величины коэффициента обратной связи К ОС;

Как недостаток следует отметить большое значение постоянной составляющей коллекторного тока, что приводит к малому значению КПД.

Жесткий режим.

Если рабочая точка находится на участке характеристики i K = f (u БЭ) с малой крутизной S < S MAX , то режим самовозбуждения называется жестким.

Проведем анализ режима (аналогично мягкому режиму самовозбуждения) по колебательной характеристике автогенератора I m 1 = f (U m БЭ) и характеристике I m 1 = f (К ОС), представленных на рисунках 2 а) и б) соответственно.

Рис. 2 Жесткий режим самовозбуждения

Анализируя точки пересечения прямых обратной связи с колебательной характеристикой, приходим к выводу, что возбуждение автогенератора произойдет, когда коэффициент обратной связи превысит величину К ОС3 = К ОСКР. Дальнейшее увеличение К ОС приводит к небольшому увеличению амплитуды первой гармоники выходного (коллекторного) тока I m 1 по пути В-Г-Д. Уменьшение К ОС до К ОС1 не приводит к срыву колебаний, так как точки В и Б устойчивы, а точка А устойчива справа. Колебания срываются в точке А, т. е. при К ОС < К ОС1 , так как точка А неустойчива слева.

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:

Для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи К ОС;

Возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи К ОС;

Амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;

Постоянная составляющая коллекторного тока меньше, чем в мягком режиме, следовательно, значительно выше КПД.

Сравнивая положительные и отрицательные стороны рассмотренных режимов самовозбуждения, приходим к общему выводу: надежное самовозбуждение генератора обеспечивает мягкий режим, а экономичную работу, высокий КПД и более стабильную амплитуду колебаний – жесткий режим.

Стремление объединить эти преимущества привело к идее использования автоматического смещения, когда генератор возбуждается при мягком режиме самовозбуждения, а его работа происходит в жестком режиме. Сущность автоматического смещения рассмотрена ниже.

Автоматическое смещение.

Сущность режима заключается в том, что для обеспечения возбуждения автогенератора в мягком режиме исходное положение рабочей точки выбирается на линейном участке проходной характеристики с максимальной крутизной. Эквивалентное сопротивление контура выбирается таким, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. В процессе нарастания амплитуды колебаний режим по постоянному току автоматически изменяется и в стационарном состоянии устанавливается режим работы с отсечкой выходного тока (тока коллектора), т. е. автогенератор работает в жестком режиме самовозбуждения на участке проходной характеристики с малой крутизной (рис. 3).

Рис. 3 Принцип автоматического смещения автогенератора

Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы путем включения в цепь базы цепочки R Б C Б (рис. 4).

Рис. 4. Схема автоматического смещения за счет тока базы

Начальное напряжение смещения обеспечивается источником напряжения Е Б. При возрастании амплитуды колебаний увеличивается напряжение на резисторе R Б, создаваемое постоянной составляющей базового тока I Б0 . Результирующее напряжение смещения (Е Б - I Б0 R Б) при этом уменьшается, стремясь к Е БСТ.

В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя R Б1 , R Б2 (рис. 5).

Рис. 5. Автоматическое смещение с помощью базового делителя

В этой схеме начальное напряжение смещения

где – ток делителя.

При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы I Б 0 увеличивается и смещение Е Б уменьшается по величине, достигая значения Е БСТ в установившемся режиме. Конденсатор С Б предотвращает короткое замыкание резистора R Б1 по постоянному току.

Следует отметить, что введение в схему генератора цепи автоматического смещения может привести к явлению прерывистой генерации. Причиной ее возникновения является запаздывание напряжения автоматического смещения относительно нарастания амплитуды колебаний. При большой постоянной времени t = R Б С Б (рис. 8.41) колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным – Е Б.НАЧ. Далее смещение начинает изменяться и может оказаться меньше той критической величины, при которой еще выполняются условия стационарности, и колебания сорвутся. После срыва колебаний емкость С Б будет медленно разряжаться через R Б и смещение вновь будет стремиться к Е Б.НАЧ. Как только крутизна станет достаточно большой, генератор снова возбудится. Далее процессы будут повторяться. Таким образом, колебания периодически будут возникать и снова срываться.

Прерывистые колебания, как правило, относятся к нежелательным явлениям. Поэтому очень важно расчет элементов цепи автоматического смещения проводить так, чтобы исключить возможность возникновения прерывистой генерации.

Для исключения прерывистой генерации в схеме (рис. 3) величину C Б выбирают из равенства

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 6).

Рис. 6. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Назначение элементов схемы:

1) транзистор VT p - n - p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;

2) колебательный контур L K C K G Э задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость G Э характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;

3) катушка L Б обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура L К (коэффициент взаимоиндукции М);

4) источники питания Е Б и Е К обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

5) конденсатор С Р разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;

6) блокировочные конденсаторы С Б1 и С Б2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

Физические процессы в генераторе.

При подключении источников питания Е Б и Е К эмиттерный переход смещается в прямом направлении и возникает коллекторный ток i К (t), который в начале замыкается от + Е К через эмиттер – базу – коллектор транзистора и емкость С К на - Е К, поскольку емкость для перепада тока представляет собой короткое замыкание. Конденсатор С К заряжается, а затем начинает разряжаться через элементы контура L K G Э и в контуре возникают свободные колебания. Колебательный ток, проходя через L К, создает ЭДС взаимоиндукции в катушке L Б. Эта ЭДС прикладывается к эмиттерному переходу транзистора через емкость С Б1 и управляет токами базы и коллектора. Переменная составляющая коллекторного тока, протекающая по цепи: коллектор, контур L K C K G Э, эмиттер, база, коллектор, восполняет потери энергии в контуре и, если выполнены условия самовозбуждения, то колебания в нем будут нарастать по амплитуде. Первое условие самовозбуждения называется фазовым и оно достигается тем, что катушка L Б включается встречно катушке L К. В этом случае напряжение на базе U БЭ будет изменяться в противофазе с напряжением на коллекторе (соответственно, и с напряжением на контуре U К) и выходная проводимость транзистора окажется отрицательной. Это означает, что транзистор является источником энергии по переменному току. Но одного фазового условия недостаточно, необходимо еще выполнение амплитудного условия самовозбуждения, т. е. чтобы энергия W (+), поступающая в контур от транзистора, превышала потери энергии W (-) на проводимости G Э. Практически это достигается выбором М > М КР, где М КР – величина М, при которой выполняется равенство W (+) = W (-). Частота генерируемых колебаний примерно равна резонансной частоте контура

поскольку при Q >> 1, величина коэффициента затухания d

Достоинства схемы : возможность плавной, независимой регулировки частоты (путем изменения С К) и амплитуды (путем изменения М) колебаний.

При расчете параметров генератора необходимо определить частоту генерируемых колебаний, резонансную частоту контура, добротность контура, а также выполнение амплитудного и фазового условия самовозбуждения.

Пример

Автогенератор с трансформаторной обратной связью (рис. 6) имеет параметры контура L K = 3 мкГн, С К = 90 пФ, G Э = 25 Ом.

Определить частоту собственных затухающих колебаний колебательного контура w 1 , резонансную частоту w 0 и добротность Q колебательного контура.

Решение задачи.

Поскольку включение катушек L Б и L K произведено встречно, что обеспечивает противофазное изменение напряжений на базе и коллекторе транзистора, то фазовое условие самовозбуждения выполнено. Амплитудное условие самовозбуждения будет достигнуто выбором М > М КР.

Для определения режима свободных колебаний в контуре рассчитаем его параметры.

Частота собственных колебаний контура определяется выражением

Для ее определения вычислим резонансную частоту контура и коэффициент затухания контура:

Добротность контура вычислим по формуле

Как видно из приведенных расчетов, частота собственных колебаний и резонансная частота контура, при добротности Q >> 1, практически совпадает (квазиколебательный режим), что подтверждает теоретические положения.

Автогенератор на туннельном диоде

Исторически туннельные диоды появились значительно позже, чем транзисторы и лампы. Малые габариты и вес, высокая надежность и экономичность обусловили быстрое расширение области их применения. Вольт-амперная характеристика у туннельного диода – типа N (рис. 7). Поэтому схема автогенератора получается просто: к диоду подключают параллельный контур по переменному току (рис. 8.44 б), а режим по постоянному току выбирают так, чтобы рабочая точка О оказалась на падающем участке характеристики (рис. 7).

Рис.7. Вольт-амперная характеристика и схема генератора на туннельном диоде

Режим по постоянному току должен обеспечиваться с учетом внутреннего сопротивления источника R i . Для этого необходимо решить систему двух уравнений:

Графическое решение системы показано на рисунке 8.44 а.

Рассмотрим два случая.

В первом случае, при крутизне наклона характеристики |S (U 0)| > 1/R i , существует три возможных состояния, удовлетворяющих уравнениям системы – точки А, О, Б. Анализ, с учетом емкости самого диода, показывает, что только точки А и Б, расположенные на нарастающих участках характеристики, являются устойчивыми. Если точка покоя (точка О) находится на участке характеристики с отрицательным наклоном, то состояние схемы будет неустойчивым и рабочая точка самопроизвольно смещается в одно из крайних положений (в точку А или точку Б).

Во втором случае, при крутизне наклона характеристики |S (U 0)| < 1/R i , существует лишь одно состояние, удовлетворяющее уравнениям – точка О. Оно оказывается устойчивым и поэтому рабочая точка может быть установлена на любом участке вольт-амперной характеристики с отрицательной крутизной, следовательно, фазовое условие самовозбуждения выполняется. Амплитудное условие самовозбуждения будет выполнено, если |S (U 0)| > G Э, где G Э – проводимость контура в точках подключения диода.

Частота колебаний равна

и может изменяться с помощью С К. Амплитуда колебаний изменяется путем изменения точки подключения диода к колебательному контуру. Если катушки L 1 и L 2 не связаны единым магнитным полем, то коэффициент включения контура равен

Если же катушки L 1 и L 2 образуют единую катушку с общим магнитным полем, то диод подключается к индуктивной ветви с коэффициентом включения, равным

где n 1 и n 2 – число витков в частях катушки, обозначенных на схеме L 1 и L 2 .

Блокировочная емкость С Б выбирается из условия

Достоинства схемы:

1) способность работать в очень широком диапазоне частот (от единиц килогерц до десятков гигагерц);

2) высокая стабильность параметров при изменении температуры в широких пределах;

3) низкий уровень собственных шумов;

4) малое потребление энергии от источников питания;

5) длительный срок службы;

6) малая чувствительность к воздействию радиации.

Недостаток схемы – малая выходная мощность, что обусловлено малыми интервалами токов и напряжений в пределах падающего участка характеристики (с отрицательной крутизной). Например, генератор на одном туннельном диоде с пиковым током до 10 мА обеспечивает мощность, не превышающую единиц милливатт. Для получения большей мощности необходимо применять диоды с большими пиковыми токами.

Обобщенная схема трехточечного автогенератора

Кроме схемы автогенератора с трансформаторной обратной связью существуют так называемые трехточечные схемы автогенераторов синусоидальных колебаний. В них нет катушек связи и положительная обратная связь достигается автотрансформаторным (потенциометрическим) подключением цепи обратной связи к контуру, т. е. обратная связь реализована с помощью реактивных делителей напряжения емкостного или индуктивного типа.

В трехточечном автогенераторе активный прибор (лампа или транзистор) подключается к колебательному контуру в трех точках. Изобразим обобщенную схему замещения трехточечного генератора по переменному току, которая будет справедлива для любого генератора такого типа (рис. 8).

Рис. 8. Обобщенная схема замещения трехточечного автогенератора

Контур состоит из двухполюсников , , , которые обычно имеют столь малые потери, что можно считать их чисто реактивными:

Обобщенная схема содержит усилитель с коэффициентом усиления

и нагрузкой в виде контура Х 1 Х 2 Х 3 , а также цепь обратной связи, передающую часть выходного напряжения усилителя обратно на его вход с коэффициентом передачи

Поскольку

Фаза коэффициента усиления j К в схеме с общим эмиттером (катодом) на резонансной частоте контура равна 180°, так как сопротивление контура на этой частоте чисто активно, а усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал. Следовательно, для выполнения фазового условия самовозбуждения генератора j К + j b = 360° необходимо, чтобы j b = 180°. Это будет выполняться, если b будет действительной и отрицательной величиной. В соответствии с (8.40) можно утверждать, что это будет выполняться при двух условиях:

1) Х 1 и Х 3 должны быть разного знака (разного характера реактивности);

2) |Х 3 | > |X 1 |.Частота генерируемых колебаний равна резонансной частоте контура, так как фазовое условие будет выполняться только на этой частоте. Из условия резонанса в контуре Х 1 + Х 2 + Х 3 = 0 следует, что Х 2 должен иметь знак, одинаковый с Х 1 и тогда

Таким образом, можно сформулировать правило построения трехточечного генератора: между общим и управляющим, общим и выходным электродами усилительного элемента должны быть включены реактивные элементы одинакового характера реактивности, а между управляющим и выходным электродами – элемент противоположного характера реактивности.

Соблюдение данного правила гарантирует выполнение фазового условия самовозбуждения генератора.

Если реактивные двухполюсники являются одноэлементными, то возможны всего два варианта трехточечных генераторов (рис. 9).

Рис. 9. Схемы трехточечных генераторов

Схему, представленную на рисунке 9, а называют индуктивной трехточкой, а на рисунке 8.46, б – емкостной трехточкой.

Все вышеприведенные рассуждения и выводы справедливы и для трехточечных автогенераторов, собранных на лампе. Нетрудно изобразить и аналогичные схемы индуктивной и емкостной трехточки.

Следует подчеркнуть, что двухполюсники , , , входящие в контур, могут быть получены как полные сопротивления сколь угодно сложных схем (например, колебательных контуров), важно лишь, чтобы на частоте генерируемых колебаний они создавали нужную реактивность. В схемах автогенераторов могут отсутствовать конденсаторы колебательных контуров, так как вместо них используются междуэлектродные емкости.

Заключение

Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Появление новых схем обусловлено желанием улучшить те или иные свойства имеющихся схем. Например, желание получить возможность независимой регулировки частоты и амплитуды колебаний на всех более высоких частотах вместе с определенными конструктивными удобствами, получить более высокую стабильность частоты и т. д. Однако одновременного улучшения всех свойств, как правило, достичь не удается в силу их противоречивости, поэтому приходится отдавать предпочтение той или иной схеме в зависимости от условий применения.

Литература:

1. Богданов Н. Г., Лисичкин В. Г. Основы радиотехники и электроники. Часть 8, 2000г..

2. Никольский И. Н., Хопов В. Б., Варокосин Н. П., Григорьев В. А., Колесников А. А. Нелинейные радиотехнические устройства связи. 1972.

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.

Если в автогенераторе с индуктивной обратной связью и колебательной характеристикой, плавно увеличивать М, то, начиная с критического значения М кр, амплитуда стационарного колебания, будет плавно возрастать.

Такой режим самовозбуждения называется легким.

Для получения легкого режима необходимо, чтобы колебательная характеристика выходила из нулевой точки и имела достаточно большой наклон в области малых амплитуд. Все эти требования выполняются при использовании автоматического смещения. При использовании принудительного (внешнего) смещения колебательная характеристика принимает вид:

Для возникновения колебаний в данном случае требуется очень сильная обратная связь (линия ОА, взаимоиндукция М 1).

После того как колебания установились связь можно ослабить до значения М 2 , при котором линия связи занимает положения ОВ. При дальнейшем ослаблений связи колебания срываются. Для восстановления колебаний М, соответствующего линии связи ОА. Такой режим самовозбуждения называется жестким.

Назначения, классификация и принципы построения систем синхронизации.

В большинстве случаев нормальное функционирование различных систем передачи информации требует обеспечения определенной синхронизации работе передающей и приемной аппаратуры. Эта функция возлагается обычно на специальные системы синхронизации. От помехоустойчивости и качества их работы зависит их помехоустойчивость и качество работы системы передачи в целом. Системы синхронизации формируют на приемной стороне специальные синхронизирующие сигнала, синхронные с соответствующими сигналами, формируемыми на предающей стороне с учетом искажений, появившихся при распространении сигналов по каналу передачи.

Все многообразие задач, состоящих перед системами синхронизации, можно разделить на два больших класса: синхронизация различного рода коммутаторных устройств с целью обеспечения временного разделения сигналов (в системах с временным разделением каналов), синхронизация работы устройств приема и обработки с целью повышения их помехоустойчивости (при приеме сигналов со случайными параметрами).

Реальные каналы передачи являются каналами с переменными параметрами.

Оптимальный прием сигналов со случайными параметрами требует оценки (измерения) существенных параметров (частоты, времени запаздывания, фазы) таких сигналов. Эти измерения и возлагаются на системы синхронизации.

Системы синхронизации классифицирует по различным признакам. Все практические задачи синхронизации в системах передачи можно обеспечить тремя системами синхронизации: высокочастотный, поэлементной (тактовой), групповой.

Задача высокочастотной синхронизации обычно возникает при использовании додетекторной корреляционной обработки сигналов. В этом случае в точке приема необходимо получить образцы высокочастотных сигналов, частоты которых в любой момент времени должны быть ровны или близки частотам несущих или поднесущих принимаемых сигналов. В случае когерентной обработки это равенство должно выполнятся с точностью до фазы.

Задача поэлементной (тактовой) синхронизации состоит в обеспечении на приемной стороне фиксации временных границ элементных сигналов, соответствующих наименьшему подлежащему фиксации временному интервалу, формируемому на передающей стороне. Формирование таких сигналов может быть необходимой для обеспечения оптимальной после детекторной обработки сигналов и разделения сигналов по своим каналам.

В аналоговых системах передачи такими элементарными сигналами обычно являются канальные интервалы (интервалы времени, отводимые для передачи по одному каналу), а в цифровых системах – элементарные информационные символы.

Групповая синхронизация должна обеспечивать фиксацию временных границ определенных групп, элементарных сигналов, например слов, циклов, кадров и т. п.

В некоторых системах могут одновременно действовать все три указанных вида подсистем.

Синхросигналы высокочастотной Ии поэлементной синхронизации обычно имеют периодическую структуру. Синхросигналы групповой синхронизации могут, быть как периодическими, так и образовывать случайный поток. В цифровых системах передачи с циклическим и периодическим опросом, когда могут действовать все три указанных вида синхронизации, частоты всех перечисленных видов синхронизации могут выбираться кратными друг друга.

Например каждый кадр(группа посылок) содержит n 1 слов каждое слово состоит из n 2 символов, а каждый символ длится только n 3 периодов высокочастотного несущего или поднесущего. В этом случае все виды синхронизации можно осуществить после того, как будет установка синхронизация по кадрам.

Режим самовозбуждения, при котором после включения источника питания колебания плавно нарастают, называется мягким самовозбуждением, если же для возбуждения колебаний требуется какое-либо дополнительное воздействие, то такой режим называется жестким.

Рис. 13.2. Изменение крутизны при мягком режиме самовозбуждения

Реализации мягкого режима самовозбуждения можно достичь путем соответствующего выбора напряжения смещения на участке вольтамперной характеристики транзистора с большой крутизной.

Этому режиму соответствует зависимость S=f(U mб) следующей формы, показанной на рис. 13.2.

На этом же рис. проведена прямая
. Для точки пересечения графиков выполняется уравнение баланса амплитуд и установившаяся амплитуда колебания равна
. При мягком режиме стационарный режим оказывается устойчивым, режим покоя – неустойчивым. Поэтому происходит самовозбуждение автогенератора.

Для жесткого режима характерным является то, что малые колебания на входе транзистора не могут вызвать самовозбуждения автогенератора; самовозбуждение возможно только при большой начальной амплитуде напряжения. Такой режим реализуется путем подачи на УЭ запирающего напряжения смещения, при котором малые амплитуды входного напряжения не могут вызвать тока в выходной цепи УЭ.

Для этого режима характерна следующая зависимость S=f(U mб), показанная на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Изменение крутизны при жестком режиме самовозбуждения

Режим, соответствующий амплитуде колебаний
, устойчив, а режим, соответствующий амплитуде
, неустойчив.

13.3. Эквивалентные трехточечные схемы автогенератора

Простейшими по конфигурации автогенераторами являются автогенераторы, работающие по трехточечной схеме. В таких автогенераторах транзистор тремя своими выводами присоединяют к трем точкам колебательного контура, состоящего из трех реактивных элементов.

Обобщенная трехточечная схема автогенератора изображена на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Обобщенная эквивалентная схема автогенератора

Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы:

В зависимости от того, какие реактивные элементы количественно преобладают в контуре, различают автогенераторы, построенные по схеме индуктивной (рис. 13.5) и емкостной (рис. 13.6) трехточки.

Индуктивная трехточка:

Рис. 13.5. Индуктивная трехточка

,
,
.

Емкостная трехточка:

Рис. 13.6. Емкостная трехточка

- частота генерируемых колебаний.

,
,
.

Коэффициент обратной связи через элементы трехточечной схемы:

.

Для индуктивной трехточки:
.

Для емкостной трехточки:
.

Схема Клаппа

В модифицированной схеме емкостной трехточки достигается более высокая стабильность частоты (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Схема Клаппа

Введение конденсатора С 3 уменьшает коэффициент включения транзистора в контур, снижая дестабилизирующее влияние его параметров на частоту автогенератора.

, где
.

Во всех схемах контур включен частично в коллекторную цепь транзистора.

Коэффициент включения контура в цепь коллектора:

Эквивалентное сопротивление цепи коллектора:
.