9.11. RC-ГЕНЕРАТОРЫ

Генераторы с колебательным LC-контуром эффективны для получения высокочастотных колебаний. Для генерирования же низких (звуковых частот) они неудобны из-за конструктивных недостатков (колебательный контур получается слишком громоздким и трудно перестраиваемым). В связи с этим для получения гармонических колебаний в диапазоне от нескольких герц до нескольких десятков килогерц широко распространены, особенно в измерительной технике, С-генераторы.

Один из возможных вариантов схемы RС-генератора представлен на рис. 9.35. Отличие RС-генератора от LC-генератора заключается в том, что вместо усилителя с колебательным контуром здесь применен резистивный усилитель, а обратная связь осуществляется при помощи специального четырехполюсника, составленного из резисторов и конденсаторов.

Схема на рис. 9.35 соответствует усилителю с фазовым сдвигом напряжения на 180 относительно (например, однокаскадному транзисторному усилителю с ОЭ). Для генерации на заданной частоте необходимо, чтобы сумма фазовых сдвигов при обходе замкнутого кольца обратной связи равнялась и, кроме того, чтобы коэффициент усиления К у являлся величиной, обратной [см. (9.3)]. Следовательно, обведенный на рис. 9.35 штриховой линией четырехполюсник обратной связи должен обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг на .

Нетрудно выявить требования, предъявляемые к элементам этого четырехполюсника. Придерживаясь обозначений рис. 9.35, составляем систему уравнений

Рис. 9.35. Однокаскадный вариант RС-генератора

Рис. 9.36. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики четырехполюсника обратной связи в схеме на рис. 9.35

Решая эту систему, находим

Так как напряжение на выходе четырехполюсника обратной связи (отсчитываемое по направлению тока 13) равно то коэффициент обратной связи

Аргумент и модуль функции представлены на рис. 9.36.

Из выражения (9.58) следует, что фазовый сдвиг получается при частоте, отвечающей условию

Следовательно, генерация возможна на частоте

Между модулем и аргументом передаточной функции рассматриваемого четырехполюсника существует однозначная связь. Подставляя найденное значение в выражение (9.58), находим модуль

Итак, произведение RC определяет частоту генерации и одновременно коэффициент обратной связи. Это означает, что показанный на рис. 9.35 усилитель должен обеспечивать усиление

При разбиении произведения RC на множители имеется значительная свобода, облегчающая выбор удобных величин R и С. Необходимо лишь обеспечивать условие , где — резистор нагрузки усилителя, так как только при этом условии усиление не зависит от R.

Ступенчатое изменение частоты генератора в широком диапазоне осуществляется с помощью набора переключаемых резисторов и конденсаторов, а плавная настройка в каждом из поддиапазонов — с помощью конденсаторов переменной емкости.

На рис. 9.37 изображена схема иного варианта -генератора, в котором необходимый для генерации баланс фаз обеспечивается в самом усилителе, например, применением двух каскадов, каждый из которых поворачивает фазу на 180°. Назначение же вспомогательной цепи заключается в том, чтобы по возможности сузить полосу частот, в которой обеспечивается баланс фаз.

Для определения соотношений между исходим из передаточной функции четырехполюсника обратной связи:

В данном случае частота, на которой возможна генерация, определяется условием

откуда

где — постоянные времени цепей соответственно .

Обычно применяются одинаковые резисторы и конденсаторы . При этом частота генерации и выражение (9.59) принимает вид

где

Графики модуля и аргумента функции при выбранных параметрах представлены на рис. 9.38. Существенно, что на любой частоте генерации . Независимость от частоты обеспечивающая неизменность режима работы генератора во всем частотном диапазоне, подтверждает целесообразность выбора При упрощается, кроме того, конструкция спаренного конденсатора переменной емкости, используемого для плавной перестройки генератора.

Преимуществом рассматриваемой схемы перед схемой, показанной на рис. 9.35, является также меньшее число перестраиваемых элементов.

Существуют и другие разновидности схем RС-генераторов, однако приведенных примеров достаточно для уяснения принципа построения автогенераторов с апериодическими цепями нагрузки и обратной связи.

Рис. 9.37. Двухкаскадный вариант RС-генератора

Рис. 9.38. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики четырехполюсника обратной связи в схеме на рис. 9.37

К качеству конденсаторов и резисторов, входящих в четырехполюсник обратной связи любого С-генератора, необходимо предъявлять жесткие требования, так как нестабильность R или С при изменении температуры приводит к изменению частоты генератора. Конденсаторы должны иметь высокое сопротивление изоляции (малую утечку), так как в противном случае в области очень низких частот шунтирующее действие утечки будет влиять на фазовые соотношения в четырехполюснике.

Остановимся на некоторых особенностях механизма ограничения амплитуды автоколебания в RС-генераторе. Этот вопрос тесно связан с вопросом о фюрме генерируемых колебаний.

В рассмотренных ранее LC-автогенераторах ограничение обусловлено уменьшением крутизны при увеличении амплитуды колебаний; стационарный режим наступает, когда коэффициент усиления уменьшается до значения Однако в данном случае нельзя допускать установления значительной амплитуды, так как это неизбежно приведет к искажению формы генерируемых колебаний за счет появления гармоник тока. В отличие от генераторов с колебательным контуром в -генераторах отсутствует достаточно сильная фильтрация высших гармоник. Таким образом, получается противоречие между требованием неискаженной формы колебаний (малые амплитуды) и требованием надежного ограничения (большие амплитуды). Для устранения этого противоречия в -генераторы обычно вводят инерционную нелинейность в виде терморезистора, сопротивление которого изменяется в зависимости от степени нагрева проходящим через него током. В качестве терморезистора может быть использована обыкновенная лампа накаливания.

Включение терморезистора показано на рис. 9.35 и 9.37. Подразумевается, что обратная связь, обусловленная введением в схему отрицательна. Например, в транзисторном усилителе с ОЭ резистор включается в цепь эмиттера.

Отрицательная обратная связь (по току) частично компенсирует положительную обратную связь, осуществляемую с помощью четырехполюсника Кос Действительно, в рассматриваемом примере напряжение, создаваемое на переменной составляющей коллекторного тока, направлено от эмиттера к заземленной шине, а напряжение положительной обратной связи — от базы к этой шине (см. рис. 9.35). Следовательно, результирующая разность потенциалов база — эмиттер является разностью между вторым и первым напряжениями. Коэффициент обратной связи , понимаемый как отношение результирующего напряжения база — эмиттер к напряжению коллектор — эмиттер, зависит от При увеличении амплитуды колебания и соответственно тока через терморезистор его сопротивление увеличивается и уменьшается. При уменьшении амплитуды колебания, наоборот, уменьшается и возрастает.

Таким образом, ограничение обусловлено не уменьшением средней крутизны и коэффициента усиления при увеличении амплитуды колебания, а уменьшением Стационарный режим устанавливается, когда наступает равенство Получается автоматическое регулирование амплитуды колебания на определенном уровне, зависящем в основном от нелинейности характеристики термосопротивления. Так как при изменении тока из-за тепловой инерции изменяется относительно медленно, то в пределах одного периода генерируемых колебаний практически постоянно. Это означает, что изменение не вносит нелинейных искажений и не нарушает синусоидальной формы колебаний. Аналогично действие в схеме, показанной на рис. 9.37.

RC-генератор является маломощным. Для получения значительной мощности RС-генератор обычно дополняют одной или двумя ступенями усиления.