Глава 9. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

9.1. АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию питания в энергию колебаний. Независимо от схемы и назначения автогенератор должен иметь источник питания, усилитель и цепь обратной связи. Из приведенных в гл. 5 сведений следует, что обратная связь должна быть положительной.

Настоящая глава в основном посвящена изучению явлений в автогенераторах, используемых для получения высокочастотных гармонических колебаний. В качестве усилительных элементов в подобных генераторах используются транзисторы, электронные лампы и другие аналогичные приборы, а в качестве цепей нагрузки — колебательные цепи с сосредоточенными или распределенными параметрами.

Автогенератор, находящийся в стационарном режиме, представляет собой обычный нелинейный усилитель, для возбуждения которого используются колебания, вырабатываемые в самом генераторе; колебания с выхода усилителя подаются на его вход по цепи обратной связи. Если амплитуда и фаза возбуждения отвечают определенным условиям, то в энергетическом отношении автогенератор ведет себя так же, как и генератор с внешним возбуждением. Однако генератор с самовозбуждением имеет существенные особенности. Частота и амплитуда автоколебания в стационарном режиме определяются только параметрами самого генератора, между тем как в генераторе с внешним возбуждением частота и амплитуда колебаний навязываются возбудителем. Кроме того, в случае самовозбуждения большое значение имеет механизм возникновения колебаний при запуске автогенератора.

Все эти особенности можно выявить, рассматривая поведение автогенератора в процессе нарастания колебаний от момента запуска до полного установления стационарного состояния. Можно наметить следующую картину. В момент запуска в колебательной цепи автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, электрическими флуктуациями и т. д. Благодаря положительной обратной связи эти первоначальные колебания усиливаются, причем на первом этапе, пока амплитуда мала, усиление практически линейно и цепь можно рассматривать как линейную.

Рис. 9.1. Структурная схема автогенератора

Энергетически процесс нарастания амплитуд объясняется тем, что за один период колебания усилитель передает в нагрузку энергию, большую той, которая расходуется в ней за это время. С ростом амплитуд начинает проявляться нелинейность устройства (кривизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление уменьшается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке. При этом энергия, отдаваемая усилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это же время в нагрузке.

Таким образом, на последнем этапе установления колебаний основную роль играет нелинейность цепи, без учета которой нельзя определить параметры стационарного режима автогенератора.

Любой автогенератор высокочастотных колебаний в стационарном режиме можно представить в виде схемы, показанной на рис. 9.1 обозначает частоту генерации). На этой схеме автогенератор изображен в виде сочетания трех четырехполюсников: одного нелинейного, безынерционного, и двух линейных. Нелинейный четырехполюсник соответствует усилительному элементу (транзистор, туннельный диод и т. д.), первый из линейных четырехполюсников — колебательной цепи автогенератора, а второй — цепи обратной связи. Подобное представление автогенератора справедливо для систем с внешней обратной связью.

В § 9.8 будут рассмотрены примеры автогенераторов, механизм работы которых приводит к внутренней обратной связи, требующей несколько иной трактовки обобщенной схемы.

Усилительный элемент совместно с избирательным четырехполюсником, обеспечивающим фильтрацию (подавление) высших гармоник, представляет собой обычный нелинейный усилитель, развивающий на выходе гармоническое напряжение. В общем случае усиление зависит как от частоты (из-за избирательности четырехполюсника), так и от амплитуды (из-за нелинейности усилительного элемента). Коэффициент усиления этого устройства обозначим через Очевидно, что

При фиксированной частоте является функцией только амплитуды .

Коэффициент передачи линейного четырехполюсника обратной связи, который в дальнейшем будем называть просто коэффициентом обратной связи, можно выразить через амплитуды

Но напряжение снимаемое с выхода четырехполюсника обратной связи, есть одновременно напряжение действующее на входе усилителя. Следовательно,

Сравнивая это выражение с (9.1), приходим к выводу, что в стационарном режиме автогенератора (когда только и можно пользоваться методом комплексных амплитуд) коэффициенты и являются взаимно обратными величинами:

Представим комплексные функции в форме

Тогда последнее равенство распадается на два условия:

Условие (9.2) называют условием баланса амплитуд: из него следует, что в стационарном режиме полное усиление на генерируемой частоте при обходе кольца обратной связи равно единице.

Так как коэффициент передачи линейного четырехполюсника Кос не зависит от амплитуды колебаний, то выражение (9.2) можно использовать для определения установившейся амплитуды колебания при заданном . Именно когда уменьшаясь с ростом амплитуды (из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усилительного элемента), достигает значения дальнейший рост амплитуды, как указывалось ранее, прекращается. Это поясняется рис. 9.2. Стационарная амплитуда определяется как абсцисса точки пересечения графика с горизонталью, проведенной на уровне Кроме того, выражение (9.2) можно использовать для определения коэффициента обратной связи, требуемого для поддержания определенной амплитуды при заданной функции .

Условие (9.3) называют условием баланса фаз. Из него следует, что в стационарном режиме автоколебаний полный фазовый сдвиг при обходе кольца ОС равен (или кратен) . Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний .

Для установления перечисленных общих свойств автогенератора нам не требовалось уточнять ни тип усилительного элемента, ни вид схемы автогенератора. Это объясняется тем, что мы ограничились рассмотрением стационарного режима автогенератора. Для выяснения же механизма возникновения колебаний, а также механизма установления стационарного режима необходимо исходить из конкретного электронного прибора и конкретной схемы автогенератора.

Рис. 9.2. К определению стационарной амплитуды автоколебания

Отметим одно важное требование, предъявляемое к автогенератору, предназначенному для устройств передачи информации: вырабатываемое им колебание должно быть строго монохроматическим (в отсутствие модуляции). Любое нарушение монохроматичности, проявляющееся в паразитном изменении амплитуды, частоты или фазы колебания, может служить причиной возникновения помех в канале радиосвязи.

Требование монохроматичности включает в себя также и требование стабильности частоты автоколебания.