Электроника / Лекция 15

1. Генераторы синусоидальных колебаний

Генераторы, как следует из анализа соотношения (2.39), можно построить на базе усилителя, если его охватить цепью положительной обратной связи, так что для усилителя в качестве входного сигнала используется часть выходного, переданная по этой цепи. Структурная схема такого генератора приведена на рис. 2.35. Эта схема переходит в режим самовозбуждения, если выполняется условие:

≥ 1. (2.43) Знак равенства в этом соотношении соответствует установившемуся генераторному режиму.

Поскольку:

= К е и = ,

где φ и φ - сдвиги фазы напряжения сигнала при усилении и при прохождении цепи обратной связи, то установившийся режим генератора достигается при выполнении следующих условий

Кχ = 1 (2.44)

и

φ + φ = 2 π n, (2.45)

где n = 0, 1, 2…, т.е. целое число.

Рисунок 2.25. Структурная схема Рисунок2.26. Построение для

генератора синусоидальных определения напряжения U_вх0

колебаний на входе усилителя в составе

генератора

Соотношение (2.44), называемое амплитудным условием стационарного режима генератора, соответствует такому режиму, при котором величина напряжения сигнала, поступающего на вход усилителя по цепи обратной связи, обеспечивает его работу с коэффициентом усиления К. Графическое решение уравнения (2.44) иллюстрируется построениями на рис. 2.26, на котором приведена амплитудная характеристика усилителя и прямая 1/χ, учитывающая тот факт, что параметр обратной связи не зависит от напряжения на входе усилителя. Точка пересечения на рис. 2.26 определяет величину напряжения сигнала на входе усилителя U при его работе в составе генератора. Видно, что условие (2.44) может обеспечиваться лишь при работе усилителя в режиме насыщения.

Соотношение (2.45) является фазовым условием стационарного режима генератора или условием баланса фаз. Согласно этому условию сумма фазовых сдвигов напряжения сигнала в усилителе и в цепи обратной связи должна быть кратна 2π, что реализуется при положительной обратной связи.

В схемах генераторов синусоидальных колебаний вводится элемент с частотной зависимостью электрических параметров, которым определяется рабочая частота. Такими элементами являются колебательные LC-контуры и RC-фильтры. Рабочая частота LC-генератора практически совпадает с резонансной частотой контура

f_рез = . (2.46)

Из этого соотношения следует, что при переходе к низким частотам увеличиваются значения емкости и индуктивности контура, а, следовательно, его массо-габаритные параметры. Поэтому LC-контуры используются в генераторах высоких частот, а RC-фильтры – в генераторах низких частот.

2. Генераторы низких частот на ОУ

На базе рассмотренных в разд. 3.2.1 усилителей создаются генераторы синусоидальных колебаний низких частот. С этой целью они охватываются цепью положительной обратной связи. В таких генераторах, как было отмечено в разд. 2.14, в качестве элементов с частотно-зависимыми параметрами используются RC-фильтры.

Рис.3.22. Схема генератора синусоидальных колебаний

низкой частоты, построенного на базе

инвертирующего усилителя

На рис. 3.22 приведена схема генератора низких частот на инвертирующем усилителе. В обратную связь генератора включен трехзвенный Г-образный RC-фильтр, представленный на рис. 3.23,а.

Для инвертирующего усилителя величина фазового сдвига φ = π. Тогда согласно условию (2.45) сдвиг фазы в цепи обратной связи должным быть равным φ = π. Максимальный фазовый сдвиг в одном звене Г- образного RC- фильтра составляет π/2. Поэтому для получения необходимой величины фазового сдвига π используются три звена. Фазо-частотная характеристика такого фильтра приведена на рис. 3.23, б. В данном случае частота, соответствующая фазовому сдвигу, равному π, находится внутри полосы пропускания фильтра. При равенстве сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов в каждом звене фильтра рис. 3.23, а эта частота определяется как:

f = . (3.32)

Рисунок 3.23. Трехзвенный Г-образный RC-фильтр:

а – схема фильтра, б - фазо-частотная (φ_χ )

и амплитудно-частотная (χ) характеристики

На рис. 3.23,б приведена также частотная зависимость коэффициента передачи трехзвенного Г-образного RC- фильтра. На частоте f, определяемой соотношением (3.32), коэффициент передачи χ = 1/29. Поскольку соотношение (3.6) определяет коэффициент усиления инвертирующего усилителя в линейном режиме, а в составе генератора усилитель должен работать в режиме насыщения, то для обеспечения работы генератора сопротивления резисторов R и R должны удовлетворять неравенству

> 29. (3.33)

Резистор R, по существу, входит в состав третьего звена фильтра. Поэтому при расчете частоты генератора по соотношению (3.32) необходимо, чтобы сопротивления резисторов

R = R = R = R ║ R.

В отличие от LC-генераторов в составе генератора, использующего Г-образный RC- фильтр, отсутствует селективный элемент, выделяющий преимущественную частоту. В результате, в генераторах, построенных по схеме рис. 3.22, нельзя рассчитывать на получение высокой стабильности генерируемой частоты.

Рисунок 3.24. Мост Вина: а – схема, б – амплитудно-частотная (χ)

и фазо-частотная (φ) характеристики

Селективными свойствами обладает RC-фильтр, схема которого представлена на рис. 3.24,а, получивший наименование моста Вина. Его амплитудно-частотная и фазо-частотаная характеристики приведены на рис. 3.24,б. На квазирезонансной частоте, определяемой соотношением:

f = (R₁R₂C₁C₂)^-0,5, (3.34)

фазовый сдвиг напряжения сигнала при прохождении фильтра равен нулю, а при R = R, С = С величина коэффициента передачи χ = .

Если мост Вина включается в цепь обратной связи, то в составе генератора должен использоваться неинвертирующий усилитель. На рис. 3.25 приведена схема генератора синусоидальных колебаний, построенного на базе неинвертирующего усилителя рис. 3.7, охваченного обратной связью с мостом Вина. Рабочая частота такого генератора определяется соотношением (3.34). Сопротивления резисторов R и R подбираются с учетом работы неинвертирующего усиления в режиме насыщения. Поэтому согласно соотношению (3.8) и условию (2.44)

R > 2R. (3.35)

Рисунок 3.25. Схема генератора синусоидальных колебаний

на неинвертирующем усилителе с мостом Вина

В рассмотренных схемах как инвертирующий, так и неинвертирующий усилители используют ОУ, охваченный глубокой отрицательной обратной связью, чем обеспечивается высокая стабильность параметров собственно усилителя в составе RC-генераторов. Поэтому нестабильность рабочей частоты определяется, в основном, нестабильностью элементов RC-фильтра обратной связи, и, в первую очередь, их зависимостью от температуры.