13.1 Цепочный rc-автогенератор

Рисунок 13.1 – Структурная схема цепочного RC-автогенератора.

Низкочастотный усилитель в пределах полосы пропускания имеет постоянный коэффициент усиления и постоянный фазовый сдвиг 180° между входным и выходным напряжениями. Форма генерируемых колебаний в таком генераторе оказывается зависящей от частотных характеристик цепи обратной связи. Если АЧХ и ФЧХ цепи обратной связи равномерны в полосе частот, равной или превышающей полосу пропускания усилителя, то при выполнении условий БА и БФ в полосе пропускания усилителя, на выходе генератора будут наблюдаться колебания, отличающиеся по форме от гармонических. Если ФЧХ цепи обратной связи такова, что для одной частоты создаются преимущественные условия (фазовый сдвиг 180° между входным и выходным напряжениями), тогда условие БФ будет соблюдаться только для этой частоты, и в такомRC-генераторе возникнут гармонические колебания с частотой .

Для развития процесса самовозбуждения генератора необходимо выбрать коэффициент чуть-чуть больше. Тогда при подключении генератора к источнику питания малейшие колебания на частотечерез цепь ПОС будут поступать на вход усилителя, а т.к., то эти колебания будут усиливаться усилителем чуть больше, чем ослабляться цепью ПОС. Поэтому с каждым циклом амплитуда колебаний на частотебудет возрастать. При достижении амплитудой величины напряжения насыщенияза счет нелинейности амплитудной характеристики коэффициент усиления становится, и на выходе генератора будут установившиеся колебания частотойи постоянной амплитуды. При этом искажения формы гармонического колебания (срез амплитуды) будет минимальным.

Рисунок 13.2 – Временная диаграмма возбуждения генератора.

Для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180° в цепь ПОС включается фазосдвигающая цепь (ФСЦ), состоящая из нескольких (обычно трех или четырех) фазосдвигающих RC-звеньев.

Рисунок 13.3 – Принципиальная схема (а) и векторная диаграмма (б)

фазосдвигающего звена.

Практически элементы RC-звена подбираются так, чтобы . В зависимости от включения схемы ФСЦ называют R-параллель или С-параллель.

Рисунок 13.4 – Трехзвенная ФСЦ: R-параллель и С-параллель.

Частота генерируемых колебаний автогенератора соответствует частоте, при которой сдвиг фаз между напряжениями идостигает 180°:

- R-параллель; - С-параллель.

Требуемый для обеспечения самовозбуждения коэффициент усиления усилителя , где- коэффициент передачи цепи ПОС на частоте генерации.

Рисунок 13.5 – Принципиальная схема RC-автогенератора с трехзвенной ФСЦ:

R1R2 – делитель напряжения. Обеспечивает режим по постоянному току;

R4C1 – элементы температурной эмиттерной стабилизации рабочей точки;

R3 – нагрузка однокаскадного усилителя на транзисторе VT, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ);

С2 – С4, R5 – R7 – элементы ФСЦ. R5 – R7 должны быть много больше, чем R3, чтобы не уменьшать коэффициент усиления усилителя.

БФ выполняется автоматически, т.к. трехзвенная RC-цепь имеет фазовый сдвиг 180⁰ и каскад с ОЭ сдвигает фазу на 180⁰, поэтому суммарный фазовый сдвиг по цепям усиления и цепям обратной связи составляет 360⁰.

БА выполняется за счет применения каскада с коэффициентомусиления больше 29, т.к. коэффициент передачи трехзвенной RC-цепи 1/29. Это необходимо для выполнения условия самовозбуждения: .

При подключении к источнику питания уменьшается потенциал коллектора (ток коллектора возрастает), и это уменьшение через RC-цепь поступает на вход усилителя и приводит к уменьшению , т.е. к росту потенциала коллектора. Теперь рост потенциала поступает черезRC-цепь на базу транзистора, увеличивая потенциал базы и уменьшая потенциал коллектора. Таким образом, на выходе устройства наблюдаются колебания электрической энергии.

АГ с ФСЦ обычно применяют для генерирования гармонических колебаний фиксированной частоты, что связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне.

13.2 RC-автогенератор с мостом Вина

Рисунок 13.6 – Структурная схема RC-автогенератора с мостом Вина.

Низкочастотный усилитель имеет постоянный коэффициент усиления и постоянный фазовый сдвиг 360⁰ между входным и выходным напряжениями в пределах полосы пропускания. ФЧХ цепи ПОС такова, что для одной частоты создаются преимущественные условия (нулевой фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями). Т.к. коэффициент передачи двухкаскадного усилителя существенно больше отношения, то выходное напряжение достигнет значенияраньше амплитудного значения, что приведет к значительным искажениям формы колебаний.

Рисунок 13.7 – Искажения формы колебаний.

Линейная отрицательная обратная связь (ООС) приводит к уменьшению коэффициента усиления, а следовательно к уменьшению искажений формы колебаний. Для поддержания и минимальных искажений формы используют автоматическое регулирование коэффициента усиления в зависимости от амплитуды генерируемых колебаний. Для этого используется цепь нелинейной ООС, когда одним из ее элементов является нелинейное сопротивление. Изменение его сопротивления приводит к изменению глубины ООС, а следовательно коэффициента усиления усилителя.

Мост Вина представляет собой четырехплечный мост переменного тока, два плеча которого состоят из частотно зависимых элементов, а два других – чисто активные.

Рисунок 13.8 – Мост Вина:

R1,R2,C1,C2 – частотозависимая ветвь моста (ветвь ПОС);

R3,R4 – активная ветвь моста (ветвь ООС).

Существует единственная частота

,

на которой фазовый сдвиг между подводимым напряжением и напряжением на выходеравен нулю.

Коэффициенты передачи ветви ПОС моста Вина на этой частоте равен . Следовательно, минимальный коэффициент усиления для обеспечения выполнения БА. Реальный двухкаскадный усилитель позволяет получить усиление по напряжению намного превышающий, поэтому такой усилитель охватывается глубокой ООС.

Рисунок 13.9 – RC-генератор с мостом Вина:

VT1, VT2 – усилительные элементы двухкаскадного усилителя;

R1, R2, R3, R4, C2, C2 – частотнозависимая ветвь моста (ветвь ПОС);

R3, R4, R5 – элементы, обеспечивающие режим по постоянному току каскада на VT1;

R6 – нагрузка коллекторной цепи VT1;

R7, R8 – активная ветвь моста (ветвь ООС);

C3, C4 – разделительные конденсаторы, т.е. не пропускают постоянный ток на вход второго каскада и в нагрузку соответственно;

R9,R10 – элементы, обеспечивающие режим по постоянному току каскада на VT2;

R11 – нагрузка коллекторной цепи VT2;

R12 – температурная стабилизация рабочей точки. На R12 образуется сигнал ООС, которым дополнительно охватывается каскад на VT2;

R13 – нагрузка генератора.

БФ выполняется за счет того, что двухкаскадный усилитель на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ, имеет полный фазовый сдвиг между сигналами и360⁰. Мост Вина по частоте генерации не вносит фазового сдвига.

БА выполняется следующим образом. Двухкаскадный усилитель, имеющий коэффициент усиления , охватывают обратной отрицательной связью (в цепях эмиттеров транзисторов отсутствуют конденсаторы и введена активная ветвь моста Вина), которая снижает коэффициент усиления.

При подключении к источнику питания уменьшается потенциал коллектора транзисторов. По частотозависимой ветви моста на вход усилителя (базу VT1) поступает это уменьшение (сигнал ПОС), уменьшая потенциал базы и увеличивая потенциал коллектора. Теперь рост потенциала коллектора поступает по цепи ПОС на вход усилителя и приводит к уменьшению потенциала коллектора и т.д. Таким образом, на выходе будут наблюдаться колебания электрической энергии.

RC-генераторы применяют при радиотехнических измерениях в диапазоне звуковых, низких и очень низких частот.