Генераторы синусоидальных сигналов

Вообще говоря, общая классификация генераторов начинается с разделения их на генераторы с внешним возбуждением и с самовозбуждением. Но здесь мы ограничимся только второй группой, которая в свою очередь подразделяется на генераторы синусоидальных сигналов (ГСС) и генераторы импульсных сигналов (ГИС).

Принцип работы генератора с самовозбуждением лучше и проще всего рассмотреть на конкретном примере. Возьмем самый обычный усилительный каскад на биполярном транзисторе, в коллекторную цепь которого в качестве нагрузки включен резонансный контур L2С2 (рис.2.13, а). Вернее, не совсем обычный резонансный контур, а высокочастотный трансформатор, первичной обмоткой которого действительно является сам контур, а с его катушкой связана индуктивно дополнительная обмотка L1.

 

 

Рис. 2.1З. LС-генераторы синусоидальных сигналов с самовозбуждением: а – с трансформаторной связью;

б – с автотрансформаторной связью «индуктивная трехточка»

 

 

Если в контуре возникнут свободные колебания, то точно такие же колебания окажутся и на выходе вторичной обмотки. При этом амплитуду колебаний на вторичной обмотке мы можем получить любую, поскольку она определяется исключительно коэффициентом трансформации, т.е. соотноше­нием витков основной катушки контура и дополнительной вторичной обмотки. Что же касается фазы, то она изменяется на 100% в зависимости от полярности включения вторичной обмотки.

Таким образом, два условия, необходимые для поддержания в контуре незатухающих колебаний, мы без труда реализовали. Кроме третьего, самого главного: для того, чтобы поддерживать в контуре незатухающие колебания, нужно, прежде всего, чтобы свободные колебания на нем уже существовали.

Однако же не зря генератор подобного типа назвали генератором с самовозбуждением. Оказывается, никакого первоначального сигнала в контур вводить не нужно. Давайте посмотрим на схему рис. 2.13, а и проследим последовательность процессов, происходящих в этой схеме после включения источника коллекторного напряжения.

К этому моменту конденсатор С2 полностью разряжен, а потому представляет для постоянного ток короткое замыкание. После включения коллекторного напряжения Е_к в коллекторной цепи потечет ток - естественно, по цепи наименьшего сопротивления, - через «короткозамкнутый» конденсатор С2. Протекая через конденсатор, коллек­торной ток начнет его заряжать, следовательно, на обкладках конденсатора начнет возрастать постоянное напряжение.

Через какое-то время конденсатор полностью зарядится, дальнейший рост напряжения на нем прекратится и он, как и положено конденсатору в резонансном контуре, начнет разряжаться на катушку индуктивности L2.

Так возникнет первая фаза собственных колебаний в контуре с неизбежными потерями амплитуды на активном сопротивлении катушки. Но, протекая через катушку индуктивности, разрядный ток конденсатора создаст в катушке связи с L1 наведенную ЭДС, фазу которой мы можем по собственному усмотрению сделать совпадающей или противоположной фазе собственных колебаний в контуре, просто поменяв местами выводы катушки L1.

А амплитуду этой наведенной ЭДС с помощью переменного резистора R1 мы можем также произвольно установить любой в интервале от нуля до максимума. И если тетерь эту ЭДС подать на базу транзистора, то, будучи усиленной им, эта ЭДС вернется в колебательный контур в нужной нам фазе и нужной амплитуды, чтобы полностью скомпенсировать неизбежные потери в контуре. В результате раз возникшее колебание станет незатухающим, а весь каскад превратится в генератор незатухающих колебаний с самовозбуждением.

Остается только добавить, что частота этих колебаний будет однозначно определяться параметрами резонансного контура - индуктивностью катушки и емкостью конденсатора.

Выбирая степень обратной связи (т.е. амплитуду сигнала на базе транзистора), следует помнить, что при слишком малой величине сигнала компенсация потерь в контуре может оказаться недостаточной и возникшие колебания будут затухающими. А при большой обратной связи рабочий уча­сток характеристики транзистора будет заходить в область верхнего загиба, что неминуемо приведет к искажению формы генерируемых колебаний. Из сказанного становится ясно, что для получения устойчивых и в то же время неискаженных колебаний величина обратной связи должна быть выбрана оптимальной.

Но что значит - оптимальной? Это значит, что она должна отвечать условиям следующего соотношения:

K_oc=1/U+1/SR_H,

где U (напряжение) и S (крутизна характеристики) - паспортные значения транзистора, а R_H - полное сопротивление контура на частоте резонанса.

В промышленных супергетеродинных приемниках и тюнерах наиболее часто встречаются три схемы отдельных гетеродинов, различающиеся по физическому принципу: с трансформаторной обратной связью, с индуктивной «трехточкой» и с емкостной «трехточкой». Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, поэтому выбор той или иной схемы осуществляет конструктор, руководствуясь в каждом конкретном случае определенными соображениями.

В преобразователях с совмещенным гетеродином чаще применяется схема гетеродина с индуктивной «трехточкой», поскольку она имеет наиболее простую коммутацию при переходе с одного диапазона на другой. Схема с «емкостной трехточкой» сегодня практически почти не применяется (по крайней мере - в радиовещательных приемниках бытового назначения).

Кроме того, надо иметь в виду, что все сказанное относится лишь к схемам на дискретных активных элементах - транзисторах, тогда как в абсолютном большинстве современных радиоприемников каскады УВЧ, смесителя, отдельного гетеродина, а иногда и всего радиотракта, включая УПЧ, детектор сигнала и схему АРУ, выполняются на одной общей микросхеме, поэтому в этом случае говорить об отдельных каскадах не приходится.

Все три рассмотренные выше схемы гетеродинов относятся к ТОО, причем к той их подгруппе, в которой для получения синусоидальных колебаний обязательно используются индуктивности и емкости. Их так и называют - LC-генераторы. Помимо них существует несколько разных схем RC -генераторов синусоидальных колебаний, в которых процесс генерации возникает без участия индуктивности.

Рассмотрим работу двух таких генераторов, схемы которых приведены ниже – на рис.2.14: Работа обеих схем основана на свойстве последовательно соединенных резистора и конденсатора (так называемая RС-цепь) «сдвигать» по фазе подводимое к ней переменное напряжение. При определенном соотношении реактивного сопротивления конденсатора и активного сопротивления резистора и только на одной частоте сдвиг фазы составляет ровно 180°.

 

 

Рис. 2.14. RС-генераторы синусоидальных сигналов с самовозбуждением:

а - с трехзвенными фазосдвигающими цепями; б - по схеме «моста Вина»

 

В схеме рис 2.14,а между коллектором и базой транзистора включены три последовательные RС-цепи, каждая из которых осуществляет «свой» сдвиг фазы. Кроме того, поскольку каскад выполнен по схеме с общим эмиттером, то он не только усиливает подводимый к базе сигнал но и сдвигает его по фазе на те же самые 180°.

В момент включения схемы за счет так называемых неустановившихся процессов на базе транзистора возникнет некоторое напряжение. Пусть оно будет, к примеру, положительным (хотя с таким же основанием можно взять и отрицательное - от этого ничего не меняется). На схеме этот факт отображен знаком «+» в кружочке возле базы.

Тогда на коллекторе фаза окажется отрицательной (знак «-» в кружочке), после чего три фазосдвигающих цепи еще три раза поменяют эту фазу на противоположную, в результате чего подведенный к базе сигнал положительной полярности вернется на базу в той же самой положительной полярности, т.е. налицо окажется главное условие возникновения генерации - положительная обратная связь.

Мы уже отметили, что изменение фазы ровно на 180° при заданных значениях R и С возможно только на одной какой-то частоте, поэтому и приведенная схема является одночастотной. Разумеется, ее можно заставить генерировать и на любой другой частоте, если соответствующим образом изменить параметры всех RС-цепей.

Качество генерируемого сигнала, т.е. степень его близости к идеальной синусоиде, можно улучшать, уменьшая степень обратной связи, что достигается уменьшением сопротивления резистора R5 почти до порога срыва колебаний. Переменным резистором R6 можно в некоторых пределах регулировать величину снимаемого сигнала за счет изменения глубины отрицательной обратной связи по току.

Схема рис. 2.14, б по принципу возникновения условий генерации от предыдущей схемы отличается не так существенно. Тем не менее это другая схема, и называется она мост Вина.

Сам мост Вина образуется двумя резисторами R1 и R2 и двумя конденсаторами С1 и С2. Подбором величин элементов моста он балансируется таким образом, что на какой-то определенной частоте сдвиг фазы на параллельной цепи R2 С2 равняется 180°, а значит фаза на выходе моста совпадает с фазой на базе первого транзистора, обеспечивая наличие условия для самовозбуждения.