Книга: Схемотехника аналоговых электронных устройств

7.6. Генераторы

7.6. Генераторы

Генератором называется автоколебательная структура, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Различают генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы сигналов специальной формы (прямоугольной, треугольной и т.д.)

Обобщенная макромодель генератора приведена на рисунке 7.28 и представляет собой усилительный каскад, охваченный цепью ПОС.

Рисунок 7.28. Макромодель генератора

Для возникновения колебаний в данной системе необходимо выполнение условия баланса амплитуд и баланса фаз:

|K?|?1,

? = ?_у + ?_ос = 2n?,

где ?_у и ?_ос — фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью ОС соответственно, n — целое число.

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения достаточно, чтобы данные условия выполнялись только на одной частоте.

Существует большое количество схемных реализаций генераторов, поэтому ограничимся рассмотрением генераторов на основе ОУ, как наиболее соответствующим содержанию курса АЭУ. На рисунке 7.29 приведены различные варианты схем генераторов гармонических колебаний на ОУ.

Рисунок 7.29. Автогенераторы на основе ОУ

В схеме LC-автогенератора (рисунок 7.29а) баланс фаз обеспечивается наличием ПОС, вводимой с помощью резисторов R₂ и R₃, баланс амплитуд достигается выбором номиналов резисторов R₂ и R₃ по условию

?K = R₃(R₂ + R₃)·K ? 1.

Здесь под K подразумевается масштабный коэффициент усиления, равный

K = R_?/R₁,

где R_? — сопротивление контура на частоте резонанса.

Частота резонанса определяется элементами LC-контура и рассчитывается по известной формуле

Можно избежать применения индуктивностей, используя селективные RC-цепи. Наибольшее применение получила так называемая фазирующая RC-цепь, включенная в схеме RC-генератора (рисунок 7.29б) между выходом и неинвертирующим входом ОУ. На частоте генерации f₀ = 1/2?RC фазовый сдвиг ?_ос=0 и выполняется условие баланса фаз, для выполнения баланса амплитуд необходимо скомпенсировать затухание, вносимое фазирующей цепью на частоте генерации, т.е. выполнить условие

K_0ОС = R₂/(R₁ + R₂) = A₀,

где A₀?3,3 — затухание, вносимое фазирующей цепью.

Чтобы генерировать колебания сложной формы, следует выполнить неравенство K_0ОС>>A₀ как условие генерации многочастотных колебаний. Оно легко реализуется.

В схеме RC-автогенератора с электронной перестройкой частоты (рисунок 7.29г) в качестве управляемых сопротивлений используется сдвоенный ПТ, у которого сопротивление канала является линейной функцией управляющего напряжения E_упр. Очевидно, что при изменении E_упр происходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колебание, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т.е. осуществляться частотная модуляция.

 Важным параметром автогенераторов является температурная нестабильность частоты, которая в обычных LC-генераторах достигает порядка (10^-3…10^-4)% на 1°C, в RC-генераторах — примерно на порядок ниже. Гораздо лучшие показатели стабильности частоты обеспечивают кварцевые автогенераторы (рисунок 7.29в). Здесь кварц используется в качестве эквивалентной индуктивности, образующей с емкостью С последовательный колебательный контур, имеющий на частоте резонанса минимальное сопротивление. На частоте резонанса ПОС достигает максимума, и возникает генерация. Для стабилизации режима ОУ охвачен глубокой ООС по постоянному напряжению, которая, в целях выполнения условия баланса амплитуд, устраняется на частоте генерации конденсатором C₁, емкость которого выбирается из условия

X_C1 = 1/2?f₀C << R.

В термостатированных кварцевых генераторах достигается нестабильность частоты порядка 10^-8% на 1°C.

Для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний в цепях ООС генераторов используют нелинейные элементы, например, диоды (рисунок 7.29 д), либо АРУ, например, на ПТ (рисунок 7.29е).

Принцип построения генераторов прямоугольных колебаний рассмотрим на примере симметричного мультивибратора на ОУ (рисунок 7.30).

Рисунок 7.30. Симметричный мультивибратор на ОУ

Режим генерации здесь обеспечивается путем подключения к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи ООС (R_ООС и C₁). Предположим, что в начальный момент времени на инвертирующем входе ОУ присутствует большее положительное напряжение, чем на неинвертирующем. Тогда на выходе ОУ появится отрицательное напряжение U_вых, которое, благодаря цепи ПОС (R_ПОС и R₁), имеет нарастающий характер. Этим отрицательным U_вых теперь будет заряжаться C₁ через R_ООС. Процесс заряда C₁ будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе ОУ станет более отрицательным, чем на ее неинвертирующем входе. Теперь на выходе ОУ появляется положительное U_вых, форсированно нарастающее под действием ПОС. Таким образом, на выходе ОУ будет формироваться последовательность симметричных двуполярных прямоугольных импульсов типа "меандр". Времена длительности импульса и паузы в таком мультивибраторе равны

t = R_ООСC₁ln(1 + 2R_ПОС/R₁).

Более подробно генераторы на ИМС описаны в [12].

Оглавление книги