Вернемся к рис. 9.6 и выясним поведение автогенератора при изменении коэффициента обратной связи. При ослаблении связи наклон линии II растет, и при накотором критическом значении , обращающем неравенство (9.13) в равенство возникновение колебаний невозможно. Линия связи, соответствующая критической обратной связи, занимает положение ОВ.
Если в автогенераторе с индуктивной обратной связью и колебательной характеристикой, показанной на рис. 9.6, плавно увеличивать М, то начиная с критического значения амплитуда стационарного колебания будет плавно возрастать, как показано на рис. 9.8. Такой режим самовозбуждения называется мягким. Из сказанного следует, что для получения мягкого режима необходимо, чтобы колебательная характеристика выходила из нулевой точки и имела достаточно большой наклон в области малых амплитуд. Все эти требования выполняются при использовании автоматического смещения.
При использовании принудительного (внешнего) смещения колебательная характеристика принимает вид, показанный на рис. 9.9. Для возникновения колебаний в данном случае требуется очень сильная обратная связь (линия , взаимоиндукция ).
Рис. 9,8. Зависимость стационарной амплитуды от обратной связи при мягком режиме
Рис. 9.9. Колебательная характеристика, соответствующая жесткому режиму
Рис. 9.10. Зависимость стационарной амплитуды от обратной связи при жестком режиме
Рис. 9.11. К вопросу об устойчивости генерации при жестком режиме
После того как колебания установились, связь можно ослабить до значения при котором линия связи занимает положение ОВ. При дальнейшем ослаблении связи колебания срываются. Для восстановления колебаний М нужно увеличить до значения соответствующего линии связи ОА. Такой режим самовозбуждения называется
Зависимость стационарной амплитуды от М при жестком режиме показана на рис. 9.10, причем стрелками обозначено направление изменения М.
Если принудительное напряжение смещения настолько велико, что колебательная характеристика начинается не с нуля (рис. 9.11), то никакое увеличение обратной связи не способно вызвать автоколебания. Если же вызвать колебания с помощью внешнего воздействия, то при достаточно сильной обратной связи колебания могут существовать и после прекращения воздействия. Из двух точек пересечения линий I и II точка С является устойчивой, а точка D - неустойчивой (имеется в виду динамическая устойчивость, т. е. устойчивость генерации). Это означает, что при небольших случайных отклонениях амплитуды тока в контуре около точки С система возвращается в исходное состояние, сколь же угодно малое отклонение амплитуды в районе точки D прогрессивно возрастает и переводит амплитуду либо в устойчивую точку С, либо в точку 0 (соответствующую статической устойчивости). Доказательство неустойчивости точки D аналогично доказательству устойчивости точки С, приведенному в предыдущем параграфе.
2.2 Режимы самовозбуждения автогенератора
В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительного элемента, и от коэффициента К ос возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.
1.Режим мягкого самовозбуждения.
В данном режиме рабочую точку А выбирают на линейном участке вольт-амперной характеристики усилительного элемента, что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока i вых (рис. №2).
Рис. № 2. Диаграмма, мягкого режима самовозбуждения.
В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения U вх, всегда имеющихся в реальных условиях из-за флуктуаций носителей заряда.
Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки вольт-амперной характеристики со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S ср и коэффициента передачи К ос цепи обратной связи.
Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи К уменьшится до единице. В результате в автогенераторе установиться стационарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных колебаний, причем угол отсечки выходного тока 0>90 0 . Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы.
Если бы усилительный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.
Из-за нелинейности воль-амперной характеристики форма выходного тока i вых усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при достаточно большой добротности (50…200) колебательной системы первая гармоника этого тока и, следовательно, напряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармонические колебания.
2. Режим жесткого самовозбуждения.
При этом режиме напряжение смещения U 0 задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначительный колебания, возникшие в контуре, не могут вызвать ток выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возникают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникновения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрирует с помощью рис.№3.
Рис.№ 3. Диаграмма жесткого самовозбуждения
Из рассмотрения этого рисунка видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая1) ток i вых =0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напряжения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В стационарном режиме усилительный элемент работает у углами отсечки выходного тока 0<90 0 .
Для удобства эксплуатации автогенератора целесообразнее применить мягкий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника питания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки 0<90 0 обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного тока усилительного элемента.
Автоматическое смещение. Его применение обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующими автоматическим переходом в режим жесткого самовозбуждения. Этого достигают применением в автогенераторе специальной цепи автоматического смещения.
На рис.№ 4а изображена упрощенная принципиальная схема автогенератора на биполярном транзисторе VT, нагрузкой которого служит колебательный контур L2C2. Напряжение положительной обратной связи создается на катушке L1 и подводится между базой и эмиттером транзистора. Начальное напряжение6 смещения на базе транзистора создается источником включена цепь авто-смещения R1C1.
Процесс возникновения и нарастания колебаний иллюстрируется с помощью рис.№ 4б. В первый момент после включения генератора, т.е. в момент появления колебаний, рабочая точка А находится на участке максимальной крутизны вольт-амперной характеристики транзистора. Благодаря этому колебания возникают легко в условиях мягкого режима самовозбуждения. По мере возрастания амплитуды увеличивается ток базы, постоянная составляющая которого создает падение напряжения U см на резисторе R1 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор C1). Так как напряжение U см приложено между базой и эмиттером в отрицательной полярности, результирующее постоянное напряжение на базе U 0 - U см уменьшается, что вызывает смещение рабочей точки вниз по характеристике транзистора и переводит автогенератор в режим работы с малыми углами отсечки коллекторного тока при этом токи коллектора i к и базы i б имеют видпоследовательности импульсов, а напряжение на выходе U вых, создаваемое первой гармоникой коллекторного тока, представляет собой синусоидальное колебание с неизменной амплитудой.
Таким образом, цепь автоматического смещения R1C1в автогенераторе выполняет роль регулятора процесса самовозбуждения и обеспечивает в первоначальный момент условия мягкого самовозбуждения с последующим переходом в более выгодный режим с малыми углами отсечки.
3. Основные схемы LC- автогенераторов
3.1 Одноконтурные схемы автогенераторов на транзисторах
Маломощные автогенераторы, используемые в современной аппаратуре передачи сигналов электросвязи, выполняют обычно на транзисторах, имеющих по сравнению с электронными лампами большую экономичность, долговечность, надежность и компактность.
Компенсироваться усилителем. Для возбуждения гармонических колебаний, необходимо, чтобы условие баланса фаз и условие баланса амплитуд выполнялись только на одной (заданной) частоте. Поэтому в генераторе синусоидальных колебаний необходимо обеспечить частотно-избирательный характер или коэффициента усиления усилителя, или коэффициента передачи цепи обратной связи. Процесс развития и установления...
К50-35 должен быть рассчитан на напряжение не менее 16 В. Также будут применены конденсаторы К10-17. Погрешность их должна быть не больше ±20%. В физиотерапевтическом устройстве на основе применения упругих волн применен повышающий трансформатор. Работает он на частотах до 66000 Гц. В связи с этим в трансформаторе необходимо использовать торроидальный сердечник. Это уменьшит габариты изделия. Для...
Связи, действие которой должно обеспечить подачу на вход усилителя сигнала с амплитудой не ниже амплитуды первоначального сигнала и со сдвигом фаз, равным нулю. Рис. 1. Принцип построения генератора на основе усилителя положительной обратной связью Необходимым и достаточным условием самовозбуждения замкнутой схемы автогенератора является равенство выходного напряжения цепи обратной связи...
В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительного элемента, и от коэффициента К ос возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.
1.Режим мягкого самовозбуждения.
В данном режиме рабочую точку А выбирают на линейном участке вольт-амперной характеристики усилительного элемента, что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока i вых (рис. №2).
Рис. № 2. Диаграмма, мягкого режима самовозбуждения.
В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения U вх, всегда имеющихся в реальных условиях из-за флуктуаций носителей заряда.
Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки вольт-амперной характеристики со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S ср и коэффициента передачи К ос цепи обратной связи.
Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи К уменьшится до единице. В результате в автогенераторе установиться стационарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных колебаний, причем угол отсечки выходного тока 0>90 0 . Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы.
Если бы усилительный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.
Из-за нелинейности воль-амперной характеристики форма выходного тока i вых усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при достаточно большой добротности (50…200) колебательной системы первая гармоника этого тока и, следовательно, напряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармонические колебания.
2. Режим жесткого самовозбуждения.
При этом режиме напряжение смещения U 0 задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначительный колебания, возникшие в контуре, не могут вызвать ток выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возникают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникновения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрирует с помощью рис.№3.
Рис.№ 3. Диаграмма жесткого самовозбуждения
Из рассмотрения этого рисунка видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая1) ток i вых =0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напряжения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В стационарном режиме усилительный элемент работает у углами отсечки выходного тока 0<90 0 .
Для удобства эксплуатации автогенератора целесообразнее применить мягкий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника питания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки 0<90 0 обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного тока усилительного элемента.
Автоматическое смещение. Его применение обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующими автоматическим переходом в режим жесткого самовозбуждения. Этого достигают применением в автогенераторе специальной цепи автоматического смещения.
На рис.№ 4а изображена упрощенная принципиальная схема автогенератора на биполярном транзисторе VT, нагрузкой которого служит колебательный контур L2C2. Напряжение положительной обратной связи создается на катушке L1 и подводится между базой и эмиттером транзистора. Начальное напряжение6 смещения на базе транзистора создается источником включена цепь авто-смещения R1C1.
Процесс возникновения и нарастания колебаний иллюстрируется с помощью рис.№ 4б. В первый момент после включения генератора, т.е. в момент появления колебаний, рабочая точка А находится на участке максимальной крутизны вольт-амперной характеристики транзистора. Благодаря этому колебания возникают легко в условиях мягкого режима самовозбуждения. По мере возрастания амплитуды увеличивается ток базы, постоянная составляющая которого создает падение напряжения U см на резисторе R1 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор C1). Так как напряжение U см приложено между базой и эмиттером в отрицательной полярности, результирующее постоянное напряжение на базе U 0 - U см уменьшается, что вызывает смещение рабочей точки вниз по характеристике транзистора и переводит автогенератор в режим работы с малыми углами отсечки коллекторного тока при этом токи коллектора i к и базы i б имеют вид последовательности импульсов, а напряжение на выходе U вых, создаваемое первой гармоникой коллекторного тока, представляет собой синусоидальное колебание с неизменной амплитудой.
Таким образом, цепь автоматического смещения R1C1в автогенераторе выполняет роль регулятора процесса самовозбуждения и обеспечивает в первоначальный момент условия мягкого самовозбуждения с последующим переходом в более выгодный режим с малыми углами отсечки.
Мягкий режим характеризуется безусловным быстрым установлением стационарного режима при включении автогенератора.
Жесткий режим требует дополнительных условий для установления колебаний: либо большой величины коэффициента обратной связи, либо дополнительного внешнего воздействия (накачки).
В АГ с мягким режимом положение рабочей точки не зависит от развивающихся колебаний. Для наилучшего возбуждения желательно, чтобы рабочая точка активного элемента находилась в середине линейного участка ДПХ, то есть в точке максимального усиления (рис.10).
В АГ с жестким режимом возбуждения рабочую точку устанавливают в области нижнего нелинейного участка (близко к отсечке) так, чтобы ток в отсутствие генерации был бы близок к нулю. Из-за малого коэффициента усиления начальные колебания могут не развиться (рис.11).
Для анализа качества режима возбуждения используют так называемые колебательные характеристики АГ: зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя (или коэффициента усиления) от амплитуды входного напряжения при разомкнутом контуре АГ, причем размыкание можно осуществить в любой удобной точке, например так, как показано на рис.12.
Мягкий режим самовозбуждения характеризуется постоянно вогнутой кривой с максимальной крутизной в начале координат. Цепь обратной связи в координатах колебательной характеристики называется линией обратной связи (ЛОС).Так как то в координатах уравнение линии обратной связи имеет вид , а
в координатах ЛОС представляет собой линию, параллельную оси абсцис.
Точка пересечения нелинейной колебательной характеристики с ЛОС в соответствии с уравнением баланса амплитуд определяет стационарные амплитуды и.
На рис. 13 показаны типичный вид колебательной характеристики АГ с мягким самовозбуждением и несколько ЛОС.>
Из рис.13 видно, что при колебательная характеристика и ЛОС имеют две точки пересечения О и М , причем т. О является неустойчивой, а М – устойчива.
Действительно, рассмотрим случай, при котором имеет место устойчивая генерация (рис. 14).
Пусть при включении АГ в некоторый момент времени на выходе возникло напряжение с амплитудой . Это колебание через цепь обратной связи передается на вход с амплитудой . В свою очередь напряжение вызовет на выходе напряжение (см. по стрелкам на рис.14) и т.д. Далее можно осуществить переход с колебательной характеристики на ЛОС, с ЛОС на колебательную характеристику и т. д. , пока в результате не попадем в точку М . Такого рода графики называют диаграммами Ламерея. Эта диаграмма показывает, что любое, сколь угодно малое возмущение при включении АГ приводит его в стационарное состояние, определяемое точкой М. На рис. 15показано, что т. М является стационарной при изменениях амплитуды от .
Аналогичные диаграммы можно рассматривать, используя рис. 13,б.
Для изменения величины стационарной амплитуды в АГ с мягким режимом достаточно менять величину коэффициента обратной связи. При увеличении К ос от нуля автоколебания не возникают до тех пор, пока величина К ос не достигнет величины К ос ,кр =1/К(0) , где К(0) - коэффициент усиления при , т. е. при возбуждении АГ. Дальнейшее увеличение К ос приводит к увеличению (см. рис. 16). Уменьшение К ос приводит к изменению по той же линии, что и при увеличении. Можно построить аналогичный график для амплитуды сигнала в выходной цепи АГ.
Жесткий режим самовозбуждения АГ характеризуется вогнуто-выпуклой колебательной характеристикой с одной или несколькими точками перегиба и соответственно с более чем двумя точками пересечения (рис. 17).
Такой вид характеристики имеют АГ, рабочая точка усилительного элемента которых находится на нижнем сгибе проходной характеристики. Легко показать, что точки О и М в этом случае устойчивы, а точка N – неустойчивая. Пока амплитуда на выходебудет меньше , автоколебания нарастать не будут (см. диаграмму рис.18)
Для того, чтобы перевести генератор в состояние М при данном К ос, необходимо подпитать АГ дополнительным сигналом (со стороны входа или выхода), называемым сигналом возбуждения или накачки. При этом величина сигнала накачки должна превышать величину, определяемую точкой N. В этом случае сигнал накачки по цепи обратной связи приведет генератор к стационарному состоянию М (см. рис. 19).
Для возбуждения такого АГ можно не использовать дополнительную накачку, а установить такую сильную обратную связь, чтобы генератор самовозбуждался; при этом должно выполняться условие. Учитывая, что в этом случае К(0) достаточно мало, выполнить условие можно только при очень глубокой обратной связи. Этот факт иллюстрируется рис. 20.
Пока , амплитуда автоколебаний равна нулю. При в автогенераторе
установятся колебания с амплитудой . Дальнейшее увеличение К ос приведет к плавному уменьшению амплитуды. Если теперь уменьшать К ос , то амплитуда колебаний со стороны входа усилителя будет плавно уменьшаться до тех пор, пока коэффициент обратной связи не достигнет величины , при котором ЛОС касается выпуклой части колебательной характеристики. Амплитуда стационарных колебаний при этом будет равна . Дальнейшее уменьшение К ос приведет к срыву автоколебаний. Таким образом, в АГ с жесткой колебательной характеристикой нельзя установить колебания с амплитудой меньшей, чем . Аналогичные рассуждения можно привести и для амплитуды выходного сигнала АГ, но поскольку есть однозначная связь между входной и выходной амплитудами, этого можно не делать.
Достоинством режима мягкого самовозбуждения является простота вывода АГ в требуемый стационарный режим. Недостатком – низкий КПД из-за большой величины постоянной составляющей тока. В АГ с жестким режимом достоинством является отсутствие постоянного тока (или его малая величина) в режиме покоя АГ.
Используя цепи автоматического смещения во входной цепи, можно добиться совмещения достоинств обоих типов возбуждения: в момент запуска рабочая точка находится в точке максимальной крутизны (на середине линейного участка), а с нарастанием амплитуды рабочая точка смещается в сторону отсечки из-за выпрямляющих свойств входного p-n-перехода и цепочки автоматического смещения. Пример принципиальной схемы такого АГ приведен на рис. 21.
На сопротивлении R б выделяется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде подаваемого на вход колебания. На рис. 22 показана картина перехода АГ в стационарное состояние.
Установившийся режим при этом характеризуется работой транзистора с углом отсечки 90 0 . Благодаря колебательному контуру усилителя на выходе развиваются гармонические автоколебания.
В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительного элемента, и от коэффициента К 0 . с возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.
В режиме мягкого самовозбуждения рабочую точку А выбирают на линейном участке ВАХ усилительного элемента (рисунок 9.1,а), что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока. В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения, всегда имеющихся в реальных условиях из-за флуктуации носителей заряда.
Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности ВАХ усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки ВАХ со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S ср и коэффициента передачи К 0с цепи обрат ной связи.
Рисунок 9.1 – Диаграммы, поясняющие режимы самовозбуждения.
Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи уменьшится до единицы. В результате в автогенераторе установится стационарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных колебаний, причем угол отсечки выходного тока 0> 90°. Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы. Обратим внимание: если бы усилительный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.
Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики форма выходного тока усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при достаточно большой добротности (Q=50…200) колебательной системы первая гармоника этого тока и, следовательно, напряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармонические колебания.
9.5 Режим жесткого самовозбуждения
При этом режиме напряжение смещения задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначительные колебания, возникшие в контуре, не могут вызвать ток в выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возникают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникновения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрируется на рисунке 9.1, б. Видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая 1) ток i вых = 0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напряжения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В стационарном режиме усилительный элемент работает с углами отсечки выходного тока <90°.
Для удобства эксплуатации автогенератора целесообразнее применять мягкий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника питания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки <90° обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного элемента.
