Особенности режима возбуждения при третьем виде колебательной характеристики

Колебательная характеристика исходит не из нуля, когда внешнее смещение меньше напряжения отсечки. Вид колебательной характеристики и кривых ОС представлен на рисунке 2.14. При включении такого устройства , а значит условие возникновения автоколебаний (2.29) не выполняется. В этом случае никакое увеличение обратной связи не способно вызвать автоколебания. Однако генерация в такой системе возможна при условии, что система будет выведена из равновесия внешним воздействием и при достаточно сильной ОС. Из двух точек 1 и 2 пересечения линий колебательной характеристики и обратной связи, точка 2 является устойчивой, а 1 – неустойчивой. Это означает, что при небольших отклонениях случайных амплитуды тока в контуре около точки 2 система возвращается в исходное состояние, сколь угодно малое отклонение амплитуды в районе точки 1 прогрессивно возрастает и переводит амплитуду тока либо в устойчивую точку 2, либо в точку ноль. При генерация сорвётся, и колебания прекратятся до следующего внешнего воздействия.

 

2.12. Частотная модуляция в автогенераторе

В автогенераторах, работающих на частотах не выше нескольких десятков МГц, широко используются методы угловой модуляции, основанные на прямом изменении резонансной частоты колебательной цепи генератора изменением ёмкости или индуктивности контура.

Существует ряд способов управления резонансной частотой колебательной цепи: электронные, электромагнитные и другие. Широко распространённым способом электронного управления резонансной частотой колебательного контура является подключение к контуру варикапа – полупроводникового диода (p-n) ёмкость которого зависит от напряжения приложенного в направлении запирания перехода (рисунок 2.15).

 

 

Разделительный конденсатор - преграждает путь в контур постоянному току от источника , используемого для установления рабочей точки на ВАХ варикапа. Конденсатор устраняет короткое замыкание источника модулирующего сигнала на относительно небольшую индуктивность контура. Блокировочный дросель преграждает путь ВЧ току от автогенератора в источник .

Рассмотрим два случая:

а) Режим несущей и частота генерации находится по формуле , (2.53)

где - начальная ёмкость варикапа, а

b) Постоянное модулирующее напряжение , .

. (2.54)

Сравнивая (2.53) и (2.54) находим, что

(2.55)

 

Разделим обе части (2.55) на

. (2.56)

Выразим относительное изменение емкости через относительное изменение частоты

, (2.57)

, (2.58)

. (2.59)

Таким образом, если положительное, то приращение частоты отрицательно. Относительное приращение ёмкости нелинейно связано с приращением частоты. Однако это соотношение (2.59) используется лишь при очень глубокой частотной модуляции. В ряде применений ЧМ относительное изменение частоты весьма невелико. При этом , а выражение (2.59) упрощается

(2.60)

При малых относительных изменениях частоты и связаны линейным соотношением, и для получения линейной ЧМ ёмкость нужно изменять по закону модулирующего сигнала.

Недостатком данной схемы является тот факт, что при изменении напряжения на варикапе меняется его внутреннее сопротивление, т.е. меняется добротность контура, также меняется коэффициент передачи цепи, что приводит к паразитной амплитудной модуляции. Однако эта проблема разрешима, т.к. можно применить амплитудный ограничитель.

 

2.13. – генераторы гармонических колебаний

Генераторы с колебательным контуром эффективны для получения высокочастотных колебаний. Для получения же звуковых частот из-за конструктивных недостатков (колебательный контур получается слишком громоздким и трудно перестраиваемым) эти генераторы не применяются. Для получения колебаний в диапазоне от нескольких Гц до нескольких десятков кГц широко используются - генераторы. Отличие - генератора от - генератора заключается в том, что вместо усилителя с колебательным контуром здесь применён резистивный усилитель, а обратная связь осуществляется при помощи специального четырёхполюсника, составленного из резисторов и конденсаторов.

2.13.1. - генератор на инвертирующем усилителе

 

Заметим следующие свойства инвертирующего операционного усилителя: выходное сопротивление равно нулю и входное сопротивление равно бесконечности. Исследуем стационарный режим и определим частоту автоколебаний из баланса фаз:

. (2.61)

Зная, что

, (2.62)

предполагая, что , из (2.61) можно выразить

. (2.63)

Цепь ОС интегрирующая, а потому вносит отрицательный фазовый сдвиг.

ККП четырехполюсника

. (2.64)

Решим задачу по методу контурных токов:

 

(2.65)

 

 

Решение этой системы относительно имеет вид

, (2.66)

тогда

. (2.67)

Подставим (2.67) в (2.64), получим

. (2.68)

Определим АЧХ и ФЧХ (графически они представлены на рисунке 2.17)

, (2.69)

. (2.70)

 

Определим частоту генерации, используя равенства (2.63) и (2.70):

, (2.71)

откуда

, (2.72)

, (2.73)

. (2.74)

Таким образом, частота генерации данного типа автогенератора зависит только от номиналов и .

Преобразуем равенство (2.69) с учетом равенства (2.73)

. (2.75)

Тогда из условия самовозбуждения (2.29) делаем вывод, что в момент включения данного генератора должно выполняться неравенство

,

. (2.76)

К недостаткам данного типа автогенераторов можно отнестибольшое число элементов в цепи обратной связи и достаточно большой коэффициент усиления.

Ступенчатое изменение частоты генератора в широком диапазоне осуществляется с помощью набора переключаемых резисторов и конденсаторов, а плавная настройка в каждом из поддиапазонов – с помощью конденсаторов переменной ёмкости.

2.13.2. автогенератор на неинвертирующем усилителе с мостом Вина в цепи ОС

Мост Вина – это полосовой фильтр. Свойства его похожи на свойства низкодобротного колебательного контура. Назначение его заключается в том, чтобы по возможности сузить полосу частот, в которой обеспечивается баланс фаз.

. (2.77)

Т.к. операционный усилитель не инвертирует сигнал, то

, (2.78)

и при получаем, что

. (2.79)

Определим ККП данной цепи:

, (2.80)

 

, (2.80)

, (2.81)

. (2.82)

Определим АЧХ и ФЧХ

, (2.83)

. (2.84)

Если предположить, что а , то можно представить графически АЧХ и ФЧХ устройства, как это сделано на рисунке 2.19.

Определим частоту автоколебаний. Для этого подставим (2.84) в (2.79), получим

, (2.85)

тогда

. (2.86)

В частном случае при и

. (2.87)

Определим условие самовозбуждения для этого автогенератора. Из рисунка 2.19 видно, что на частоте генерации

, (2.88)

при этом, исходя из условия (2.29), коэффициент усиления должен быть

. (2.89)

Преимущества данной схемы перед предыдущей в том, что используется всего четыре пассивных элемента, и коэффициент усиления меньше.

2.13.3. Особенности механизма ограничения амплитуды автоколебания в - генераторе

В рассмотренных ранее – автогенераторах ограничение обусловлено уменьшением крутизны при увеличении амплитуды колебаний; стационарный режим наступает когда коэффициент усиления уменьшается до значения . Однако в данном случае нельзя допускать установление значительной амплитуды, т.к. это неизбежно приводит к искажению генерируемых колебаний за счёт появления гармоник тока. В генераторах отсутствует достаточная фильтрация высших гармоник (низкодобротный фильтр).

Получается противоречие между требованием неискажённой формы колебаний к требованиям надёжного ограничения. Для устранения этого противоречия вводят инерционную нелинейность, сопротивление которой изменяется в зависимости от нагрева проходящим через него током (терморезистор).

Обратная связь, обусловленная введением терморезистора, отрицательна. ООС (по току) компенсирует ПОС. При увеличении амплитуды автоколебаний увеличивается ток через терморезистор, который, нагреваясь, увеличивает свое сопротивление , и коэффициент ОС уменьшается и наоборот.

Таким образом, при увеличении амплитуды колебаний ограничение обусловлено уменьшением .

Получаем автоматическое регулирование амплитуды колебания на определённом уровне, зависящем в основном от нелинейности характеристики термосопротивления. в пределах периода генерируемых колебаний практически постоянно и не вносит нелинейных искажений.

генераторы являются маломощными. Для получения значительной мощности генератор дополняют одной или двумя ступенями усиления.