LC-автогенераторы гармонических колебаний

На рис. 2.3, а приведена схема автогенератора с LC -контуром и с трансформаторной обратной связью.

Основными элементами схемы являются колебательный контур Lк - Cк с катушкой обратной связи Lб и цепи смещения R ₁ – R ₂. Напряжение смещения подается на базу транзистора через катушку обратной связи. Конденсатор С бл – для заземления одного конца катушки L б, чтобы сигнал обратной связи прикладывался непосредственно ко входу транзистора, минуя сопротивление R ₂.

Рис. 2.3. Автогенераторы с трансформаторной обратной связью:

а – схема; б – АЧХ параллельного колебательного контура

Колебательный контур Lк-Ск настраивается на частоту генерации, его сопротивление на резонансной частоте носит чисто активный характер (фазовый сдвиг φ = 0):

(2.5)

где – сопротивление потерь контура.

При выборе высокодобротного конденсатора основной долей величины является сопротивление витков катушки Lк. На высокой частоте катушка содержит мало витков и имеет малое сопротивление. Поэтому на высокой частоте колебательный контур имеет высокую добротность Q = ω ₀/ ω, узкую полосу пропускания ω, что обеспечивает высокую стабильность частоты автогенератора.

Схема работает следующим образом. При воздействии на базу транзистора сигнала с частотой ω ₀, усиленное напряжение U к будет сдвинуто по фазе на 180⁰, как в схеме усилителя на транзисторе с общим эмиттером. Так как L к и L б электромагнитно связаны, имеют взаимную индуктивность M, то за счет тока , протекающего через L к, на базе наводится напряжение:

(2.6)

Концы базовой обмотки соединяются таким образом, чтобы было отрицательным При этом общий фазовый сдвиг φ в цепи усилитель-обратная связь будет равен нулю:

φ = φ _у + φ _æ = 0. (2.7)

Это равенство обеспечивает выполнение условия баланса фаз. Для выполнения условия баланса амплитуд и получения необходимой величины амплитуды колебаний подбирают коэффициент М путем изменения положения катушки L _б относительно L к.

Колебания возбуждаются на резонансной частоте, когда сопротивление контура максимально и имеет активный характер (контур не вносит дополнительный фазовый сдвиг). Резонансная частота находится из равенства сопротивлений реактивных индуктивной и емкостной ветви контура:

Отсюда резонансная частота контура:

(2.8)

Сигнал обратной связи может быть снят непосредственно с колебательного контура. Это достигается благодаря секционированию индуктивной или емкостной ветви колебательного контура. В схемах таких генераторов колебательный контур имеет три точки соединения с усилителем, в связи с чем их называют трех-точечными. Функциональная схема генератора трехточки приведена на рис. 2.4, а. Как видно, сложный колебательный контур подключается к транзистору в трех точках. Для выполнения условия баланса фаз реактивности Z ₁ и Z ₂ должны быть одного типа (L или С), а Z ₃ – противоположного.

На рис. 2.4, б и 2.4, в приведены соответственно схемы индуктивной и емкостной трехточки.

Рис. 2.4. Схемы трехточечных автогенераторов: а – эквивалентная схема подключения контура по переменному току; б – схема индуктивной трехточки; в – схема емкостной трехточки

В схеме генератора рис. 2.4, б (индуктивная трехточка) секционированной выбрана индуктивная ветвь контура. Сигнал обратной связи определяется напряжением на секции L ₁. Требуемая фаза этого сигнала обеспечивается тем, что напряжения на секциях L ₂ и L ₁ относительно их общей точки, подключенной к шине + Е, находятся в противофазе. На вход транзистора сигнал с секции L ₁ подается через разделительный конденсатор С _Р (С _Р > > C ₃), источник питания Е (представляющий по переменному току сопротивление, близкое к нулю) и конденсатор Сэ (С_Э > > C ₃).

В схеме генератора рис. 2.4, в (емкостная трехточка) колебательный контур, состоящий из индуктивности L ₃ и последовательно включенных конденсаторов С ₁ и С ₂, включен параллельно входной цепи усилительного звена. Напряжение обратной связи снимается с конденсатора С ₁ относительно «земли» и подается на вход транзистора через конденсаторы C _Р и С _Э, минуя цепь источника питания. Напряжения на конденсаторах С ₁ и С ₂ относительно их общей точки находятся в противофазе, в связи с чем создаваемая в схеме обратная связь является положительной.

Приближенное значение частоты генераторов f ₀ может быть найдено из условия равенства нулю суммы реактивных сопротивлений при круговом обходе контура (т. е на резонансной частоте контура). Для индуктивной трехточки:

(2.9)

Для емкостной трехточки:

(2.10)

– эффективное значение емкости при последовательном соединении двух емкостей.

Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности:

(2.11)

где абсолютное отклонение частоты от номинального

значения f.

Коэффициент относительной нестабильности частоты транзисторных LC -генераторов (при использовании температурной стабилизации режима работы усилителя с помощью резистора Rэ, но без применения специальных добавочных мер стабилизации) составляет несколько единиц процентов.

П остроение LC -генераторов на частоты ниже нескольких десятков килогерц становится нерациональным ввиду возрастания габаритов и массы элементов колебательного LC -контура. Для диапазона низких частот применяют RC -генераторы.