Автогенератори типу RC

Застосування генераторів з коливальними контурами (типу LC) для генерування коливань з частотами менше 15-20 кГц ускладнено і незручно із-за громіздкості контурів. Нині для цих цілей широко використовуються генератори типу RC, в яких замість коливального контура застосовуються виборчі RC -фильтры. Генератори типу RC можуть генерувати дуже стабільні синусоїдальні коливання в порівняно широкому діапазоні частот від доль герца до сотень кілогерц. Крім того, вони мають малі габарити і масу. Найбільш повно переваги генераторів типу RC проявляються в області низьких частот. Структурна схема генератора синусоїдальних коливань типу RC приведена на мал. 18.10.

Підсилювач будується за звичайною ре-зистивной схемою. Для самозбудження підсилювача, тобто для перетворення спочатку виниклих коливань на незгасаючі, необхідно на вхід підсилювача подавати частину вихідної напруги, що перевищує вхідну напругу або рівну йому за величиною і співпадаючу з ним по фазі, іншими словами, охопити підсилювач позитивним зворотним зв'язком достатньої глибини.

При безпосередньому з'єднанні виходу підсилювача з його входом відбувається самозбудження, проте форма генерованих коливань різко відрізнятиметься від синусоїдальної, оскільки умови самозбудження одночасно виконуватимуться для коливань багатьох частот. Для отримання синусоїдальних коливань необхідно, щоб ці умови виконувалися тільки на одній певній частоті і різко пару шались на усіх інших частотах. Це завдання вирішується за допомогою фазоповертаючого ланцюжка, який має декілька ланок RC і служить для повороту фази вихідної напруги підсилювача на 180°. Зміна фази залежить від числа ланок n і рівно

У зв'язку з тим що одна ланка RC змінює фазу на кут < 90°, мінімальне число ланок фазоповертаючого ланцюжка n = 3. У практичних схемах генераторів зазвичай використовують трехзвен-ные фазовращающие ланцюжки.

На мал. 18.11 зображено два варіанти таких ланцюжків, що дістали назву відповідно " R-паралель" і " С-параллель". Частота генерованих синусоїдальних коливань для цих схем за умови R₁ = R₂ = R₃ = R і C₁ = C₂ = C₃ = C розраховується по наступних формулах:

для схеми на мал. 18.11, а:

для схеми на мал. 18.11, б:

Для забезпечення балансу амплітуд коефіцієнт посилення підсилювача має дорівнювати загасанню, що вноситься фазоповертаючим ланцюжком, через який напруга з виходу поступає на вхід підсилювача, або перевищувати його.

Розрахунки показують, що для приведених схем загасання

Отже, схеми з використанням триланкових фазовра-щающих ланцюжків, що мають однакові ланки, можуть генерувати синусоїдальні коливання з частотою /0 лише у тому випадку, якщо коефіцієнт посилення підсилювача перевищує 29.

У фазоповертаючому ланцюзі з однаковими ланками кожна наступна ланка чинить шунтуючу дію на попередню. Для зменшення шунтуючої дії ланок і зниження загасання у фазоповертаючому ланцюзі зворотного зв'язку можуть застосовуватися так звані прогресивні ланцюжки. В цьому випадку опір резистора кожної наступної ланки вибирається в т разів більше опору попередньої ланки, а місткості наступних ланок в стільки ж разів зменшуються:

Зазвичай величина т не перевищує 4-5.

На мал. 18.12 приведена одна з можливих схем автогенератора типу RC з фазоповертаючим ланцюжком.

З точки зору забезпечення умови балансу фаз такий генератор можна було б побудувати і на одному транзисторі (VT2) із загальним емітером. Проте в цьому випадку ланцюжок зворотного зв'язку шунтує резистор R _к підсилювального транзистора і знижує його підсилення, а малий вхідний опір транзистора різко збільшує загасання в ланцюзі зворотного зв'язку. Тому доцільно розділити вихід фазоповертаючого ланцюга, що обертає, і вхід підсилювача за допомогою емітерного повторителя, зібраного на транзисторі VT1.

Робота автогенератора починається у момент включення джерела живлення. Імпульс колекторного струму, що виникає при цьому, містить широкий і безперервний спектр частот, що обов'язково включає і необхідну частоту генерації. Завдяки виконанню умов самозбудження коливання цієї частоти стають незгасаючими, тоді як коливання усіх інших частот, для яких умова балансу фаз не виконується, швидко затухають.

Автогенератори з фазовращающими ланцюгами зазвичай застосовуються для генерації синусоїдальних коливань фіксованої частоти. Це пов'язано з трудністю перебудови частоти в широкому діапазоні. Діапазонні автогенератори типу RC будуються трохи інакше. Розглянемо це питання детальніше.

Якщо підсилювач повертає фазу вхідного сигналу на 2π (наприклад, підсилювач, що має парне число каскадів), то при охопленні позитивним зворотним зв'язком достатньої глибини він може генерувати електричні коливання без включення спеціального фазоповертаючого ланцюжка. Для виділення необхідної частоти синусоїдальних коливань з усього спектру частот, генерованих такою схемою, необхідно забезпечити виконання умов самозбудження тільки для однієї частоти. З цією метою в ланцюг зворотного зв'язку може бути включений послідовно-паралельний виборчий ланцюжок, схема якого приведена на мал. 18.13.

Визначимо властивості цього ланцюжка, розглядаючи її як дільник напруги.

Між вихідним і вхідним напругою існує очевидна залежність

де

Коефіцієнт передачі напруги цим ланцюгом

На квазірезонансній частоті ₀ коефіцієнт передачі напруги має дорівнювати дійсному числу. Це можливо лише у тому випадку, якщо опори, виражені відповідним математичним записом в чисельнику н знаменнику формули (18.25), матимуть однаковий характер. Ця умова забезпечується лише у тому випадку, якщо дійсна частина знаменника дорівнює нулю, т. е.

Звідси частота квазірезонансу

або

Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте,

Це означає, що мінімальний коефіцієнт посилення, при якому задовольняється умова балансу амплітуд, також має дорівнювати 3. Очевидно, що ця вимога виконати досить легко. Реальний транзисторний підсилювач, що має два каскади (найменше парне число), дозволяє отримати посилення по напрузі, набагато К ₀ = 3, що перевищує. Тому доцільно разом з позитивним зворотним зв'язком ввести в підсилювач негативний зворотний зв'язок, який, знижуючи коефіцієнт посилення, в той же час істотно зменшує можливі нелінійні спотворення генерованих коливань. Принципова схема такого генератора приведена на мал. 18, 14. Терморезистор RK в ланцюзі емітера транзистора VT1 призначений для стабілізації амплітуди вихідної напруги при зміні температури. Регулювання частоти здійснюється за допомогою спареного потенціометра R1R2.