Автоколебательными называются активные электрические цепи, в которых без посторонних воздействий самостоятельно возникают электрические колебания. Такие колебания называются автоколебаниями, а сами электрические цепи, в которых возникают автоколебания, – автогенераторами (или, чаще, генераторами).

Автогенераторы используются в радиотехнике и связи для получения электромагнитных колебаний. В зависимости от формы вырабатываемых колебаний различают генераторы гармонических и негармонических колебаний. По принципу работы генераторы делятся на генераторы с внешней обратной связью и с внутренней обратной связью, т. е. с отрицательным сопротивлением. Наконец, различие в элементной базе пассивной части схемы генератора позволяет вести речь об LC-генераторах или о RC-генераторах. В качестве активных элементов в генераторах применяются электронные лампы, биполярные и полевые транзисторы, туннельные диоды и др.

В данной главе наибольшее внимание будет уделено LC-генераторам гармонических колебаний с внешней ОС, использующим в качестве активного элемента биполярные транзисторы. Однако следует указать, что, хотя изучение свойств автогенераторов производится на примере конкретных схем, результаты исследования носят достаточно общий характер.

Затем будут рассмотрены особенности построения RС-генераторов и генераторов с внутренней ОС.

Физические процессы в автоколебательных цепях

На рис. 15.1, а показан параллельный колебательный контур, состоящий из элементов L, С и G. Если контуру сообщить некоторое количество энергии, то в нем возникнут свободные колебания.

По первому закону Кирхгофа (ЗТК):

Рис. 15.1 (а, б)

Каждое из слагаемых этого уравнения можно выразить через напряжение uкна элементах контура. Тогда

Дифференцируя данное уравнение по времени и деля обе его части на С, получаем Equation Section 15

Напомним, что при сопротивлении контура R = l/ G > 2r или G < l/ (2r ) переходный процесс имеет колебательный характер.

Величина a = G/ (2C) является коэффициентом затухания контура, а величина – резонансной частотой контура. В этих обозначениях (15.1) перепишется в виде

Дифференциальное уравнение (15.2) имеет следующее решение:

где Uначальная амплитуда напряжения на контуре, зависящая от введенной в контур энергии; – частота свободных собственных колебаний; q – начальная фаза.

Так как a = G/ (2C) > 0, то колебание (15.3) имеют затухающий характер (см. рис. 15.1, б, при q = 0), что объясняется потерями в контуре из-за наличия резистивной проводимости G. Чтобы превратить такой генератор в генератор незатухающих колебаний, нужно возмещать в нем потери, т. е. пополнять контур энергией.

Причем, если энергии в контур вводится ровно столько, сколько необходимо для компенсации потерь, то это эквивалентно внесению в контур отрицательной проводимости Gвн, при этом результирующая проводимость контура обращается в нуль. Тогда a = 0 и в контуре возникают незатухающие колебания.

В случае же, когда энергии в контур вводится больше, чем это необходимо для компенсации потерь (т. е. отрицательная проводимость Gвн больше G и, следовательно, Gвн + G < 0), в контуре возникают нарастающие по амплитуде колебания, так как коэффициент затухания становится отрицательным.

Энергию в контуре можно пополнять, например, за счет собственных колебаний, снятых с контура и усиленных усилителем. Работающая на таком принципе схема автогенератора показана на рис. 15.2.

Рассмотрим процесс возникновения колебаний в автогенераторе, или механизм самовозбуждения генератора, и установление колебаний определенной амплитуды, т. е. стационарный режим работы генератора.

Рис. 15.2

Причиной возникновения колебаний в автогенераторе являются флуктуации (случайные возмущения) тока в элементах реальной схемы (за счет теплового движения электронов в активных элементах и резисторах, дробового эффекта и т. д.), а также за счет внешних помех. Флуктуации тока iК, протекающего через контур, вызывают флуктуации напряжения на контуре ик. Спектр этих случайных возмущений весьма широк и содержит составляющие всех частот.

Составляющие напряжения ик с частотами, близкими к резонансной частоте контура w 0, имеют наибольшую амплитуду, так как модуль комплексного эквивалентного сопротивления контура является наибольшим и равным R0э именно на резонансной частоте w 0. Выделенное на контуре гармоническое с частотой w 0 напряжение через цепь ОС, образованную вторичной обмоткой трансформатора, передается на вход транзистора, создавая напряжение ик. Это напряжение вызовет увеличение коллекторного тока iК, что, в свою очередь, приведет к увеличению напряжения на контуре ик. Как следствие этого увеличатся напряжение обратной связи uoc и напряжение ик и, значит, вновь увеличатся коллекторный ток и напряжение на контуре ик и т. д. Таким образом, в замкнутой системе автогенератора самовозбуждаются колебания частоты, близкой к резонансной частоте контура w 0.

Очевидно, важным условием возникновения колебаний является то, что фаза напряжения uБЭ должна быть такой, при которой увеличение напряжения ик вызывает увеличение коллекторного тока iК и, тем самым, порождает новое увеличение ик. Данное условие и есть условие баланса фаз. Баланс фаз достигается правильным включением вторичной обмотки трансформатора. При другом ее включении возрастание напряжения на контуре ик приведет к уменьшению коллекторного тока, т. е. баланс фаз нарушится и самовозбуждения не произойдет.

Обратная связь, при которой выполняется баланс фаз, является положительной ОС. В противном случае ОС отрицательная. Самовозбуждение автогенератора возможно только при наличии положительной ОС.

Процесс самовозбуждения колебаний в контуре с энергетической точки зрения объясняется тем, что от источника питания с помощью транзистора в контур за один период колебания поступает энергии больше, чем расходуется ее в резистивном сопротивлении контура. Это эквивалентно, как уже отмечалось ранее, внесению в контур отрицательной проводимости Gвн, превышающей по величине эквивалентную проводимость контура G, что приводит к отрицательному значению коэффициента затухания контура a и, следовательно, к возникновению в контуре нарастающих колебаний.

Пока амплитуда напряжения uБЭ была мала, работа происходила на линейном участке ВАХ транзистора. С увеличением амплитуды колебаний в контуре возрастает напряжение ОС uос и, следовательно, входное напряжение транзистора uБЭ. При этом все сильнее сказывается нелинейность ВАХ транзистора. Наконец, при достаточно больших амплитудах колебаний ток коллектора iК перестает увеличиваться, значения напряжения на контуре uк, обратной связи uос и входное uБЭ стабилизируются, в автогенераторе установится стационарный динамический режим с постоянной амплитудой колебаний и частотой генерации, близкой к резонансной частоте колебательного контура w 0. Таким образом, стационарные колебания в автогенераторе устанавливаются только благодаря наличию нелинейности ВАХ транзистора.

В стационарном режиме энергия, поступающая в контур, вся рассеивается в эквивалентной резистивной проводимости контура, т. е. вносимая в контур отрицательная проводимость Gвн оказывается равной эквивалентной проводимости G и полностью компенсируют ее; коэффициент затухания контура a обращается.