Полезно сравнить условие (8.36) с выражением (8.20), определяющим стационарный режим работы аналогичного автогенератора.

Автоматическое смещение в автогенераторе. Обычно практически используемые LC-автогенераторы для повышения КПД работают с отсечкой тока. При этом уменьшается постоянная составляющая тока истока (коллектора) и снижается рассеиваемая на транзисторе мощность (аналогичными соображениями объясняется использование резонансных усилителей мощности, как отмечалось в § 7.5). Для работы с отсечкой необходимо обеспечить соответствующее постоянное напряжение смещения на затворе, т. е. установить рабочую точку ВАХ. Однако часто оказывается, что оптимальное для повышения КПД смещение ставит автогенератор в нежелательный режим жесткого самовозбуждения (этот вопрос обсуждался в § 8.6).

На рис. 8.14 приведен один из возможных вариантов схемы автогенератора с автоматическим смещением, соответствующий эквивалентной по переменной составляющей трансформаторной схеме (см. рис. 8.10). В цепь затвора включена цепочка Л3С3. Непосредственно после подачи питания напряжение между затвором и истоком близко к нулю и рабочая точка находится на участке ВАХ с максимальным значением средней крутизны S, что соответствует мягкому режиму самовозбуждения. Амплитуда колебаний возрастает, на затворе появляется управляющее напряжение и возникает ток затвора, постоянная составляющая которого заряжает емкость Q и смещает рабочую точку. Процессы в цепи затвора аналогичны процессам в амплитудном линейном диодном детекторе, рассматривавшемся в § 7.7. Роль диода играет промежуток исток-затвор транзистора, Л3С3-цепочка является нагрузкой детектора. Смещение рабочей точки приводит к снижению iS ) и в итоге - к установлению стационарного режима генерации.

При этом смешении кривая средней крутизны SiU) автогенератора, как правило, приобретает вид, соответствующий жесткому (см. рис. 8.8, б) режиму самовозбуждения.

Рис. 8.14. LC-автогенератор с цепью автоматического смещения

Очевидно, однако, что при срыве генерации по какой-либо причине в схеме с автосмешением рассмотренный цикл самовозбуждения повторится и стационарный режим установится вновь.

Использование автоматического смещения позволяет сочетать условия, благоприятные для запуска автогенератора (мягкий режим самовозбуждения), с энергетически выгодным (отсечка тока стока) стационарным режимом.

8.8. ЛС-АБТОГЕНЕРАТОРЫ И АВТОГЕНЕРАТОРЫ С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Для использования на частотах ниже 10 - 10 Гц LC-автогенераторы по ряду причин оказываются неудобными (в частности, колебательный контур получается громоздким и трудно перестраиваемым). На этих частотах широко (особенно в радиоизмерительной технике) используют ЛС-автогенераторы, представляющие собой комбинацию резистивного усилителя (КПП) и пассивного /?С-четырехполюсника обратной связи (КОС).

Рассмотрим наиболее распространенные схемы ЛС-автогене-раторов.

/гС-аетог€яератор с трехзвенной цепочкой обратной связи. Схема этого автогенератора приведена на рис. 8.15. Напряжение с комплексной амплитудой С/с на сопротивлении нагрузки (на стоке транзистора) Rc находится в противофазе с напряжением U на затворе транзистора (усилительный каскад с общим истоком), поэтому ф/ш) = тг. Следовательно, для выполнения условия баланса фаз /?С-цепочка должна обеспечивать 180°-й фазовый сдвиг на частоте генерации. Это требование является определяющим при расчете параметров цепи обратной связи.

с

Рис. 8.15. ЛС-автогенератор

Если цепочка КОС составлена из трех одинаковых (как обычно и делается) интефирующих /гС-звеньев (см. рис. 8.15), то ее комплексный коэффициент передачи записывается в виде

Р(сй) = -

[5(aRCf - 1] + j[(aRC) - бш/гС]

(8.37)

Вывод этой формулы предоставляем читателю сделать самостоятельно* . В соответствии с выражением (8.37) 180°-й фазовый сдвиг получается при частоте, отвечающей условию

aRC [((o/?02 - 6] = 0.

Произведение (постоянная времени) RC определяет частоту генерации:

г=- (8.38)

Подставив это значение в выражение (8.37), получим:

Р( р) = Р((0,) = .

В стационарном режиме модуль коэффициента передачи усилителя КПП должен быть равен (баланс амплитуд):

(С0р) =

= 29.

Условием самовозбуждения является неравенство К(а,) > 29.

В подобном V?С-автогенераторе можно использовать и цепочку, составленную из трех дифференцирующих ЛС-звеньев. В этом случае частота генерации

а модуль коэффициента передачи усилителя КПП, обеспечивающий баланс амплитуд, не изменяется:

((Ор) =

Р((Ор)

= 29.

Распространенной ошибкой является попытка искать коэффициент передачи в виде р = р, ,где р,- коэффициент передачи элементарного Г-образного RC-

звена 298

Для перестройки генерируемой частоты используют ступенчатое переключение резисторов и когщенсаторов; плавную перестройку в офаниченном диапазоне частот чаще всего производят с помощью трех конденсаторов КОС, емкости которых одновременно изменяют.

При определении коэффициента передачи р((о) предполагают

(как и в § 8.7), что параметры КПП на работу ЛС-цепочки не влияют. Практически формулами (8.37) - (8.39) пользуются, если выполняется неравенство

R Rc,

где Rc - сопротивление в цепи стока транзистора.

jRC-автогенератор с мостом Вина. Эта распространенная схема /?С-автогенератора приведена на рис. 8.16. Баланс фаз здесь реализуется в самом КПП, который может, например, представлять собой два последовательно включенных усилительных каскада, каждый из которых поворачивает фазу на 180° (на рис. 8.16 изображена схема генератора на операционном усилителе ОУ; сигнал обратной связи поступает на неинвертирующий вход ОУ). Мост Вина вносит на частоте генерации нулевой фазовый сдвиг (заметим, что нулевой фазовый сдвиг имеет место и при непосредственном соединении выхода и входа усилителя КПП, однако условия баланса фаз соблюдаются при этом в широком диапазоне частот, что для генератора гармонического колебания неприемлемо). Роль моста Вина состоит в возможном ограничении диапазона частот, на которых условие баланса фаз соблюдается.

Если параметры КПП на работу ЛС-цепочки не влияют (или влияют слабо), комплексный коэффициент передачи моста Вина имеет вид

Р(ш) = -

, Ri Со 1 + +

aCiRi -

(О С,/?

Ri Q

Частота, на которой вносится нулевой фазовый сдвиг, определяется из уравнения

(0С|У<2 1

= 0,

Чаще всего используют одинаковые рис. 8.16. лс-автогенсратор резисторы и конденсаторы: Л| = /?2 = с мостом Вина

(oRC

-я/2

(oRC

Рис. 8.17. АЧХ и ФЧХ моста Вина

= /?, С, = Сз = С. Тогда на частоте генерации Шг = = \/(RQ коэффициент передачи р((йг) = 1/3. Отсюда вытекают условия баланса амплитуд и условия самовозбуждения. АЧХ и ФЧХ моста Вина приведены на рис. 8.17.

Преимуществом рассматриваемой схемы автогенератора является меньшее число перестраиваемых элементов (используют спаренный конденсатор переменной емкости). В /?С-автогенераторах фильтрация высших гармоник осуществляется цепью обратной связи. По очевидным причинам эта фильтрация выражена гораздо слабее, чем в LC-автогенераторах, поэтому приходится уделять особое внимание вопросу обеспечения гармонической формы генерируемого сигнала.

Простейшим решением оказывается ограничение уровня генерируемого сигнала, и поэтому ЛС-автогенератор является маломощным. Мощность выходного сигнала повышают, включая дополнительный усилитель.

Для автоматического ограничения уровня выходного сигнала в схему ЛС-автогенератора вводят отрицательную обратную связь, для чего часто используют терморезистор {R, на рис. 8.16), через который инвертирующий вход ОУ соединен с общим проводом (шиной). Сопротивление терморезистора растет с повышением его температуры. Если амплитуда генерируемого сигнала по какой-либо причине возрастает, то в итоге увеличивается уровень напряжения на инвертирующем входе ОУ, что приводит к снижению уровня генерируемого сигнала.

Автогенераторы с внутренней обратной связью. В § 8.1 использовалась модель источника энергии в виде гипотетического отрицательного сопротивления , компенсирующего потери колебательного контура. В § 8.3, где обсуждался автогенератор с внешней обратной связью, понятие отрицательного активного сопротивления приобретает более предметный характер, но остается всего лишь одной из возможных трактовок полученных результатов.

Рис 8 18. ВАХ туннельного Рис. 8.19. Авгогене-диода Ратор на туннельном

диоде

Рис. 8.20. Эквивалентная схема автогенератора на туннельном диоде

Существуют, однако, электронные приборы с ВАХ /=Дм), имеющей падающий участок, т. е. участок, на котором di/du < 0. При этом и du/di, т. е. дифференциальное сопротивление прибора на этом участке отрицательно. Таким прибором, в частности, является туннельный диод; говорят, что он имеет -образную ВАХ (рис. 8.18). При подключении такого прибора к колебательному контуру может возникнуть генерация.

На рис. 8.19 приведена схема автогенератора с внутренней обратной связью на туннельном диоде, на рис. 8.20 - эквивалентная ей по переменному току схема. Оказывается, что схема, приведенная на рис. 8.3, которая в § 8.1 рассматривалась как иллюстрация к качественному анализу, с добавлением некоторых вспомогательных элементов является, по существу, практической схемой.

Источник питания устанавливает рабочую точку на участке ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. По отношению к отрицательному сопротивлению R- напряжение на контуре рассматривается как ЭДС, и ток, протекающий через диод, определяется как /д = -uJR-. Напряжение на контуре и токи связаны очевидными соотношениями:

/д = к + с,

к = kL +

Используя эти формулы, можно получить:

. LC

С другой стороны.