Генератори коливань. Функціонування генераторів. Частина 2

Складові частини генератора

Більшість генераторів містять три основні вузли:

1. Посилювач. Зазвичай, це посилювач напруги. Може бути класів A, B або C.

2. Ланцюг формування сигналу. Він складається з пасивних компонентів, таких як схеми фільтрів, які відповідають за форму та частоту генерованих коливань.

3. Ланцюг позитивного зворотного зв'язку. Частина вихідного сигналу повертається, надходячи на вхід посилювача. Таким чином, відновлений та посилений сигнал зворотного зв'язку повертається назад і підтримує вихідний сигнал постійним.

Рис. 1.1.1 - Основні елементи генератора

В загальному, генератор будується з посилювача, частина вихідного сигналу якого надходить назад на його вхід. Таким чином, посилювач видає сигнал на виході без необхідності подачі на його вхід якогось зовнішнього сигналу, як показано на рис. 1.1.1. Це можна також розглядати як спосіб для перетворення постійної напруги в змінний сигнал.

Позитивний зворотний зв'язок

Зворотний зв'язок в посилювачі генератора має бути позитивним. Це стан, коли частина вихідного сигналу з посилювача надходить знову на вхід, щоб бути в фазі з вхідним, і за рахунок складання вхідного сигналу і сигналу зворотного зв'язку, амплітуда вхідного сигналу збільшується. Наприклад, посилювач по схемі з загальним еміттером створює фазовий зсув на 180° між його входом і виходом, тоді петля позитивного зворотного зв'язку повинна забезпечувати фазовий зсув вихідного сигналу, що надходить назад на вхід, також у 180° для того, щоб схема позитивного зворотного зв'язку працювала.

Результатом невеликої "кількості" позитивного зворотного зв'язку є зростаюче підсилення, яке дається ціною зростаючих шумів та спотворень. Якщо величина позитивного зворотного зв'язку достатньо велика, в результаті отримуються коливання, де посилювач видає свій власний сигнал.

Використання позитивного зворотного зв'язку

Коли посилювач працює без зворотного зв'язку, то він знаходиться в режимі з "розімкнутою петлею". З зворотним зв'язком (або позитивним, або негативним) посилювач знаходиться в режимі з "замкнутою петлею". У звичайних посилювачах негативний зворотний зв'язок використовується для реалізації переваг стосовно смуги пропускання, спотворень і генерації шумів, і в цих схемах підсилення при замкнутій петлі зворотного зв'язку набагато менше, ніж підсилення при розімкнутій петлі. Незважаючи на це, коли використовується позитивний зворотний зв'язок, підсилення при замкнутій ланцюзі зворотного зв'язку (коли вона присутня) буде більше, ніж при розімкнутій ланцюзі зворотного зв'язку, коефіцієнт підсилення цього посилювача збільшується за рахунок зворотного зв'язку. Додатковий ефект від введення позитивного зворотного зв'язку - це зменшення смуги пропускання (але це не суттєво для генераторів, що виробляють синусоїдальні коливання однієї частоти) і збільшення спотворень. Незважаючи на це, навіть досить сильні спотворення в посилювачі допустимі для деяких конструкцій синусоїдальних генераторів, де форма вихідного сигналу не настільки важлива.

В генераторах, що використовують позитивний зворотний зв'язок, дуже важливо, що амплітуда сигналу на виході генератора залишається стабільною. Так що підсилення замкнутої петлі зворотного зв'язку повинно бути рівним 1 (одиниці). Іншими словами, коефіцієнт підсилення посилювача повинен відповідати ослабленню сигналу в ланцюзі зворотного зв'язку. Таким чином, там не буде виникати ні збільшення, ні зменшення амплітуди вихідного сигналу, як показано на рисунку 1.1.2.

Вимоги до коливань

Позитивний зворотний зв'язок має відбуватися на частоті, коли коефіцієнт підсилення за напругою відповідає ослабленню (діленню) сигналу, яке відбувається в вузлі зворотного зв'язку. Наприклад, якщо 1/30 частина вихідного сигналу надходить назад в фазі з вхідним сигналом на необхідній частоті, і коефіцієнт підсилення посилювача (без урахування зворотного зв'язку) при цьому дорівнює 30, то коливання відбуватимуться.

Коливання повинні відбуватися на одній конкретній частоті.

Амплітуда коливань повинна бути постійною.

Використовується безліч різних конструкцій генераторів, кожна конструкція забезпечує вищезазначені вимоги різними способами. Деякі конструкції призначені для генерування сигналів певної форми або працюють краще в якійсь певній смузі частот. Яка конструкція б не використовувалася, стабільність частоти і амплітуди вихідного сигналу забезпечується одним з трьох основних методів.

Метод 1

Переконайтеся, що позитивний зворотний зв'язок працює тільки на тій частоті, яка потрібна. Цього можна досягти, якщо забезпечити надходження тільки сигналу необхідної частоти, або забезпечивши сигнал зворотного зв'язку в правильній фазі тільки на одній частоті.

Метод 2

Переконайтеся, що достатнє підсилення для коливань має місце тільки на необхідній частоті, використовуючи посилювач з дуже вузькою смугою пропускання, що працює тільки на необхідній частоті.

Метод 3

Використовуйте посилювач у "ключовому режимі", щоб перемикати вихід між двома встановленими значеннями напруги, спільно з якимось способом тимчасової затримки для управління часом, протягом якого посилювач увімкнено або вимкнено, контролюючи таким чином тимчасові інтервали генерованого сигналу.

Методи 1 і 2 широко використовуються в синусоїдальних генераторах (в той час як метод 3 зручний для генерування прямокутних коливань), і іноді називаються атиповими (розстроєними) генераторами. Генератори, що використовують метод 3, часто використовують більше одного посилювача та кілька тимчасових ланцюгів, тому часто називаються мультивібраторами.

Рис. 1.1.2 - необхідність стабільної амплітуди

Стабільність амплітуди

Як показано на рисунку 1.1.1, генератор повинен мати посилювач, ланцюг позитивного зворотного зв'язку та якийсь спосіб контролю частоти. В синусоїдальних РЧ-генераторах частота може задаватися за допомогою налаштовуваного LC-контуру, однак поряд з управлінням частотою коливань, також повинен забезпечуватися якийсь метод (такий як негативний зворотний зв'язок) для стабілізації амплітуди генерованого сигналу.

Без такої стабілізації коливання будуть або затухати і зупиняться, або раптово збільшиться їх амплітуда і посилювач буде виробляти сильні спотворення через те, що транзистори посилювача увійдуть в режим насичення ("перегрузки") як показано на рисунку 1.1.2. Для генерування сигналу постійної амплітуди, коефіцієнт підсилення посилювача автоматично "підлаштовується" під час коливань.

Оригінал статті