Генератор электрических колебаний высокой частоты

где Kо.с. =– модуль коэффициента передачи; ψо.с. – его аргумент, определяющий сдвиг фаз между входным напряжением цепи обратной связи.

Результирующий коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью, К=КусКос. Если в колебательной системе установятся синусоидальные колебания с постоянной амплитудой (стационарный

режим),

К=КусКос== 1 (1)

Подставляя в уравнение (1) значения Кус и Kо.с., получаем

K= Sср Rрез exp(jψус) Кос exp (jψо.с)= Кос Sср Rрез exp[j(ψус+ ψо.с)]=1. (2)

Уравнение (2) выражает условие стационарности автогенератора. Это уравнение распадается на два:

Кос Sср Rрез = 1, или КосКус=1 (3)

ψус+ ψо.с=0; 2π 4π; … (4)

1.Условие баланса амплитуд.

Соотношения (3) называют условием баланса амплитуд: в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора (элементы 1-3 на рис.№ 1) равен единице. В этом условии величины Кос и Rрез не зависят от амплитуды напряжения на входе усилительного элемента, а Sср- зависит (с увеличением Umвх средняя крутизна Sср уменьшается). Следовательно, условие баланса амплитуд выполняется лишь при определенном значении Umвх, т.е. при определенной амплитуде колебаний Umвых. Из (3) получаем

Кос = . (5)

Если Кос>, амплитуда колебаний на выходе автогенератора нарастает до тех пор, пока вновь не выполниться условие (3). При Кос< возникновение колебаний невозможно, поскольку энергия, поступающая в колебательную систему, недостаточна для компенсации потерь. Таким образом, условие баланса амплитуд определяет, с одной стороны, стационарную амплитуду выходных колебаний, а с другой – наименьший коэффициент передачи цепи обратной связи, обеспечивающий самовозбуждение генератора. Этот коэффициент Ко.с.кр называют критическими. Надежное самовозбуждение генератора возможно только при Кос> Ко.с.кр.

2. Условие баланса фаз.

Это условие определяется (4): в стационарном режиме суммарный угол сдвига фаз при обходе замкнутого кольца автогенератора должен быть равен нулю или целому числу 2π.

В цепях автогенератора могут быть следующие сдвиги фаз.

· Сдвиг фаз на угол ψ1=π, создаваемый усилительным элементом (например, транзистор при его включении по схеме с общим эмиттером), между его входным Umвх и выходным Umвых напряжениями.

· Сдвиг фаз на угол ψо.с. возникающий в цепи обратной связи между её входным Umвх и выходным Umвых напряжениями.

· Сдвиг фаз на угол ψ2 между напряжениями на входе усилительного элемента Umвх и первой гармоникой его выходного тока Im1. Этот сдвиг возникает на очень высоких частотах и при правильном выборе лампы или транзистора угол ψ2≈00.

· Сдвиг фаз на угол ψ3 между напряжением Umвых и током Im1. Если колебательный контур точно настроен на частоту первой гармоники выходного тока, угол ψ3≈00.

Таким образом, условие (4) можно переписать в следующем виде:

ψ1+ ψ2+ ψ3+ ψо.с= 1800+00+ ψо.с= 0; 3600;7200,… или ψо.с =±1800 (6)

Соотношение означает, что для выполнения условия баланса фаз цепь обратной связи должна изменять фазу подводимого к ней переменного напряжения Umвых и 1800. В большинстве автогенераторов существует лишь одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, т.е. на которой возможно генерирование колебаний. Следовательно, условие (4) определяет частоту автоколебаний ωавт.

2.2 Режимы самовозбуждения автогенератора

В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительного элемента, и от коэффициента Кос возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.

1.Режим мягкого самовозбуждения.

В данном режиме рабочую точку А выбирают на линейном участке вольт-амперной характеристики усилительного элемента, что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока iвых (рис. №2).

Рис. № 2. Диаграмма, мягкого режима самовозбуждения.

В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения Uвх, всегда имеющихся в реальных условиях из-за флуктуаций носителей заряда.

Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки вольт-амперной характеристики со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны Sср и коэффициента передачи Кос цепи обратной связи.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи К уменьшится до единице. В результате в автогенераторе установиться стационарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных колебаний, причем угол отсечки выходного тока 0>900. Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы.

Если бы усилительный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.

Из-за нелинейности воль-амперной характеристики форма выходного тока iвых усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при достаточно большой добротности (50…200) колебательной системы первая гармоника этого тока и, следовательно, напряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармонические колебания.

2. Режим жесткого самовозбуждения.

При этом режиме напряжение смещения U0 задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначительный колебания, возникшие в контуре, не могут вызвать ток выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возникают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникновения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрирует с помощью рис.№3.

Рис.№ 3. Диаграмма жесткого самовозбуждения

Из рассмотрения этого рисунка видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая1) ток iвых=0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напряжения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В стационарном режиме усилительный элемент работает у углами отсечки выходного тока 0<900.

Для удобства эксплуатации автогенератора целесообразнее применить мягкий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника питания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки 0<900 обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного тока усилительного элемента.

 Скачать реферат