 |
|
ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Общие сведения
Генерирование электрических колебаний – процесс преобразования энергии стороннего источника в энергию электрических колебаний требуемой частоты, амплитуды, формы. Устройства, в которых реализуется процесс генерации, называются генераторами. Генераторы – источники электрических колебаний, находят применение как самостоятельные приборы в измерительной технике, в промышленной электронике, биологии, медицине, а также входят составными частями в радиоэлектронные системы, такие как радиопередатчики, компьютеры.
По диапазону частот генераторы подразделяются на низкочастотные (от 1 Гц до 1 МГц), высокочастотные (от 1 МГц до 100 МГц), сверхвысокочастотные (от 100 МГц до 200 ГГц).
По принципу получения электрических колебаний различают два вида генераторов: параметрические генераторы и автогенераторы.
Параметрические генераторы – устройства, в которых электрические колебания требуемой частоты получают путем преобразования энергии колебаний другой частоты. Примером параметрического генератора является оптический квантовый генератор (лазер), в котором энергия генератора накачки преобразуется в энергию когерентных волн оптического диапазона.
Автогенераторы – устройства, в которых колебания с требуемыми параметрами получают за счет преобразования энергии стороннего источника постоянного тока с помощью активного элемента (электронного прибора) без внешнего переменного воздействия.
В радиоэлектронике широко используются автогенераторы. Работа автогенераторов основана на положительных обратных связях (ПОС) в усилителях и на нелинейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) электронных приборов.
Структурная схема усилителя с обратной связью (ОС), представленная на рис. 5.1, содержит цепь прямой передачи – усилитель с комплексным коэффициентом передачи 
и цепь обратной связи с комплексным коэффициентом передачи 
. Для системы с ОС комплексный коэффициент передачи 
равен:
. (5.1)
При условии, когда петлевое усиление 
и 
, в системе действует ПОС, при этом 
. По мере приближения петлевого усиления 
к 1 
неограниченно возрастает. Это указывает на то, что слабые изменения тока (флуктуации) в усилителе вызывают нарастание амплитуды напряжения на его выходе без внешнего переменного воздействия. Усилитель, охваченный ПОС, переходит в неустойчивое состояние – самовозбуждается. Как следует из критерия устойчивости Найквиста при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения,
, (5.2)
коэффициент передачи системы, охваченной ПОС, обращается в бесконечность. Это означает, что на выходе системы появляется нарастающее напряжение при отсутствии напряжения 
приложенного извне, т.е. система самовозбуждается и превращается в автогенератор. Поэтому для автогенератора структурная схема рис. 5.1 приобретает вид, приведенный на рис. 5.2.
| 
|
| Рис. 5.1. Структурная схема усилителя с обратной связью | Рис. 5.2 . Структурная схема автогенератора |
Условие самовозбуждения в комплексной форме (5.2) справедливо, когда выполняются два условия
условие баланса фаз:
, 
0, 1, 2,… (5.3)
и амплитудное условие
. (5.4)
Условие баланса фаз означает, что в системе действует ПОС. При выполнении условия баланса фаз любые малые колебания, вызванные, например, тепловыми шумами, флуктуацией носителей заряда в ЭП, попадая на вход ЭП через цепь ПОС, усиливаются. Многократный проход сигнала по петле ПОС при выполнении амплитудного условия (5.4) приводит к возрастанию амплитуды выходного напряжения. По мере роста амплитуды выходного напряжения растет и амплитуда напряжения обратной связи 
. Большие амплитуды 
, воздействуя на вход ЭП, выводят его рабочую точку в нелинейную область ВАХ. Из-за нелинейности ВАХ ЭП уменьшается коэффициент усиления 
, и петлевое усиление становится равным 
. При этом амплитуда колебаний выходного напряжения достигает некоторого установившегося значения и автоматически поддерживается практически постоянной. Это соответствует установившемуся стационарному режиму. Условием стационарного режима являются:
условие баланса фаз:
, 
0, 1, 2,… (5.5)
и условие баланса амплитуд
. (5.6)
Условие баланса амплитуд соответствует установившемуся стационарному режиму и свидетельствует о том, что потери в цепи обратной связи целиком восполняются усилительным звеном.
При исследовании автогенераторов возникают две задачи:
1. Определение условия самовозбуждения схемы с ОС. Для ее решения используется приближение малого сигнала (линейная задача);
2. Определение амплитуды и частоты установившихся колебаний, когда нелинейностью ВАХ ЭП нельзя пренебречь. Вторая задача нелинейная и требует решения нелинейных дифференциальных уравнений.
Мы ограничимся выяснением только условий самовозбуждения. Об амплитуде и частоте генерируемых колебаний будем судить качественно по результатам графического анализа работы автогенератора.
В зависимости от формы генерируемых колебаний различают генераторы гармонических колебаний и релаксационные генераторы, вырабатывающие сигналы сложной формы. В автогенераторах гармонических сигналов условия самовозбуждения выполняются в узкой полосе частот, и в спектре их выходного сигнала присутствует практически одна гармоника. В релаксационных автогенераторах условия самовозбуждения выполняются в широкой полосе частот. Их выходной сигнал содержит широкий спектр гармонических составляющих, что и формирует на их выходах колебания сложной формы.