RC генераторы синусоидальных колебаний. Генераторы на полевых транзисторах Генератор rc типа

Применение генераторов с колебательными контурами для генерирования колебаний низких частот (ниже 10 кГц) затруднено из-за значительно увеличивающихся номиналов катушек индуктивности и конденсаторов, что влечет за собой увеличение размеров и стоимости генератора.

Поэтому в настоящее время для генерирования низких и инфранизких частот широко используются RC-генераторы, в которых вместо колебательного контура используются RC-фильтры.

RC-генераторы, работая в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до нескольких мегагерц, обеспечивают достаточную стабильность колебаний и имеют малые габариты и массу.

Применение полевых транзисторов в схемах RC-генераторов выгодно отличает их от биполярных транзисторов возможностью использования в цепи положительной обратной связи высокоомных резисторов, что в свою очередь позволяет использовать конденсаторы с меньшими номиналами, обладающие большей стабильностью.

Простейшие RC-генераторы на изображены на рис. 1. Как известно, условия возбуждения генератора требуют, чтобы цепь обратной связи изменяла на 180° (для однокаскадного генератора) фазу сигнала, поступающего со стоковой нагрузки в цепь затвора.

В схеме генератора, приведенной на рис. 1, а, это достигается выполнением цепи обратной связи из нескольких последовательно включенных простых RC-звеньев. Кроме того, ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи должно компенсироваться усилением каскада.

Для цепей с одинаковыми по значению элементами R и С условие баланса фаз на генерируемой частоте f 0 выполняется при следующих соотношениях :

для трёхзвенных f 0 =0,065/RC;

для четырёхзвенных f 0 =0,133/RC

Рис. 1. Схемы простейших RC-генераторов.

а - с фазирующей RC-цепочкой; б - с истоковым повторителем; в - с Т-образным RC-мостом.

Для трёхзвенной RC-цепи обратной связи требуемый коэффициент усиления каскада должен быть больше 29 , а в четырёхзвенной RC-цепи не менее 18,4.

Для повышения устойчивости работы генератора (из-за шунтирующего действия цепью обратной связи резистора нагрузки Rc) часто вводят дополнительный каскад - истоковый повторитель (рис. 1, б), имеющий высокое входное сопротивление.

Схема генератора с двойным Т-образным RC-фильтром (рис. 1, в), элементы которого выбраны следующим образом: С1=С2=С; С3=С/0,207; R1=R2=R; R3=0,207R - функционирует при условии, если коэффициент усиления каскада не менее 11. При этом частота колебаний

Рассмотренные простейшие RC-генераторы на ПТ не нашли широкого применения из-за присущих им недостатков.

Первый недостаток - это необходимость получения большого коэффициента усиления каскада, который у генератора с трёхзвенной цепью обратной связи должен быть не менее 29, Практическая реализация такого коэффициента усиления затруднительна из-за малого значения крутизны ПТ. Если учесть, что для улучшения формы генерируемых колебаний вводится отрицательная обратная связь, то коэффициент усиления каскада должен быть еще больше.

Второй недостаток - невозможность перестройки в широком диапазоне частот генераторов, выполненных по схеме с RC-цепочка-ми и Т-образным мостом в цепи обратной связи.

ГЕНЕРАТОРЫ, ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ

Наиболее широкое применение среди RC-генераторов нашла схема с фазовым RC-мостом (генератор на мосте Вина), принципиальная схема которого изображена на рис. 2. К достоинствам подобной схемы следует отнести малое затухание и нулевой сдвиг фаз в цепи обратной связи на частоте генерации.

Таким образом, при включении фазового RC-моста для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы усилитель генератора обеспечивал сдвиг фаз 360°.

Частота генерации при равенстве R1=R2=R и С1=С2=С определяется выражением

f 0 =1/2RCπ (1)

На этой частоте затухание фазового RС-моста минимально и равно 3. (Затухание β - величина ослабления, которое вносит фазовый RC-мост в проходящий сигнал в зависимости от расстройки Δf - определяется по выражению β=(9+(2Δf) 2 /f 0) 1/2) Отсюда следует, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, должно быть не менее 3. Благодаря малому значению требуемого усиления появляется возможность введения глубокой отрицательной обратной связи, что ведет к уменьшению уровня нелинейных искажений при работе в широком диапазоне частот.

В схеме рис. 2, а отрицательная обратная связь осуществляется за счет резистора в цепи истока транзистора T1 и введения цепочки R5C3. В качестве резистора R5 использовался малоинерционный термистор ТВД-4, резисторы R1, R2 - типа ПТМН, а конденсаторы С1 и С2 - типа КСО-Г. При указанных на схеме номиналах частота генерации f 0 =1500 Гц. При изменении температуры в диапазоне от 10 до 50° С была получена относительная нестабильность частоты

Δf/f=0,05% на 10° С.

Фазовый RC-мост имеет в своем составе всего по два одноименных элемента; следовательно, его можно перестраивать в широком диапазоне частот, изменяя значение только двух элементов R1, R2 или С1, С2), что делает перестройку генераторов с такими мостами конструктивно удобной.

На рис. 2, б приведена схема перестраиваемого генератора низкой частоты с фазовым RC-мостом. Частота генерируемых колебаний плавно перестраивается с помощью сдвоенного потенциометра R2, R3. Усилитель генератора двухкаскадный с непосредственной связью. Для стабилизации амплитуды колебаний генератора и его режима работы введена глубокая отрицательная обратная связь как по постоянному, так и переменному току (цепочка R8, R6, R5) Для перекрытия всего звукового диапазона следует ввести переключатель, который одновременно изменял бы емкости конденсаторов RC и С2 в обоих плечах моста.

Рис. 2. Принципиальные схемы генераторов с фазовым RС-мостом.

а - с двухкаскадным усилителем и ёмкостной связью; б - с двухкаскадным усилителем и непосредственной связью.

Рис. 3. Генератор, перестраиваемый в широком диапазоне

а - принципиальная схема; б - структурная схема.

Более сложная схема RС-генератора с использованием полевых транзисторов, позволяющая перестраивать частоту в декадном диапазоне, изображена на рис. 3. Для параметров, указанных на схеме, частота генератора лежит в диапазоне 500 кГц - 5 мГц; однако, изменив ёмкости конденсаторов, можно получить частоты в других диапазонах .

Два фазовращателя, фазоинвертор, усилитель и аттенюатор соединяются таким образом, что образуют петлю обратной связи. Схема будет генерировать колебания с частотой, при которой полный фазовый сдвиг составляет 360°. На этой частоте каждый из двух идентичных фазовращателей обеспечивает фазовый сдвиг на 90°.

Управляемый напряжением фазовращатель состоит из конденсатора C1 и транзистора Т2.

Транзисторы Т3, Т4 и конденсатор С3 образуют второй фазовращатель, который работает аналогично первому. Благодаря высокому сопротивлению фазовращателей отпадает необходимость в буферных каскадах. Затворы транзисторов Т2 и Т4 заземлены по переменному току и, следовательно, могут быть соединены. Транзистор Т5 предназначен для усиления сигнала.

Транзистор Т7 и резистор R6 образуют управляемый напряжением аттенюатор, при этом транзистор Т7 используется в качестве управляемого резистора.

Амплитудный детектор состоит из усилителя на транзисторе Т6, диодного детектора Д1 и фильтра R5C5. Когда амплитуда входного сигнала увеличивается, напряжение на затворе транзистора Т7 становится более отрицательным, при этом возрастает динамическое сопротивление транзистора и уменьшается коэффициент усиления в петле обратной связи.

СТАБИЛИЗАЦИЯ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ

Свойство полевого транзистора изменять сопротивление канала в зависимости от приложенного к затвору управляющего напряжения нашло достаточно широкое применение в генераторах для автоматической стабилизации уровня выходного сигнала.

На рис. 4, а приведена схема RC-генератора синусоидальных колебаний с регулируемой отрицательной обратной связью . Двухкаскадный усилитель на полевых транзисторах Т1 и Т3 охвачен положительной обратной связью через элементы R1-R4, С1, С3. Отрицательная обратная связь осуществляется через делитель, состоящий из резистора R6 и управляемого сопротивления канала полевого транзистора Т2 Установление стационарной амплитуды происходит за счет воздействия UВых (через детектор Д1 и его элементов R7, С5) на глубину отрицательной обратной связи и на режим питания транзистора Т1. Инерционность АРУ определяется в основном ёмкостью конденсатора С5 и сопротивлением резистора R7 . Такая автоматически регулируемая отрицательная обратная связь позволяет повысить стабильность характеристик генератора по сравнению с обычной схемой при изменении напряжений питания и температуры окружающей среды. При изменении питания от 18 до 10 В амплитуда выходного сигнала снижалась на 8%.

Рис. 4. Генераторы со стабилизацией амплитуды генерируемых колебаний.

а - RС-генератор с регулируемой ООС; б - LC-генератор с аттенюатором на ПТ.

Несколько иначе осуществляется автоматическая стабилизация уровня выходного сигнала генератора, принципиальная схема которого изображена на рис. 4, б . Напряжение сток - исток полевого транзистора Т1 регулируется переменным резистором R3, установленным в цепи затвора второго транзистора Т2. Часть выходного напряжения через трансформатор L1, L2 поступает на выпрямитель Д1 и фильтр R3C7. В зависимости от положения потенциометра R3 изменяется рабочая точка полевого транзистора, изменяется сопротивление его канала и соответственно амплитуда сигнала на выходе генератора. Потенциометром R3 устанавливают необходимую амплитуду выходного напряжения, которая в дальнейшем автоматически поддерживается на заданном уровне.

Как видно из приведённых выше примеров, использование полевых транзисторов в схемах автоматической стабилизации выходного напряжения генераторов позволяет значительно упростить подобные схемы и уменьшить необходимую мощность управления регулируемого элемента.

ЧМ ГЕНЕРАТОРЫ

В автоматике и телемеханике, измерительной технике возникает необходимость в широкополосной частотной модуляции при низкой несущей частоте. Так, например, в радиотелеметрии с частотным разделением каналов каждому- каналу отводится своя поднесущая частота. Генераторы поднесущих частот - это низкочастотные генераторы, частоты которых промодулированы сигналами от датчиков. Применение LC-генераторов в таких системах нежелательно из-за громоздкости выполнения в низкочастотном диапазоне. Поэтому в качестве задающего частотно-модулированного генератора поднесущей частоты используется RС-генератор.

Частота RС-генератора, как уже говорилось выше, определяется параметрами фазирующей RС-цепочки, изменяя которые определенным образом, осуществляют частотную модуляцию колебаний генератора. Для получения линейной модуляционной характеристики необходимо, чтобы одновременно по линейному закону изменялись отношения 1/R или 1/С фазирующей цепочки.

Рис. 5. ЧМ генератор на ПТ, а - принципиальная схема; б - модуляционная характеристика.

В качестве перестраиваемых напряжением ёмкостей применяются полупроводниковые диоды и транзисторы, используя зависимость ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Существенным недостатком подобного способа является большая нелинейность модуляционной характеристики ЧМ генератора из-за нелинейного изменения ёмкости от приложенного напряжения.

Полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы можно использовать и в качестве переменных сопротивлений. Однако такому способу получения ЧМ свойственны следующие недостатки : нелинейность модуляционной характеристики при больших девиациях частоты; большая амплитудная модуляция; плохая развязка источника модулирующего сигнала и автогенератора; значительная мощность, потребляемая управляющей цепью.

Перечисленных недостатков лишен способ осуществления ЧМ с помощью полевых транзисторов. Применение ПТ в качестве переменных сопротивлений в фазирующей цепи RС-генератора позволяет реализовать их важное достоинство - линейную зависимость проводимости канала от управляющего напряжения и высокое входное сопротивление частотного модулятора.

На рис. 5 изображена принципиальная схема ЧМ генератора с фазовым RС-мостом и его модуляционная характеристика для ПТ (Т{Г2) типа КП103Ж и КП103М, используемых в качестве переменных резисторов.

Резисторы R1 и R2 включены для уменьшения глубины девиации до необходимой; кроме того, используя резисторы с отрицательным ТКС, можно уменьшить влияние температурных изменений сопротивления канала ПТ на стабильность частоты генератора. С помощью источника смещения Eсм устанавливают необходимое значение сопротивления каналов ПТ при управляющем (модулирующем) сигнале UBX=0.

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Релаксационные генераторы низких частот имеют большую постоянную времени. В мультивибраторах, выполненных на биполярных транзисторах, для получения большой постоянной времени используются электролитические конденсаторы с большой ёмкостью, обладающие невысокой стабильностью. Высокое же входное сопротивление полевых транзисторов позволяет получать необходимую постоянную времени в релаксационных схемах без использования конденсаторов с большой ёмкостью. Поэтому в тех случаях, когда требуется реализовать постоянные времени примерно несколько секунд или минут, целесообразно использовать полевые транзисторы.

В схеме, изображенной на рис. 6, а, два полевых транзистора включены по схеме истоковых повторителей, а два биполярных транзистора являются переключателями. Принцип работы схемы аналогичен принципу работы обычного мультивибратора, причём комбинацию биполярного и полевого транзистора следует рассматривать как некоторый активный элемент. Таким образом, в схему вносится высокое входное сопротивление полевых транзисторов и одновременно обеспечивается большое полное усиление. Биполярные транзисторы не входят в состояние насыщения, так как напряжение их коллекторов питает стоки полевых транзисторов. В результате такого соединения мультивибратор устойчиво самовозбуждается; поскольку рабочие точки транзисторов смещены в линейную область, любое изменение входного тока вызывает изменение коллекторного напряжения. Эта схема хорошо работает и на высоких частотах.

Рис. 6. Схемы мультивибраторов на ПТ.

а - с ненасыщенными биполярными транзисторами; б - с насыщенными биполярными транзисторами.

Длительность пребывания мультивибратора в каждом из состояний определяется разрядом конденсатора С1 или С2 через резистор цепи затвора. Когда напряжение достигает значения, равного напряжению отсечки полевого транзистора, изменение тока истока заставляет схему перейти в другое состояние. Если ёмкость каждого конденсатора С1 и С2 равна 4 мкФ, то, изменяя R1 и R2 в сторону увеличения, можно повысить длительность периода мультивибратора от 8 мс до 6 мин. Если ёмкость каждого из конденсаторов выбрать равной 100 пФ, то частоту можно изменить от 100 Гц до 3 мГц

Несколько иначе выполнен мультивибратор, схема которого изображена на рис. 6, б . Рассмотрим принцип действия этой схемы. Допустим, что транзистор Т1 переходит в состояние насыщения, тогда на затворе Т4 появляется положительный потенциал и транзисторы Т4 и Т2 закрываются. Скачок напряжения на коллекторе Т2 приводит к надежному открыванию транзисторов Т1 и Т3. Ток смещения, текущий к затвору Т3 через резистор R2, поддерживает его в этом состоянии. Конденсатор С1 разряжаясь через резистор уменьшает напряжение смещения на затворе Т4. Когда напряжение Uзи транзистора Т4 уменьшается до напряжения отсечки, транзисторы Т4 и Т2 начинают проводить и быстро открываются, в то время как Т1 и Т3 закрываются. Длительность импульса мультивибратора определяется по формуле

(2)

где Ес - напряжение источника питания.

При номиналах деталей, указанных на схеме рис. 8, б, получена длительность импульса примерно 25 с.

ГЕНЕРАТОРЫ ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Используя источник неизменного тока на полевом транзисторе в генераторе пилообразного напряжения, можно получить пилу, линейность и наклон которой почти не зависят от случайных изменений управляющего напряжения. Кроме того, полевые транзисторы позволяют реализовать схемы генераторов развертки с такими значениями линейности и длительности, которых трудно достигнуть при использовании биполярных транзисторов.

Генератор пилообразного напряжения, изображенный на рис. 7, состоит из источника постоянного тока на полевом транзисторе T1, конденсатора переменной ёмкости С1 и однопереходного транзистора Т2. С помощью потенциометра R2 устанавливается значение постоянного тока стока полевого транзистора Т1, соответствующее термостабильной точке ПТ. Отрицательная обратная связь, создаваемая включенными в цепь истока резисторами R1 и R2 с большим сопротивлением, обеспечивает стабильный ток стока несмотря на наличие изменений напряжения питания. Этот ток линейно заряжает конденсатор переменной емкости С1 до напряжения запуска однопереходного транзистора Т2. Время заряда является функцией ёмкости конденсатора С1 .

Рис. 7. Схема генератора пилообразного напряжения.

Изменяя ёмкость конденсатора С1, можно регулировать частоту повторения выходного сигнала генератора в диапазоне от 500 Гц до 50 кГц. Накопительный конденсатор быстро разряжается через проводящий переключатель на транзисторе Т2. Пилообразное напряжение с конденсатора С1 подается на выход через эмиттерный повторитель на транзисторе Т3. Амплитуда выходного сигнала определяется положением движка потенциометра R4 и может регулироваться в пределах от 0 до 8 В . Во всём диапазоне частот нелинейность пилообразного напряжения в данной схеме не превышает 1%.

КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Одним из самых важных параметров генераторов является стабильность частоты генерируемых колебаний. Жёсткие требования к стабильности и воспроизводимости частоты в современных радиотехнических устройствах удается удовлетворить при использовании кварцевых генераторов.

Рис. 8. Схема кварцевого генератора.

Ламповые кварцевые генераторы в большинстве практических случаев являются неприемлемыми ввиду таких недостатков, как большая потребляемая мощность, большие габариты и масса. Кроме того, сама лампа является источником тепла, что затрудняет термостатирование генератора.

Ввиду малого входного сопротивления биполярных транзисторов кварцевый резонатор в автогенераторах включают только между базой и коллектором.

Полевые транзисторы, в которых отсутствуют перечисленные выше недостатки электронных ламп и биполярных транзисторов, в настоящее время достаточно часто используются в схемах кварцевых генераторов.

А.Г. Милехин

Литература:

1. Гозлинг В. Применение полевых транзисторов. М., «Энергия», 1970.
2. Барсуков Ф. И. Генераторы и селективные усилители низкой частоты. М., «Энергия», 1964.
3. Гоноровский И. С Радиотехнические цепи и сигналы. М., «Советское радио», 1971.
4. Ван дер Гиир. Перестройка RC-генератора в декадном диапазоне с помощью полевых транзисторов. - «Электроника», № 4, 1969.
5. Крисилов Ю. Д. Автоматическая регулировка и стабилизация усиления транзисторных схем. М., «Советское радио», 1972.
6. Проссер Л. Стабильные генераторы на полевых транзисторах. - «Электроника», 1966, № 20.
7. Ханус, Мартинес. Стабильный НЧ мультивибратор с двумя ПТ. - «Электроника», 1967, №1.
8. Илэд Л. Использование полевого транзистора для получения стабильного пилообразного напряжения. - «Электроника», 1966, № 16.
9. Экспресс-информация «ПЭА и ВТ», 1973, № 47.
10. Кинг Л. Стабильный кварцевый генератор на полевом транзисторе. - «Электроника», 1973, №13.
11. Игнатов А.Н. Применение полевых транзисторов типа КП103 в аппаратуре связи. - В книге: Тенденции развития активных радиокомпонентов малой мощности. Новосибирск, "Наука", 1971.

RC -генератором называют генератор гармонических колебаний, в котором вместо колебательной системы, содержащей элементы L и С , применяется резистивно-емкостная цепь (RC -цепь), обладающая частотной избирательностью.

Исключение из схемы катушек индуктивности позволяет существенно уменьшить габариты и массу генератора, особенно на низких частотах, так как с понижением частоты резко увеличиваются размеры катушек индуктивности. Важным достоинством RC -генераторов по сравнению с LC -генераторами является возможность их изготовления по интегральной технологии. Однако RC -генераторы имеют низкую стабильность частоты генерируемых колебаний, обусловленную низкой добротностью RC -цепей, а также плохую форму колебаний в силу плохой фильтрации высших гармоник в спектре выходного колебания.

RC -генераторы могут работать в широком диапазоне частот (от долей герца до десятков мегагерц), однако нашли применение в аппаратуре связи и измерительной технике преимущественно на низких частотах.

Основы теории RC -генераторов были разработаны советскими учеными В. П. Асеевым, К. Ф. Теодорчиком, Э. О. Сааковым, В. Г. Криксуновым и др.

RC -генератор обычно включает в себя широкополосный усилитель, выполненный на лампе, транзисторе или интегральной схеме и RC -цепь обратной связи, обладающую избирательными свойствами и определяющую частоту колебаний. Усилитель компенсирует потери энергии в пассивных элементах и обеспечивает выполнение амплитудного условия самовозбуждения. Цепь обратной связи обеспечивает выполнение фазового условия самовозбуждения только на одной частоте. По виду цепи обратной связи RC -генераторы делятся на две группы:

с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи;

со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180.

Для улучшения формы генерируемых колебаний в RC -генераторах применяют элементы, обладающие нелинейностью, которые ограничивают нарастание амплитуды колебаний. Параметры такого элемента изменяются в зависимости от амплитуды колебаний, а не от их мгновенных значений (терморезистор, сопротивление которого зависит от степени нагрева проходящим через него током). При таком ограничении форма колебаний не меняется, они остаются гармоническими и в стационарном режиме.

Рассмотрим оба типа RC -автогенераторов.

Автогенератор со сдвигом фазы на 180 в цепи обратной связи.

Такой автогенератор еще называют автогенератором с трехзвенной цепью RC .

В схемах RC -генераторов со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180 используются усилители, инвертирующие фазу входного напряжения. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с инвертирующим входом, однокаскадный усилитель или многокаскадный усилитель с нечетным числом инвертирующих каскадов.

Для того, чтобы выполнялось уравнение баланса фаз, цепь обратной связи должна обеспечить фазовый сдвиг ОС = 180.

Для обоснования структуры цепи обратной связи воспроизведем фазочастотные характеристики простейших RC -звеньев (рис. 3,4).

Рис. 3 Вариант RC -звена и его ФЧХ

Рис. 4 Вариант RC -звена и его ФЧХ

Из графиков видно, что одно простейшее RC -звено вносит сдвиг фаз, не превышающий 90. Поэтому сдвиг по фазе величиной 180 можно осуществить путем каскадного соединения трех элементарных RC -звеньев (рис.5).

Рис. 5 Схемы и ФЧХ трехзвенных RC -цепей

Элементы RC -цепи рассчитываются так, чтобы на частоте генерации получить сдвиг фаз 180. Один из вариантов генератора с трехзвенной цепью RC показан на рисунке 6

Рис. 6 Генератор с трехзвенной цепью RC

Генератор состоит из резистивного усилителя на транзисторе и цепи обратной связи. Однокаскадный усилитель с общим эмиттером осуществляет сдвиг фазы между напряжением на коллекторе и базе К = 180. Следовательно, для выполнения баланса фаз цепь обратной связи должна обеспечивать на частоте генерируемых колебаний ОС = 180.

Проведем анализ цепи обратной связи, для чего составим систему уравнений по методу контурных токов.

Решая полученную систему относительно коэффициента обратной связи, получим выражение

Из выражения следует, что фазовый сдвиг 180 получается в том случае, когда будет вещественной и отрицательной величиной, т. е.

следовательно, генерация возможна на частоте

На этой частоте модуль коэффициента обратной связи

Это означает, что для возбуждения автоколебаний коэффициент усилителя должен быть больше 29.

Выходное напряжение генератора обычно снимают с коллектора транзистора. Для получения колебаний гармонической формы в цепь эмиттера включен терморезистор R Т с положительным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении амплитуды колебаний сопротивление R Т возрастает и увеличивается глубина отрицательной обратной связи в усилителе по переменному току, соответственно, падает коэффициент усиления. Когда наступает стационарный режим колебаний (К = 1), усилитель остается линейным и искажения формы коллекторного тока не происходит.

Автогенератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи.

Характерной особенностью схем RC -генераторов с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи является использование в них усилителей, не инвертирующих фазу входного сигнала. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с неинвертирующим входом или многокаскадный усилитель с четным числом инвертирующих каскадов. Рассмотрим некоторые возможные варианты цепей обратной связи, обеспечивающих нулевой фазовый сдвиг (рис. 7).

Рис. 7 Варианты цепей ОС, обеспечивающие нулевой фазовый сдвиг

Они состоят из двух звеньев, одно из которых представляет RС -звено с положительным фазовым сдвигом, а второе – с отрицательным сдвигом фазы. В результате сложения ФЧХ на определенной частоте (частоте генерации) можно получить фазовый сдвиг, равный нулю.

На практике наиболее часто в качестве избирательной цепи с нулевым фазовым сдвигом применяют фазобалансный мост, или по-другому мост Вина (рис. 7 в), применение которого показано в схеме RC -генератора с нулевым фазовым сдвигом, выполненного на операционном усилителе (рис. 8).

Рис. 8 RC -генератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи ОС

В этой схеме напряжение с выхода усилителя подается на его неинвертирующий вход через цепь обратной связи, образованную элементами моста Вина R 1 C 1 и R 2 C 2 . Резистивная цепочка RR Т образует еще одну обратную связь – отрицательную, которая предназначена для ограничения нарастания амплитуды колебаний и сохранения их гармонической формы. Напряжение отрицательной обратной связи поступает на инвертирующий вход операционного усилителя. Терморезистор R Т должен иметь отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Коэффициент передачи цепи обратной связи

должен быть вещественной и положительной величиной, а это возможно при выполнении равенства

Отсюда определяется частота генерируемых колебаний. Если R 1 = R 2 =R , C 1 = C 2 = C , то

Амплитудное условие самовозбуждения на частоте 0 требует выполнения неравенства

При равенстве R 1 = R 2 = R и C 1 = C 2 = C коэффициент усиления К > 3.

Частоту колебаний можно изменять путем изменения сопротивлений R или емкостей конденсаторов С , входящих в состав моста Вина, а амплитуда колебаний регулируется сопротивлением R .

Основное преимущество RC -генераторов перед LC -генераторами заключается в том, что первые легче реализовать для низких частот. Например, если в схеме генератора с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи (рис. 8) R 1 = R 2 = 1 МОм, C 1 = C 2 = 1 мкФ, то генерируемая частота

.

Чтобы получить такую же частоту в LC -генераторе, потребовалась бы индуктивность L = 10 16 Гн при С = 1 мкФ, что трудно осуществить.

В RC -генераторах можно, изменяя одновременно величины емкостей С 1 и С 2 , получить более широкий диапазон перестройки частоты, чем это имеет место в LC -генераторах. Для LC -генераторов

в то время как для RC -генераторов, при С 1 = С 2

К недостаткам RC -генераторов следует отнести тот факт, что на относительно высоких частотах они труднее реализуются, чем LC -генераторы. Действительно, величину емкости нельзя снизить меньше емкости монтажа, а уменьшение сопротивлений резисторов приводит к падению коэффициента усиления, что затрудняет выполнение амплитудного условия самовозбуждения.

Перечисленные достоинства и недостатки RC -генераторов обусловили их применение в низкочастотном диапазоне с большим коэффициентом перекрытия по частоте.

Применение генераторов с колебательными контурами (типа LC) для генерирования колебаний с частотами меньше 15--20 кГц затруднено и неудобно из-за громоздкости контуров. В настоящее время для этих целей широко используются генераторы типа RC, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RС-фильтры. Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких частот.

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний типа RC приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5

Усилитель строится по обычной резистивной схеме. Для самовозбуждения усилителя, т. е. для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превышающую входное напряжение или равную ему по величине и совпадающую с ним по фазе, иными словами, охватить усилитель положительной обратной связью достаточной глубины. При непосредственном соединении выхода усилителя с его входом происходит самовозбуждение, однако форма генерируемых колебаний будет резко отличаться от синусоидальной, поскольку условия самовозбуждения будут одновременно выполняться для колебаний многих частот. Для получения синусоидальных колебаний необходимо, чтобы эти условия выполнялись только на одной определенной частоте и резко нарушались на всех других частотах.

Рис. 1.6

Эта задача решается с помощью фазовращающей цепочки, которая имеет несколько звеньев RC и служит для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180°. Изменение фазы зависит от числа звеньев п и равно

В связи с тем что одно звено RC изменяет фазу на угол < 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки п -- 3. В практических схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепочки.

На рис. 1.6 изображены два варианта таких цепочек, получивших название соответственно «R-параллель» и «С-параллель». Частота генерируемых синусоидальных колебаний для этих схем при условии R1 = R 2 = R 3 = R и C t = С 2 = С3 = С рассчитывается по следующим формулам: для схемы на рис. 1.6, а:

для схемы на рис. 4.6, б:

Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть равен затуханию, вносимому фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя, или превышать его.

Расчеты показывают, что для приведенных схем затухание

Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать синусоидальные колебания с частотой f 0 лишь в том случае, если коэффициент усиления усилителя превышает 29.

В фазовращающей цепи с одинаковыми звеньями каждое последующее звено оказывает шунтирующее действие на предыдущее. Для уменьшения шунтирующего действия звеньев и снижения затухания в фазовращающей цепи обратной связи могут применяться так называемые прогрессивные цепочки. В этом случае сопротивление резистора каждого последующего звена выбирается в tn раз больше сопротивления предыдущего звена, а емкости последующих звеньев во столько же раз уменьшаются:

Обычно величина т не превышает 4--5.

На рис. 1.7 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой.

С точки зрения обеспечения условия баланса фаз такой генератор можно было бы построить и на одном транзисторе (Т2) с общим эмиттером. Однако в этом случае цепочка обратной связи шунтирует резистор R K усилительного транзистора и снижает его усиление, а малое входное сопротивление транзистора резко увеличивает затухание в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т1.

Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся незатухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают.

Автогенераторы с фазовращающими цепями обычно применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне. Диапазонные автогенераторы типа RC строятся несколько иначе. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Если усилитель поворачивает фазу входного сигнала на 2? (например, усилитель, имеющий четное число каскадов), то при охвате положительной обратной связью достаточной глубины он может генерировать электрические колебания без включения специальной фазовращающей цепочки. Для выделения требуемой частоты синусоидальных колебаний из всего спектра частот, генерируемых такой схемой, необходимо обеспечить выполнение условий самовозбуждения только для одной частоты. С этой целью в цепь обратной связи может быть включена последовательно-параллельная избирательная цепочка, схема которой приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.7

Определим свойства этой цепочки, рассматривая ее как делитель напряжения.

Между выходным и входным напряжениями существует очевидная зависимость

Коэффициент передачи напряжения этой цепью

На квазирезонансной частоте w 0 коэффициент передачи напряжения должен быть равен действительному числу. Это возможно лишь в том случае, если сопротивления, выраженные соответствующей математической записью в числителе и знаменателе последней формулы, будут иметь одинаковый характер. Данное условие обеспечивается лишь в том случае, если действительная часть знаменателя равна нулю, т. е.

Отсюда частота квазирезонанса

Что же касается коэффициента передачи напряжения, то на квазирезонансной частоте он равен

Подставляя в эту формулу значение

Считая R1 = R 2 = R и C 1 = С 2 = С, найдем окончательные значения f 0

Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте, равно

Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть равен 3. Очевидно, что это требование выполнить достаточно легко. Реальный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее К о = 3. Поэтому целесообразно наряду с положительной обратной связью ввести в усилитель отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время существенно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого генератора приведена на рис. 1.9.

Схема транзисторного RC-генератора с перестройкой частоты

Терморезистор в цепи эмиттера транзистора Т1 предназначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Регулировка частоты осуществляется с помощью спаренного потенциометра R1R2.

В настоящее время дискретные элементы (транзисторы) достаточно редко используются для постоения генераторов. Чаще всего для этих целей применяют различные типы интегральных микросхем. Схемы, построенные на ОУ, перемножителях, компараторах и таймерах, отличаются простотой, стабильностью параметров, универсальностью. Гибкость и универсальность ОУ позволяют с минимальным количеством внешних компонентов создавать простые, но в то же время удобные при настройке и регулировке генераторы практически всех типов с удовлетворительными параметрами.

Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих RС-цепей.

Существуют и другие способы генерирования синусоидальных колебаний, например фильтрацией импульсов треугольной формы или выделением первой гармонической составляющей прямоугольных импульсов.

В данной статье мы рассмотрим RC генератор и принцип его работы, подробно рассмотрим его схемы, в том числе на операционном усилителе.

Описание и принцип работы

В руководствах по усилителю мы видели, что одноступенчатый транзисторный усилитель может генерировать 180 o фазового сдвига между его выходным и входным сигналами при подключении в конфигурации типа класса А.

Чтобы генератор мог бесконечно выдерживать колебания, должна быть обеспечена достаточная обратная связь правильной фазы, то есть «положительная обратная связь», а транзисторный усилитель используется в качестве инвертирующего каскада для достижения этой цели.

В цепи RC-генератора вход смещен на 180 o через ступень усилителя и на 180 o снова через вторую инвертирующую ступень, что дает нам «180 o + 180 o = 360 o » фазового сдвига, который фактически равен 0 o , тем самым давая нам требуемый положительный отзыв. Другими словами, фазовый сдвиг контура обратной связи должен быть равен «0».

В генераторе сопротивления-емкости или просто в генераторе RC мы используем тот факт, что фазовый сдвиг происходит между входом в сеть RC и выходом из той же сети, например, с использованием элементов RC в ветви обратной связи.

Фазовая цепь RC

Схема слева показывает одну сеть резистор-конденсатор, выходное напряжение которой «опережает» входное напряжение на угол менее 90 o . Идеальная однополюсная RC-цепь будет производить фазовый сдвиг точно на 90 o , а поскольку для колебаний требуется 180 o фазового сдвига, в конструкции RC-генератора необходимо использовать как минимум два однополюсных.

Однако в действительности трудно получить ровно 90 o фазового сдвига, поэтому используется больше стадий. Величина фактического фазового сдвига в цепи зависит от значений резистора и конденсатора, а выбранная частота колебаний с фазовым углом (Φ) задается как:

Где: X C — емкостное сопротивление конденсатора, R — сопротивление резистора, а ƒ — частота.

В нашем простом примере выше значения R и C были выбраны таким образом, чтобы на требуемой частоте выходное напряжение опережало входное напряжение под углом около 60 o . Затем фазовый угол между каждым последующим участком RC увеличивается еще на 60 o, давая разность фаз между входом и выходом 180 o (3 x 60 o), как показано на следующей векторной диаграмме.

Затем, соединяя вместе три такие RC-сети последовательно, мы можем произвести полный фазовый сдвиг в цепи 180 o на выбранной частоте, и это образует основы «генератора фазового сдвига», иначе называемого RC-генератором .

Мы знаем, что в схеме усилителя, использующей биполярный транзистор или операционный усилитель, он будет производить сдвиг фазы на 180 o между своим входом и выходом. Если трехступенчатая RC-сеть с фазовым сдвигом подключена между этим входом и выходом усилителя, общий фазовый сдвиг, необходимый для регенеративной обратной связи, составит 3 x 60 o + 180 o = 360 o , как показано ниже.

Три каскада RC каскадно соединены, чтобы получить необходимый наклон для стабильной частоты колебаний. Сдвиг фазы контура обратной связи составляет -180 o , когда фазовый сдвиг каждой ступени составляет -60 o . Это происходит, когда ω = 2πƒ = 1.732 / RC (tan 60 o = 1.732). Затем для достижения требуемого фазового сдвига в цепи генератора RC необходимо использовать несколько RC-фазосдвигающих сетей, таких как схема ниже.

Основная схема генератора RC

Базовый RC генератор, также известный как генератор фазового сдвига , генерирует выходной синусоидальный сигнал, используя регенеративную обратную связь, полученную из комбинации резистор-конденсатор. Эта регенеративная обратная связь от RC- сети обусловлена ​​способностью конденсатора накапливать электрический заряд (аналогично схеме LC-бака).

Эта сеть обратной связи резистор-конденсатор может быть подключена, как показано выше, для создания начального фазового сдвига (сеть с фазовым переходом) или взаимозаменяться для создания запаздывающего фазового сдвига (сеть с фазовым запаздыванием), результат остается тем же, что и синусоидальные колебания, которые возникают только при частота, на которой общий фазовый сдвиг составляет 360 o .

Изменяя один или несколько резисторов или конденсаторов в сети с фазовым сдвигом, можно изменять частоту, и, как правило, это делается путем поддержания одинаковых резисторов и использования 3-х значного переменного конденсатора.

Если все резисторы R и конденсаторы C в сети фазового сдвига равны по величине, то частота колебаний, создаваемых RC-генератором, определяется как:

Где:
ƒ r — выходная частота в герцах
R — сопротивление в омах
C — емкость в Фарадах
N — количество стадий RC, (N = 3)

Поскольку комбинация резистор-конденсатор в цепи RC-генератора также действует как аттенюатор, создавая полное затухание -1 / 29th (Vo / Vi = β) на всех трех ступенях, усиление напряжения усилителя должно быть достаточно высоким, чтобы преодолеть эти потери RC. Следовательно, в нашей трехступенчатой ​​RC-сети, приведенной выше, усиление усилителя тоже должно быть равно или больше 29.

Влияние нагрузки усилителя на сеть обратной связи влияет на частоту колебаний и может привести к тому, что частота генератора будет на 25% выше расчетной. Затем сеть обратной связи должна управляться от выходного источника с высоким импедансом и подаваться на нагрузку с низким импедансом, такую ​​как транзисторный усилитель с общим эмиттером, но лучше использовать операционный усилитель, поскольку он полностью удовлетворяет этим условиям.

Операционный усилитель RC генератора

При использовании в качестве RC-генераторов RC-генераторы с операционным усилителем встречаются чаще, чем их аналоги на биполярных транзисторах. Цепь генератора состоит из операционного усилителя с отрицательным усилением и трехсекционной RC- сети, которая генерирует сдвиг фазы на 180 o . Сеть с фазовым сдвигом подключается от выхода операционного усилителя обратно к его «инвертирующему» входу, как показано ниже.

Поскольку обратная связь подключена к инвертирующему входу, операционный усилитель, следовательно, подключен в своей конфигурации «инвертирующего усилителя», которая создает требуемый сдвиг фазы на 180 o, тогда как сеть RC производит другой сдвиг фазы на 180 o на требуемой частоте (180 o + 180 о).

Хотя возможно обеспечить каскадное соединение только двух однополюсных RC-каскадов, чтобы обеспечить требуемый сдвиг фазы на 180 o (90 o + 90 o), стабильность генератора на низких частотах обычно плохая.

Одной из наиболее важных особенностей RC-генератора является его стабильность частоты, которая заключается в его способности обеспечивать выходной синусоидальный сигнал постоянной частоты при различных условиях нагрузки. При каскадном соединении трех или даже четырех каскадов RC (4 x 45 o) стабильность генератора может быть значительно улучшена.

Обычно используются RC-генераторы с четырьмя каскадами, потому что общедоступные операционные усилители поставляются в четырехслойных интегральных схемах, поэтому проектирование четырехступенчатого генератора с фазовым сдвигом 45 o относительно друг друга относительно легкое.

RC-генераторы стабильны и обеспечивают хорошо сформированный синусоидальный выход с частотой, пропорциональной 1 / RC , и, следовательно, более широкий диапазон частот возможен при использовании переменного конденсатора. Однако RC-генераторы ограничены частотными приложениями из-за ограничений полосы пропускания для получения желаемого сдвига фазы на высоких частотах.

В следующем уроке об Осцилляторах мы рассмотрим другой тип RC-генератора, называемый мостовыми осцилляторами Wien, который использует резисторы и конденсаторы в качестве контура для создания низкочастотного синусоидального сигнала.

Мы рассмотрели одну из разновидностей генераторов с применением колебательного контура. Такие генераторы применяются в основном лишь на высоких частотах, а вот доля генерации более низких частот применение LC генератора может быть затруднительным. Почему? Давайте вспомним формулу: частота KC-генератора рассчитывается по формуле

То есть: для того чтобы уменьшить частоту генерации необходимо увеличить емкость задающего конденсатора и индуктивность дросселя и то, конечно, повлечет увеличение размеров.
Поэтому для генерации относительно низких частот применяются RC-генераторы
принцип работы которых мы и рассмотрим.

Схема самого простого RC-генератора (её еще называют схема с трехфазной фазирующей цепочкой), показана на рисунке:

По схеме видно, что это всего-навсего усилитель. Причем он охвачен положительной обратной связью (ПОС): вход его соединен с выходом и поэтому он постоянно находится в самовозбуждении. А частотой RC-генератора управляет так называемая,фазовращающая цепочка, которая состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3.
С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Кроме использования фазовращающей цепи есть еще один, более распространенный вариант. Генератор так-же построен на транзисторном усилителе, но вместо фазовращающей цепочки применен так называемый мост Вина- Робинсона (Фамилия Вин пишется с одной "Н"!!). Вот так он выглядит:

Левая часть схемы- пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение.
Правая часть- как частотно-независимый делитель.
Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. Вообще же должно выполнятся условие:

R3=2R4

Но только вот одна проблема: все это можно рассматривать лишь для идеальных условий. Реально-же все не так уж просто: малейшее отклонение от условия R3=2R4 приведет либо к срыву генерации или к насыщению усилителя. Чтобы было более понятно, давайте подключим мост Вина к операционному усилителю:

Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резистора R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление.
К примеру нелинейный резистор: управляемое сопротивление с помощью транзисторов. Или можно еще заменить резистор R4 микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если R1 и R2 заменить переменным,(но только сдвоенным), то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации.
Можно и емкости С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резистором R1R2 плавно регулировать частоту в диапазонах.

Почти практическая схема RC-генератора с мостом Вина на рисунке ниже:

Здесь: переключателем SA1 можно переключать диапазон, а сдвоенным резистором R1 можно регулировать частоту. Усилитель DA2 служит для согласования генератора с нагрузкой.