Генератори коливань

Складові частини генератора

Більшість генераторів містять три основних вузла:

1. Підсилювач. Зазвичай, це підсилювач напруги. Може бути класів A, B або C.

2. Ланцюг формування сигналу. Вона складається з пасивних компонентів, таких як схеми фільтрів, які відповідають за форму і частоту коливань, що генеруються.

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

Мал. 1.1.1 - Основні елементи генератора

Загалом, генератор будується з підсилювача, частина вихідного сигналу якого надходить назад на його вхід. Таким чином, підсилювач видає сигнал на виході без необхідності подачі на його вхід будь-якого 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

Зворотній зв'язок в підсилювачі генератора повинна бути позитивною. Це стан, коли частина вихідного сигналу з підсилювача надходить знову на вхід, щоб бути в фазі з вхідним, і за рахунок додавання вхідного сигналу і сигналу зворотного зв'язку, амплітуда вхідного сигналу збільшується. Наприклад, підсилювач за схемою з загальним емітером 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, так само в 180 ° для того, щоб схема позитивного зворотного зв'язку працювала.

Результатом невеликого "кількості" позитивного зворотного зв'язку є зростаюче посилення, що дається ціною зростаючих шумів і спотворень. Якщо величина позитивного зворотного зв'язку досить велика, в результаті виходять коливання, де підсилювач видає свій власний сигнал.

Використання позитивного зворотного зв'язку

Коли підсилювач працює без зворотного зв'язку, то він знаходиться в режимі з "розімкнутої петлею". З зворотним зв'язком (або позитивної, або негативної) підсилювач знаходиться в режимі з "замкнутої петлею". У звичайних підсилювачах негативний зворотний зв'язок використовується реалізації переваг щодо смуги пропускання, спотворень і генерації шумів, і в цих схемах посилення при замкнутої петлі зворотного зв'язку набагато менше, ніж посилення при розімкнутої петлі. Незважаючи на це, коли використовується позитивний зворотний зв'язок, то посилення при замкнутому ланцюзі зворотного зв'язку (коли вона присутня) буде більше, ніж при розімкнутому ланцюзі зворотного зв'язку, коефіцієнт посилення цього підсилювача 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 сильно спотворені підсилювачі допустимі для деяких конструкцій синусоїдальних генераторів, де форма вихідного сигналу не так важлива.

В генераторах, що використовують позитивний зворотний зв'язок, дуже важливо те, що амплітуда сигналу на виході генератора залишається стабільною. Так що посилення замкнутої петлі зворотного зв'язку має дорівнювати 1 (одиниці). Іншими словами, коефіцієнт посилення підсилювача повинен відповідати ослаблення сигналу в ланцюзі зворотного зв'язку. Таким чином, там не виникатиме ні збільшення, ні зменшення амплітуди вихідного сигналу, як показано на малюнку 1.1.2.

Вимоги до коливань

Позитивний зворотний зв'язок повинна відбуватися на частоті, коли коефіцієнт посилення по напруги відповідає ослаблення (поділу) сигналу, яке відбувається у вузлі зворотного зв'язку. Наприклад, якщо 1/30 частина вихідного сигналу надходить назад в фазі з вхідним сигналом на необхідній частоті, і коефіцієнт посилення підсилювача (без урахування зворотного зв'язку) при цьому дорівнює 30, то коливання будуть мати місце.

Коливання повинні відбуватися на одній конкретній частоті.

Амплітуда коливань повинна бути постійною.

Використовується безліч різний конструкцій генераторів, кожна конструкція забезпечує вищевказані 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.

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

Переконайтеся, що достатня посилення для коливань має місце тільки на необхідній частоті, використовуючи підсилювач з дуже вузькою смугою пропускання, що працює тільки на необхідній частоті.

Використовуйте підсилювач в "ключовому режимі", щоб перемикати вихід між двома встановленими значеннями напруги, спільно з яким-небудь способом тимчасової затримки для управління часом, протягом якого підсилювач включений або виключений, контролюючи таким чином тимчасові інтервали генерується сигналу.

Методи 1 і 2 широко використовуються в синусоїдальних генераторах (в той час як метод 3 зручний для генерування прямокутних коливань), і іноді називаються апериодическими (засмученими) генераторами. Генератори, що використовують метод 3, часто використовують більше одного підсилювача і кілька времязадающих ланцюгів, тому часто називаються мультивібратора.

Мал. 1.1.2 - необхідність стабільної амплітуди

Як показано на малюнку 1.1.1, генератор повинен мати підсилювач, ланцюг позитивного зворотного зв'язку і будь-який спосіб контролю частоти. У синусоїдальних РЧ-генераторах частота може задаватися за допомогою настроюваного LC-контура, однак поряд з керуванням частотою коливань, також повинен забезпечуватися будь-якої метод (такий як негативний зворотний зв'язок) для стабілізації амплітуди генерується сигналу.

Без такої стабілізації коливання будуть або затухати і зупиняться, або раптово збільшиться їх амплітуда і підсилювач буде виробляти сильно спотворені через те, що транзистори підсилювача увійдуть в режим насичення ( "перевантаження") як показано на малюнку 1.1.2. Для генерування сигналу постійної амплітуди, коефіцієнт посилення підсилювача автоматично "підлаштовується" під час коливань.