Основы радиоэлектроники и связи

10. Автогенераторы гармонических колебаний : 10.1. Автогенераторы с внешней обратной связью

10.1.5 Мягкий и жесткий режимы самовозбуждения автогенератора

Мягкий режим характеризуется безусловным быстрым установлением стационарного режима при включении автогенератора.

Жесткий режим требует дополнительных условий для установления колебаний: либо большой величины коэффициента обратной связи, либо дополнительного внешнего воздействия (накачки).

В АГ с мягким режимом положение рабочей точки не зависит от развивающихся колебаний. Для наилучшего возбуждения желательно, чтобы рабочая точка активного элемента находилась в середине линейного участка ДПХ, то есть в точке максимального усиления (рис.10).

Рис.10.

В АГ с жестким режимом возбуждения рабочую точку устанавливают в области нижнего нелинейного участка (близко к отсечке) так, чтобы ток в отсутствие генерации был бы близок к нулю. Из-за малого коэффициента усиления начальные колебания могут не развиться (рис.11).

Рис.11.

Для анализа качества режима возбуждения используют так называемые колебательные характеристики АГ: зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя (или коэффициента усиления) от амплитуды входного напряжения при разомкнутом контуре АГ, причем размыкание можно осуществить в любой удобной точке, например так, как показано на рис.12.

Рис.12.

Мягкий режим самовозбуждения характеризуется постоянно вогнутой кривой с максимальной крутизной в начале координат. Цепь обратной связи в координатах колебательной характеристики называется линией обратной связи (ЛОС).Так как  то в координатах уравнение линии обратной связи имеет вид , а

в координатах ЛОС представляет собой линию, параллельную оси абсцис.

Точка пересечения нелинейной колебательной характеристики с ЛОС в соответствии с уравнением баланса амплитуд определяет стационарные амплитуды и.

На рис. 13 показаны типичный вид колебательной характеристики АГ с мягким самовозбуждением и несколько ЛОС.>

Рис. 13

Из рис.13 видно, что при колебательная характеристика и ЛОС имеют две точки пересечения О и М, причем т. О является неустойчивой, а М – устойчива.

Действительно, рассмотрим случай, при котором имеет место устойчивая генерация (рис. 14).

Рис.14

Пусть при включении АГ в некоторый момент времени на выходе возникло напряжение с амплитудой . Это колебание через цепь обратной связи передается на вход с амплитудой . В свою очередь напряжение вызовет на выходе напряжение ( см. по стрелкам на рис.14) и т.д. Далее можно осуществить переход с колебательной характеристики на ЛОС, с ЛОС на колебательную характеристику и т. д. , пока в результате не попадем в точку М. Такого рода графики называют диаграммами Ламерея. Эта диаграмма показывает, что любое, сколь угодно малое возмущение при включении АГ приводит его в стационарное состояние, определяемое точкой М. На рис. 15показано, что т. М является стационарной при изменениях амплитуды от .

Рис. 15

Аналогичные диаграммы можно рассматривать, используя рис. 13,б.

Для изменения величины стационарной амплитуды в АГ с мягким режимом достаточно менять величину коэффициента обратной связи. При увеличении К_ос от нуля автоколебания не возникают до тех пор, пока величина К_ос не достигнет величины К_ос,кр=1/К(0), где К(0) - коэффициент усиления при , т. е. при возбуждении АГ. Дальнейшее увеличение К_ос приводит к увеличению (см. рис. 16). Уменьшение К_ос приводит к изменению по той же линии, что и при увеличении. Можно построить аналогичный график для амплитуды сигнала в выходной цепи АГ.

Рис. 16

Жесткий режим самовозбуждения АГ характеризуется вогнуто-выпуклой колебательной характеристикой с одной или несколькими точками перегиба и соответственно с более чем двумя точками пересечения (рис. 17).

Рис. 17

Такой вид характеристики имеют АГ, рабочая точка усилительного элемента которых находится на нижнем сгибе проходной характеристики. Легко показать, что точки О и М в этом случае устойчивы, а точка N – неустойчивая. Пока амплитуда на выходебудет меньше , автоколебания нарастать не будут (см. диаграмму рис.18)

Рис.18

Для того, чтобы перевести генератор в состояние М при данном К_ос, необходимо подпитать АГ дополнительным сигналом ( со стороны входа или выхода), называемым сигналом возбуждения или накачки. При этом величина сигнала накачки должна превышать величину, определяемую точкой N. В этом случае сигнал накачки по цепи обратной связи приведет генератор к стационарному состоянию М (см. рис. 19).

Рис. 19

Для возбуждения такого АГ можно не использовать дополнительную накачку, а установить такую сильную обратную связь, чтобы генератор самовозбуждался; при этом должно выполняться условие. Учитывая, что в этом случае К(0) достаточно мало, выполнить условие можно только при очень глубокой обратной связи. Этот факт иллюстрируется рис. 20.

Рис. 20

Пока , амплитуда автоколебаний равна нулю. При в автогенераторе

установятся колебания с амплитудой . Дальнейшее увеличение К_ос приведет к плавному уменьшению амплитуды. Если теперь уменьшать К_ос, то амплитуда колебаний со стороны входа усилителя будет плавно уменьшаться до тех пор, пока коэффициент обратной связи не достигнет величины , при котором ЛОС касается выпуклой части колебательной характеристики. Амплитуда стационарных колебаний при этом будет равна . Дальнейшее уменьшение К_ос приведет к срыву автоколебаний. Таким образом, в АГ с жесткой колебательной характеристикой нельзя установить колебания с амплитудой меньшей, чем . Аналогичные рассуждения можно привести и для амплитуды выходного сигнала АГ, но поскольку есть однозначная связь между входной и выходной амплитудами, этого можно не делать.

Достоинством режима мягкого самовозбуждения является простота вывода АГ в требуемый стационарный режим. Недостатком – низкий КПД из-за большой величины постоянной составляющей тока. В АГ с жестким режимом достоинством является отсутствие постоянного тока ( или его малая величина) в режиме покоя АГ.

Используя цепи автоматического смещения во входной цепи, можно добиться совмещения достоинств обоих типов возбуждения: в момент запуска рабочая точка находится в точке максимальной крутизны (на середине линейного участка), а с нарастанием амплитуды рабочая точка смещается в сторону отсечки из-за выпрямляющих свойств входного p-n-перехода и цепочки автоматического смещения. Пример принципиальной схемы такого АГ приведен на рис. 21.

Рис. 21

На сопротивлении R_б выделяется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде подаваемого на вход колебания. На рис. 22 показана картина перехода АГ в стационарное состояние.

Рис. 22

Установившийся режим при этом характеризуется работой транзистора с углом отсечки 90⁰. Благодаря колебательному контуру усилителя на выходе развиваются гармонические автоколебания.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004