Устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний без внешнего периодического воздействия, называют автогенератором. Работа любого автогенератора основана на принципах использования положительной частотно-избирательной обратной связи в усилителях электрических сигналов. Если генератор выполнен на транзисторах, то сигнал, управляющий этим транзистором, снимается с колебательной системы (или же с частотно задающей цепи), включенной в цепь нагрузки этого транзистора, и подается на его управляющий электрод (обычно на базу) через цепь обратной связи. При соответствующих значениях коэффициента усиления усилителя и коэффициента передачи цепи обратной связи устройство возбуждается и начинается процесс генерирования электрических колебаний. Для устойчивого возбуждения генерации колебаний необходимо выполнение двух условий: 1 - условие выполнения баланса фаз и 2 - условие амплитуд.
Первое условие требует, чтобы напряжения на выходе и входе усилителя, охваченного обратной связью, совпали по фазе или же фазы этих напряжений отличались на целое число 2п рад:
фк-Ьфр=2тсл, (7.1) где фк, фр - изменение фазы колебаний при прохождении через усилитель и цепь обратной связи соответственно.
Чтобы случайно возникшие колебания возрастали по амплитуде, т.е. чтобы автогенератор самовозбудился, необходимо выполнение амплитудного условия самовозбуждения:
Ку-р>1, (7.2) где Ку - коэффициент усиления усилителя; Р - коэффициент передачи цепи обратной связи.
Первичные колебания в системе, вызванные, например, тепловыми шумами, приобретают тенденцию к неограниченному возраста-нию амплитуды. Однако при достижении некоторого критического значения амплитуды колебаний коэффициент усиления усилителя уменьшается, амплитуда автоколебаний достигает некоторого установившегося значения. При этом наступает равенство потребляемой от источника постоянного тока энергии и энергии потерь в системе Это состояние автогенератора условно считают балансом амплитуд.
В общем случае коэффициенты Ку и р зависят от частоты, лоэто. му если выполняются условия (7.1) и (7.2) для многих частот, то получится генератор колебаний сложной формы. Если эти условия выполняются только для одной частоты, то получается генератор гармо-нических колебаний. Для получения генератора гармонических колебаний необходимым условием является наличие в усилителе резонансных цепей или же частотно-избирательной цепи обратной связи.
Независимо от формы генерируемого сигнала все генераторы представляют собой усилители с положительной обратной связью. Функционально генератор можно представить в виде двух четырехполюсников, соединенных последовательно (рис. 7.1). Первый четырехполюсник представляет собой электронный усилитель, второй -частотно-избирательную цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи р.
В усилителе с положительной обратной связью при выполнении условия (7.2) случайно возникшие колебания начинают нарастать по амплитуде. Этот процесс бесконечно продолжаться не может, так как по мере нарастания амплитуды колебаний коэффициент усиления уменьшается. Усилитель системы становится нелинейным. Благодаря этой нелинейности автогенератор входит в стационарный режим, когда колебания имеют постоянную амплитуду. Не останавливаясь на строгом аналитическом исследовании, отметим, что мощность потерь в колебательной системе пропорциональна квадрату амплитуды напряжения на входе усилителя. Очевидно, что автоколебательный процесс возможен только в том случае, если вносимая мощность в колебательную систему достаточна для компенсации потерь в ней.
иначе наблюдали бы затухающие колебания. Вносимая в колебательную систему мощность обеспечивается усилителем за счет энергии источника питания.
Рассмотрим пример реализации простейшего генератора на полевом транзисторе
Потери энергии в контуре LC, обусловленные сопротивлением потерь контура R, восполняются за счет импульсов тока стока транзистора. Транзистор усиливает малые колебания, вызванные, например, тепловыми шумами. Напряжение на затворе транзистора определяется колебаниями в контуре. Положительная обратная связь осуществляется катушкой 1СВ5 индуктивно связанной с катушкой контура L. Коэффициент передачи цепи обратной связи определяется величиной коэффициента взаимоиндукции М
Мощность потерь определяется сопротивлением R, сопротивлением потерь в катушке связи и потерями в нагрузке генератора:
где d - коэффициент пропорциональности, учитывающий потери в нагрузке генератора и в цепи обратной связи; ЛПотеРь _ суммарное со» противление потерь с учетом внутреннего сопротивления транзистора (выходного сопротивления усилителя). Если обозначить вносимую за счет энергии источника питания в контур мощность через РвтСч график зависимостей этих мощностей от квадрата амплитуды напряжения на контуре будет иметь вид, приведенный на рис, 7.3. Очевидно, что для выполнения условий генерации необходимо, чтобы прямая вносимой мощности Рвнос лежала выше прямой мощности потерь Рпо. )ерь. Если прямая Рвиос лежала бы ниже прямой Рттерь, то потери превосходили бы вносимую мощность, и в контуре были бы возможны только затухающие колебания.
В условиях, рассмотренных на рис. 7.3, амплитуда генерируемых колебаний росла бы неограниченно, что практически невозможно, так как всякая реальная схема нелинейна. Нелинейность может быть обусловлена, например, насыщением транзистора. Характер изменения вносимой мощности с некоторым приближением можно сравнить с амплитудной характеристикой усилителя. Вследствие этой нелинейности вносимая мощность растет медленнее, и график принимает вид рис. 7.4. При некотором значении амплитуды напряжения кривые мощностей Потерь и Рвнос пересекаются. Точка пересечения соответствует балансу энергии, т.е. точному значению вносимой и теряемой энергии. Очевидно, что при этом запас энергии в контуре остается неизменным, а, следовательно, амплитуда колебаний - постоянной.
Таким образом, наличие нелинейности является обязательным свойством автоколебательной системы, способной генерировать колебания с постоянной амплитудой U0.
На практике колебательные системы могут иметь такие зависимости, при которых баланс энергии может достигаться в нескольких точках графика. На рис. 7.5. зависимости мощностей имеют две точки пересечения. Для установления точки пересечения, «отвечающей» за установившейся режим, поясним понятие динамической устойчивости системы. Согласно определению А.А. Харкевича [22], динамическая устойчивость - это устойчивость колебательного движения (в отличие от статической устойчивости, которая характеризует не движение, а состояние
равновесия). Колебательное движение устойчивое, если имеется тенденция к сохранению установившейся амплитуды колебаний.
Пусть некоторое внешнее воздействие изменило амплитуду колебаний, а затем это воздействие было прекращено, и система была предоставлена самой себе. Если после этого в системе восстановится первоначальное значение амплитуды, то система динамически устойчива. Если же после прекращения внешнего воздействия амплитуда будет и далее изменяться в том же направлении, то система динамически неустойчива. Из приведенного определения вытекает способ испытания на устойчивость. Это значит, что достаточно вывести систему из данного состояния и посмотреть, как она будет себя вести в дальнейшем.
Воспользовавшись этим способом для исследования системы, характеризующейся графиками рис. 7.5, можно судить, устойчивы или неустойчивы режимы, определяемые точками пересечения а и б.
Рассмотрим поведение системы в точке а. Предположим, что по какой-либо причине амплитуда напряжения стала меньше U. В этой области мощность потерь Рпотерь больше вносимой мощности Рвнос, поэтому амплитуда будет убывать до тех пор пока колебания совсем не затухнут, Если же амплитуду увеличить так, чтобы она стала больше Uh амплитуда будет возрастать, так как /Потерь < ^внос* Отсюда следует, что точка а, хотя и отвечает условию баланса энергии, но не является устойчивой. Увеличение амплитуды будет продолжаться до тех пор, пока она не станет равной Uq. Дальнейший рост амплитуды на этом прекратится, так как при Um > U0 мощность потерь снова превышает вносимую в контур мощность. Таким образом, точка б является устойчивой точкой и определяет установившуюся амплитуду колебаний Uq.
Различием систем, характеризующихся графиками рис. 7.4 и 7.5, является то, что первая система может самостоятельно возбудиться и амплитуда напряжения колебаний достигнет установившегося значения Ц). Вторая система нуждается в создании специального режима, который
бы обеспечил первоначальную амплитуду, превосходящую с7ь и только после этого произойдет дальнейшее нарастание амплитуды до U0 авто-матически. Первая система называется системой с мягким самовозбуж-дением, а вторая - системой с жестким самовозбуждением. Мягкое возбуждение происходит в том случае, когда рабочая точка находится на участке с максимальной крутизной на проходной характеристике усилительного элемента (из рис. 7.6 видно, что Д/„ >А1Ж). Обычно это соответствует режиму А электронного прибора (рис. 7.6, а). Этот режим менее экономичен, чем режим с жестким самовозбуждением.
Режим жесткого возбуждения является более экономичным, так как при этом режиме рабочая точка находится в начале проходной характеристики, и ток покоя электронного прибора минимальный (рис. 7.6, б). Это соответствует режиму В работы усилительного элемента, поэтому такой генератор имеет больший КПД. Так как для возбуждения генератора с жестким возбуждением требуется начальный толчок, на практике поступают так. В начальный момент времени генератор работает в режиме мягкого возбуждения, а по мере нарастания амплитуды напряжения колебаний он переходит в жесткий режим путем автоматического изменения напряжения смещения электронного прибора (рис. 7.7). Изменение (увеличение) напряжения смещения осуществляется обычно #С-цепью. В жестком режиме самовозбуждения амплитуда колебаний получается большей, чем при мягком.
