Тема 9. Перетворення сигналів в нелінійних електронних колах

5.3. RC-автогенератори

Під час побудови RC-автогенераторів найчастіше як підсилювальний елемент використовують операційний підсилювач (ОП) який має два входи: неінвертуючий (j_к=0) та інвертуючий  (j_к=p). Чотириполюсник зворотного зв’язку b вмикають між виходом ОП та одним із входів залежно від того, який зсув j_b він може забезпечити на частоті генерування автогенератора.

                Наприклад, якщо на частоті генерування w_г фазовий зсув j_b=2pn, то зворотний зв’язок подають на неінвертуючий вхід ОП, як показано на рис 5.37, а. Якщо ж j_b=(2n+1)p, то зворотний зв’язок подають на інвертуючий вхід ОП, як показано на рис. 5.37, б.

 

а

б

Рис. 5.37. Способи побудови RC-автогенераторів на ОП:

а – якщо φ_β=0⁰; б –  якщо φ_β=180⁰

                Найчастіше як чотириполюсник зворотного зв’язку використовують міст Віна (рис. 5.38а) та триланкову RC-схему (рис. 5.38б).

 

Рис.5.38. Варіанти чотириполюсників зворотного зв’язку
RC-автогенераторів:а –  міст Віна;
б –  триланкова RC- схема

 

                Міст Віна  звичайно вибирають з однаковими значеннями параметрів відповідно R- і С- елементів, тобто R₁=R₂=R; C₁=C₂=C. У такому разі комплексний коефіцієнт передавання напруги описує формула:

                                        (5.50)

                Прирівнявши до нуля уявну частину знаменника у (5.50), визначаємо частоту w₀=1/RC, на якій модуль коефіцієнта передавання стає дійсним додатним числом b₀=1/3. Отже, міст Віна забезпечує генерування коливань з частотою w_г=w₀=1/RC за умови, що на цій частоті ОП забезпечить коефіцієнт підсилення К₀>3, щоб виконати умову самозбудження (5.44). У такому разі автогенератор будують за схемою, показаною на рис. 5.37, а.

                У триланковій RC-схемі звичайно вибирають R₁=R₂=R; C₁=C₂=C. Комплексний коефіцієнт передавання напруги описує формула:

                                    (5.51)

                Діючи аналогічно, як і в в попередньому випадку, знаходимо, що на частоті  коефіцієнт β стає від’ємним числом β₀=-1/29, тобто фазовий зсув φ_β=180⁰.

                Отже, автогенератор будують за схемою, показаною на рис. 5.37, б, причому ОП має забезпечити коефіцієнт підсилення К₀>29, щоб виконати умову самозбудження на частоті ω_г=.

                Можливі також інші варіанти вибору чотириполюсників зворотного зв’язку. Із наведених прикладів випливає, що частота коливань RC-автогенераторів обернено пропорційна до значень параметрів R і С елементів схеми. Малогабаритні резистори та конденсатори можуть мати великі номінальні значення параметрів, тому RC-автогенератори доцільно застосовувати для генерування низькочастотних коливань, причому нижня межа частотного діагнозу може сягати значень, менших за 1 Гц. Верхня межа частотного діапазону обмежується значеннями паразитних ємностей, а також мінімальними значеннями опорів резисторів, за яких допустимі струми підсилювальних елементів ще можуть забезпечити напруги потрібних амплітуд. Практично RC-автогенератори можуть генерувати коливання з частотами, які сягають значень сотень кілогерц.

                RC-чотириполюсники зворотного зв’язку мають невисоку частотну вибірковість, тому підсилювальний елемент у схемі RC-автогенератора повинен працювати практично в лінійному режимі, щоб не допускати значних нелінійних спотворень. Це означає, що обмеження зростання амплітуди коливань автогенератора під час самозбудження повинно здійснюватись не за рахунок нелінійності амплітудної характеристики підсилювача, а іншими способами. Схему RC-автогенератора будують так, щоб обмеження амплітуди здійснювалось у колі зворотного зв’язку. Для цього в коло зворотного зв’язку вмикають елемент, параметри якого залежать від амплітудних значень струму, а саме теплоінерційний елемент. Такими елементами є терморезистори, лампи розжарювання тощо. Оскільки завдяки значній теплоінерційності опір цих елементів у межах одного періоду коливань залишається незмінним, то вони не спотворюють форми гармонічного струму і тому вищі гармоніки практично відсутні. У сучасних RC-автогенераторах найчастіше застосовують напівпровідникові терморезистори, опір яких із зростанням амплітуди прикладеної до них напруги зменшується.

                На рис. 5.39 показано один з найпростіших способів стабілізації амплітуди за допомогою терморезистора R_т, який увімкнутий в коло від’ємного зворотного зв’язку. У разі збільшення амплітуди коливань автогенератора опір терморезистора зменшується, внаслідок чого від’ємний зворотний зв’язок посилюється і амплітуда коливань повертається до попереднього значення.

 

Рис.5.39. Стабілізація амплітуди коливань RC- автогенератора за
допомогою терморезистора

 

            Для стабілізації амплітуди RC-автогенераторів застосовують також світлодіоди, опір яких зменшується зі збільшенням амплітуди коливань, або стабілітрони, які забезпечують обмеження амплітуди на рівні напруги стабілізації.