Тема 9. Перетворення сигналів в нелінійних електронних колах

Функцію генерування коливань реалізують автогенератори – електронні кола, в яких виникають та як завгодно довго існують періодичні електричні коливання.

                Коливання, що виникають в автогенераторах, називають автоколиваннями. Звичайно автогенератори є малопотужними колами, основне призначення яких полягає у генеруванні коливань з високою стабільністю частоти.

                Виникнення та існування усталених автоколивань у автогенераторі неодмінно пов’язане з перетворенням певного виду енергії на енергію електричних коливань заданої частоти. Залежно від способу перетворення енергії розрізняють два типи автогенераторів:

                1) автогенератори, в яких здійснюється перетворення енергії постійного струму на енергію коливань певної форми та частоти. Цей тип автогенераторів поділяють на дві групи: а) генератори гармонічних коливань, форма коливань яких близька до гармонічної; б) генератори релаксаційних (розривних) коливань, які мають різкі стрибки струмів та напруг або їхніх похідних;

                2) автогенератори параметричного типу, в яких хоча б один із параметрів елементів схеми змінюється у часі за періодичним законом під зовнішньою дією (механічною, електричною тощо). У цих автогенераторах енергія коливань зовнішньої дії перетворюється на енергію електричних коливань заданої частоти, причому частота коливань зовнішньої дії у загальному випадку не збігається з частотою коливань автогенератора.

                Тут розглянемо лише автогенератори гармонічних коливань.

                Більшість автогенераторів можна подати узагальненою структурною схемою у вигляді чотириполюсника (підсилювача) К, охопленого додатним зворотним зв’язком через чотириполюсник b (рис.5.33).

 

Рис. 5.33. Узагальнена структурна схема автогенератора

 

                Раніше було показано, що загалом за наявності зворотного зв’язку комплексний коефіцієнт підсилення підсилювача описує формула:

                                 .                              (5.41)

                У разі додатного зворотного зв’язку добуток b К є величиною дійсною і додатною, тобто

                                                        b К=Кbexp[j(ф_к+ф_b)]>0,                                                   (5.42)

де К, β – відповідно модуль коефіцієнта підсилення підсилювача та коефіцієнта передавання напруги чотириполюсника зворотного зв’язку; φ_к,φ_b – фазові зсуви, що вносять відповідно підсилювач та чотириполюсник зворотного зв’язку.

                Із (5.42) випливає, що у схемі автогенератора повинна виконуватись т. зв. умова балансу фаз:

                           φ_к+φ_b=2πn (n=0, 1, 2, ..).                             (5.43)

                Проте лише цієї умови недостатньо для самозбудження автогенератора. Автогенератор самозбудиться, якщо хоча б для однієї частоти буде одночасно з (5.43) виконана умова:

                                                                       Кb>1.                                                                  (5.44)

                Отже, одночасне виконання співвідношень (5.43) та (5.44) для однієї і тієї самої частоти є умовою самозбудження автогенератора, яка свідчить про наростання коливань у схемі.

                Аналіз показує, що К-чотириполюсник та b-чотириполюсник повинні мати такі властивості:

            1) К-чотириполюсник повинен мати нелінійні властивості: його коефіцієнт підсилення К має залежати від величини амплітуди так, щоб зі збільшенням амплітуди коливань значення К зменшувалось. За цієї умови у схемі можливе встановлення коливань із незмінною амплітудою. Якщо б коефіцієнт підсилення К був незмінним, то згідно з (5.44) амплітуда коливань наростала б до нескінченності.

                2) Оскільки автогенератор генерує гармонічні коливання (тобто коливання одної частоти), то це означає, що b-чотириполюсник повинен бути частотовибірним і забезпечувати баланс фаз лише для коливань однієї частоти, а коливання усіх інших частот – придушувати.

В усталеному режимі гармонічних коливань в автогенераторі одночасно виконуються умови балансу фаз та балансу амплітуд:

                                                                                                  

            Залежно від схемної реалізації автогенератори гармонічних коливань поділяють на LC-автогенератори та  RC-автогенератори.