RC - автогенератори

 

На низьких частотах (нижче  Гц) застосування в автогенераторах LC – контурів виявляється незручним, оскільки індуктивність в них виходить надто великою, а добротність контурів низькою. Тому для частот звукового діапазону і нижче доцільніше застосовувати схеми без індуктивностей, тобто схеми, що містять лише R i C елементи. Ідея такого RC – автогенератора досить проста (рис. 4. 1).

У підсилювальному каскаді має бути створений позитивний зворотний зв’язок   через чотириполюсник, що складається лише з резисторів і ємностей. На потрібній частоті  цей чотириполюсник повинен обертати фазу сигналу на 1800. Цим буде забезпечене виконання фазової умови самозбудження саме на цій частоті. Крім того, на цій же частоті має виконуватись ще й амплітудна умова  , де  коефіцієнт підсилення каскаду на частоті  . Звичайно цю умову неважко виконати, зробивши   достатньо великим.

Автогенератор з багатоланковим RC – фільтром

Отже, задача зводиться до того, щоб побудувати з  і  елементів чотириполюсник, який би обертав фазу гармонічного сигналу з частотою   на 1800.

Здатність обертати фаз має найпростіше диференцююча RC – комірка (рис. 4. 2а). Якщо вважати, що її вихідний струм   дорівнює нулеві, то виявиться, що вихідна напруга   випереджає вхідну напругу   на фазовий кут 

а величина вихідного сигналу дорівнює   (рис. 4. 2б).

Здавалося б, що обравши частоту, на якій диференцююча комірка здійснює обертання фази на 600, можна, увімкнувши послідовно три таких комірки, здійснити поворот фази на 1800. Справа, одначе ускладнюється тим, що при послідовному увімкненні комірок кожна наступна комірка буде шунтувати і навантажувати вихід попередньої, так що зроблене вище припущення про  = 0, буде вже неправомірним. Потрібно розв’язувати задачу одразу для всіх комірок (наприклад, методом контурних струмів) і розраховувати залежності  і  . Такий розрахунок показує, що вимога  для трьох послідовно увімкнутих диференцюючих RC – комірок буде виконана на частоті

а модуль передачі напруги    на цій частоті дорівнюватиме  . Тому для успішної роботи схеми зображеної на рис. 4. 1 модуль коефіцієнта підсилення каскаду має бути не меншим від 29.

Подібний результат можна отримати і з трьома послідовно увімкненими інтегруючими RC – комірками. В цьому випадку

Можна, звичайно, побудувати фазобертаючий ланцюжок з RC – комірок більше за три. Вирази для   та  будуть тут трохи іншими. Але чи навряд доцільно ускладнювати схему, і тому на практиці звичайно користуються ланцюжками з трьох комірок.

Схема найпростішого RC – генератора з фазообертаючим ланцюжком з трьох диференцюючих RC – комірок зображена на рис. 4. 3.

Але по відношенню до неї слід зробити декілька зауважень:

а) вхідний опір RC – ланцюжка шунтує вихід підсилювального каскаду. Це призводить до того. що коефіцієнт підсилення каскаду дещо знижується, а поворот фази підсилювальним каскадом виявляється відмінним від 1800. Тому при вибору елементів схеми бажано робити   як можна меншим, а   більшим (але так, щоб їх добуток зберігав потрібне значення) ;

б) вхід транзистора шунтує вихідний резистор останньої комірки ланцюжка. Тому при  бажано узгоджувати вихід фазообертаючого ланцюжка зі входом транзистора через емітерний повторювач;

в) на відміну від   – генераторів, де коливний контур виділяє на виході чисту гармонічну напругу навіть при великих нелінійних спотвореннях колекторного струму, в  генераторах такої частотно-вибіркової ланки немає. Тому нелінійні спотворення колекторного струму будуть вповні відтворюватися у вигляді відповідних спотворень вихідної напруги. Отже, не рекомендується значно перевищувати амплітудну умову  , бо значного виграшу у амплітуді при збільшенні   не буде, а нелінійні спотворення зростуть.

RC – автогенератор з мостом Віна

Інший різновид  - автогенератора можна створити на основі операційного підсилювача з використанням моста Віна (рис. 4. 4).

Дільник з опорів   і   створює тут негативний зворотний зв’язок, який забезпечує коефіцієнт підсилення  . Для створення позитивного зворотного зв’язку до неінвертуючого входу «а» підключене   коло, яке забезпечує поворот фази вихідного сигналу на кут   для частоти  . Коефіцієнт передачі сигналу з виходу «с» на вхід «а» буде на цій частоті дійсним числом і дорівнюватиме   Отже, фазова умова самозбудження буде задовольнятися лише на частоті  , а амплітудна умова   визначатиметься конкуренцією позитивного і негативного зворотного зв’язку і матиме вигляд

Схема, у яку ввімкнено операційного підсилювача на рис. 4. 4, має назву моста Віна. Така назва стає зрозумілою, якщо перемалювати наведену вище схему у вигляді моста (рис. 4. 5), де вертикальна діагональ відповідає виходу операційного підсилювача, а горизонтальна – його входам. Зображений міст (за ім’ям його автора – міст Віна) є частотно – вибірковим. Він балансується при виконанні двох умов:

При виконанні цих умов сигнал на горизонтальній діагоналі зникає, а при   позитивний зворотний зв’язок пересилює негативний і генератор легко збуджується.

Основною проблемою в подібних автогенераторах є погана форма генерованих коливань. Вона буде тим гірша, чим сильніше перевиконана амплітудна умова самозбудження. Тому після того, як автогенератор збудиться, умову  слід як можна послабити. Це можна зробити автоматично, увімкнувши замість резистора   (або послідовно з ним) елемент, опір якого зростав би зі збільшенням струму через нього. Тоді в міру збільшення амплітуди генерованих коливань опір   збільшувався б, і нерівність   наближалась б до рівності. Таким елементом може бути мініатюрна лампочка розжарювання, опір волосинки якої сильно зростає при протіканні через нього електричного струму. Саме такі лампочки застосовуються у подібних автогенераторах для автоматичного встановлення міри зворотного зв’язку і одержання задовільної форми генерованих коливань.

 

 

Чому на низьких (звукових) частотах краще застосовувати RC – автогенератори, а не LC – автогенератори?

В чому полягає ідея створення RC – автогенератора?

Яким вимогам має задовольняти чотириполюсник зворотного зв’язку в RC – автогенераторі?

Поодинока диференцююча RC – комірка обертає фазу гармонічного сигналу на кут  . Чи можна при послідовному ввімкненні кількох таких комірок для підраховування загального повороту фази просто підсумовувати кути   кожної з них?

Зобразіть схему RC – автогенератора подібну до наведеної на рис. 4. 3, але не з диференцююсими RC – комірками, а з інтегруючими.

Як можна узгодити вихідний опір фазообертаючого RC – ланцюжка, зображеного на рис. 4. 3, з вхідним опором транзистора?

Чому форма коливань, генерованих RC – автогенераторами, звичайно відрізняється від гармонічної? Що треба робити, щоб наблизитись до гармонічної форми генерованих коливань?

Навіщо в RC – автогенераторі з мостом Віна (рис. 4. 4) потрібне коло негативного зворотного зв’язку  ?

Чому автогенератор, зображений на рис. 4. 4, називають RC – автогенератором з мостом Віна? Де тут схема моста?

Навіщо для покращання форми генерованих коливань в RC – автогенераторі з мостом Віна послідовно з резистором   вмикають лампочку розжарення?

 

 

В схемі RC – автогенератора, зображеного на рис. 4. 3,  . Параметри транзистора  . Опір у колі колектора  . Чи самозбудиться такий автогенератор? Якщо так, то на якій частоті?

Яким буде в задачі №1 вхідний опір фазообертаючого RC – ланцюжка? Чи буде він істотно шунтувати вихідне коло транзистора? Чи треба враховувати цю шунтуючу дію при визначенні амплітудного критерію самозбудження?

На якій частоті фазообертаючийо RC – ланцюжок, складений з трьох інтегруючих RC – комірок буде обертати фазу сигналу на 1800.  ?

В автогенераторі з мостом Віна (рис. 4. 4)  . Якої величини має бути опір  , щоб забезпечити умови генерації? Яку частоту він генеруватиме якщо  ?