RC-генераторы гармонических колебаний

Генераторы типа LC применяются на частотах выше 20кГц, т.к. на низких частотах индуктивности и емкости в колебательном контуре имеют большие габариты, вес и стоимость. Для получения низких частот чаще пользуются более простыми, дешевыми, технологичными и удобными в эксплуатации генераторами типа RC (Рисунок 8), у которых вместо колебательного контура включен резистор Rк, а обратная связь выполняется при помощи цепочки, состоящей из резисторов и конденсаторов.

Если требуется генератор гармонических колебаний, выходное напряжение которого изменяется по синусоидальному закону, с определенной частотой, то необходимо, чтобы самовозбуждение возникло только на этой частоте. Это выполняется только в том случае, если условие фаз и амплитуд в петле положительной обратной связи выполняется только для одной частоты.

Так как в усилительном элементе выполняется сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением на 180⁰, то дополнительный сдвиг напряжения можно получить с помощью цепочек R, состоящих из резисторов и конденсаторов (Рисунок 7).

Рисунок 7 – а) Амплитудные и фазовые характеристики однозвенных RC-цепей С-параллель; б) и типа R-параллель.

На этом же рисунке под каждой цепочкой приведены графичексие зависимости коэффициентов передачи и фазовые сдвиги φ между выходным и входным напряжениями. В цепочке на рисунке 7,а выходное напряжение отстает, а в цепочке на рисунке 7,б - опережает входное напряжение. Причем фазовый сдвиг увеличивается с ростом частоты и может достигать 90⁰ при . В области рабочих частот фазовый сдвиг φ меньше 90⁰, поэтому для получения фазового сдвига 180⁰ нужно последовательно соединить три таких цепочки, каждая из которых должна на заданной частоте генерации осуществлять фазовый сдвиг, равный 60⁰. Можно построить и RC-автогенератор на 4-х RC-цепочках по такой же методике.

На рисунке 8 приведена схема RC-генератора с цепочками типа С-параллель. Транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером. В нем происходит сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением на 180⁰. дополнительный сдвиг на 180⁰ создается тремя последовательно включенными цепочками C1R1, C2R2, C3R3. Если С1=С2=С3=С и R1=R2=R3=R, то генерируемая частота определяется по формуле . Из рисунка 7,а,б видно, что баланс фаз выполняется только для одной частоты.

Рисунок 8 – Схема RC-генератора с цепочками типа С-параллель.

Выходные напряжения, проходя через фазосдвигающие цепочки, ослабляется в 29 раз. Поэтому для получения в таком генераторе устойчивых незатухающих колебаний следует их усилить с помощью усилительной части генератора, чтобы полностью скомпенсировать затухание в фазосдвигающих цепях.

Следовательно, коэффициент усиления усилителя должен быть равен 29. при меньшем усилении, колебания, возникающие в генераторе в момент включения, быстро уменьшатся до нуля. При большем коэффициенте усиления условие самовозбуждения выполняется и для других частот, отличающихся от резонансной частоты . Тогда в выходном напряжении будет содержаться несколько частот и его форма будет отличаться от синусоидальной. При очень большом коэффициенте усиления выходное напряжение приобретет вид последовательных прямоугольных импульсов.

Рассмотрим работу RC-генератора (Рисунок 8). В усилительном элементе применена схема подачи смещения фиксированным током базы. Функцию R_g1 выполняют последовательно соединенные резисторы R1, R2 и R3, т.е. R_g1= R1+R2+R3. Так как R_g1 подключен к коллектору, то в схеме возникает параллельная отрицательная связь по постоянному и переменному току. Кроме того, в схеме предусмотрена эмиттерная стабилизация по постоянному току за счет резистора Rэ.

При включении источника питания в резисторах и транзисторах возникают шумы, имеющие большую полосу частот. Но так как условие фаз и условие амплитуд выполняется только для одной частоты , определяемой параметрами схемы, то на выходе усилителя возникают гармонические колебания с частотой .