Составные части генератора
Большинство генераторов содержат три основных узла:
1. Усилитель. Обычно, это усилитель напряжения. Может быть классов A, B или C.
2. Цепь формирования сигнала. Она состоит из пассивных компонентов, таких как схемы фильтров, которые отвечают за форму и частоту генерируемых колебаний.
3. Цепь положительной обратной связи. Часть выходного сигнала возвращается, поступая на вход усилителя. Таким образом, восстановленный и усиленный сигнал обратной связи возвращается назад и поддерживает выходной сигнал постоянным.
Рис. 1.1.1 — Основные элемента генератора
В общем, генератор строится из усилителя, часть выходного сигнала которого поступает обратно на его вход. Таким образом, усилитель выдаёт сигнал на выходе без необходимости подачи на его вход какого-либо внешнего сигнала, как показано на рис. 1.1.1. Это можно также рассматривать как способ для преобразования постоянного напряжения в переменный сигнал.
Положительная обратная связь
Обратная связь в усилителе генератора должна быть положительной. Это состояние, когда часть выходного сигнала с усилителя поступает снова на вход, чтобы быть в фазе с входным, и за счёт сложения входного сигнала и сигнала обратной связи, амплитуда входного сигнала увеличивается. К примеру, усилитель по схеме с общим эмиттером создаёт фазовый сдвиг на 180° между его входом и выходом, тогда петля положительной обратной связи должна обеспечивать фазовый сдвиг выходного сигнала, поступающего обратно на вход, так же в 180° для того, чтобы схема положительной обратной связи работала.
Результатом небольшого «количества» положительной обратной связи является возрастающее усиление, дающееся ценой возрастающих шумов и искажений. Если величина положительной обратной связи достаточно большая, в результате получаются колебания, где усилитель выдаёт свой собственный сигнал.
Использование положительной обратной связи
Когда усилитель работает без обратной связи, то он находится в режиме с «разомкнутой петлёй». С обратной связью (или положительной, или отрицательной) усилитель находится в режиме с «замкнутой петлёй». В обычных усилителях отрицательная обратная связь используется реализации преимуществ касательно полосы пропускания, искажений и генерации шумов, и в этих схемах усиление при замкнутой петле обратной связи намного меньше, чем усиление при разомкнутой петле. Несмотря на это, когда используется положительная обратная связь, то усиление при замкнутой цепи обратной связи (когда она присутствует) будет больше, чем при разомкнутой цепи обратной связи, коэффициент усиления этого усилителя увеличивается за счёт обратной связи. Дополнительный эффект от введения положительной обратной связи это уменьшение полосы пропускания (но это не существенно для генераторов, производящих синусоидальные колебания одной частоты) и увеличение искажений. Несмотря на это, даже довольно сильные искажения в усилителе допустимы для некоторых конструкций синусоидальных генераторов, где форма выходного сигнала не наслишь важна.
В генераторах, использующих положительную обратную связь, очень важно то, что амплитуда сигнала на выходе генератора остаётся стабильной. Так что усиление замкнутой петли обратной связи должно быть равно 1 (единице). Другими словами, коэффициент усиления усилителя должен соответствовать ослаблению сигнала в цепи обратной связи. Таким образом, там не будет возникать ни увеличения, ни уменьшения амплитуды выходного сигнала, как показано на рисунке 1.1.2.
Требования к колебаниям
Положительная обратная связь должна происходить на частоте, когда коэффициент усиления по напряжения соответствует ослаблению (делению) сигнала, которое происходит в узле обратной связи. К примеру, если 1/30 часть выходного сигнала поступает назад в фазе с входным сигналом на требуемой частоте, и коэффициент усиления усилителя (без учета обратной связи) при этом равен 30, то колебания будут иметь место.
Колебания должны происходить на одной конкретной частоте.
Амплитуда колебаний должна быть постоянной.
Используется множество различный конструкций генераторов, каждая конструкция обеспечивает вышеуказанные требования разными способами. Некоторые конструкции предназначены для генерирования сигналов определенной формы. или работают лучше в какой-то определенной полосе частот. Какая конструкция бы не использовалась, стабильность частоты и амплитуды выходного сигнала обеспечивается одним из трёх основных методов.
Метод 1
Убедитесь, что положительная обратная связь работает лишь на той частоте, которая требуется. Этого можно достигнуть, если обеспечить поступление лишь сигнала требуемой частоты, или обеспечив сигнал обратной связи в правильной фазе лишь на одной частоте.
Метод 2
Убедитесь, что достаточное усиления для колебаний имеет место лишь на требуемой частоте, используя усилитель с очень узкой полосой пропускания, работающий лишь на требуемой частоте.
Метод 3
Используйте усилитель в «ключевом режиме», чтобы переключать выход между двумя установленными значениями напряжения, совместно с каким-нибудь способом временной задержки для управления временем, в течении которого усилитель включен или выключен, контролируя таким образом временные интервалы генерируемого сигнала.
Методы 1 и 2 широко используются в синусоидальных генераторах (в то время как метод 3 удобен для генерирования прямоугольных колебаний), и иногда называются апериодическими (расстроенными) генераторами. Генераторы, использующие метод 3, часто используют более одного усилителя и несколько времязадающих цепей, поэтому часто называются мультивибраторами.
Рис. 1.1.2 — необходимость стабильной амплитуды
Стабильность амплитуда
Как показано на рисунке 1.1.1, генератор должен иметь усилитель, цепь положительной обратной связи и какой-либо способ контроля частоты. В синусоидальных РЧ-генераторах частота может задаваться с помощью настраиваемого LC-контура, однако наряду с управлением частотой колебаний, также должен обеспечиваться какой-либо метод (такой как отрицательная обратная связь) для стабилизации амплитуды генерируемого сигнала.
Без такой стабилизации колебания будут либо затухать и остановятся, либо внезапно увеличится их амплитуда и усилитель будет производить сильные искажения из-за того, что транзисторы усилителя войдут в режим насыщения ( «перегрузки») как показано на рисунке 1.1.2. Для генерирования сигнала постоянной амплитуды, коэффициент усиления усилителя автоматически «подстраивается» во время колебаний.