3.4. Rc-автогенераторы

В генераторных устройствах низкочастотного диапазона в качестве избирательных используются частотно-зависимые цепочки из элементов R и C, включаемые в цепь обратной связи усилителя. Такие схемы, представляющие собой сочетание усилитель - частотно-зависимая поло­жительная обратная связь, называются RC-генераторами. По габаритным и весовым характеристикам, а также и по стоимости в области частот от долей герца до десятков килогерц они имеют значительные преиму­щества перед LC-генераторами. В некоторых случаях RC-генераторы ис­пользуются для получения колебаний с частотами, достигающими сотен килогерц.

По принципу построения RC-генераторы подразделяются на две ос­новные группы:

- генераторы с поворотом фазы сигнала в цепи обратной связи на +180^о;

- генераторы, у которых фазовый сдвиг сигнала в цепи обратной связи на определенной частоте равен нулю.

RC-генераторы с фазовым сдвигом в цепи обратной связи. Рассмат­риваемая группа генераторов содержит однокаскадный усилитель по схеме ОЭ, фаза выходного напряжения которого отличается от фазы входного сигнала на 180^о. Условие баланса фаз может быть выполнено, если частотно-зависимая цепь обратной связи (фазирующая цепочка) также обеспечивает поворот фазы напряжения на нужной частоте гене­рации на 180^о.

В качестве фазирующих используются цепочки, состоящие из прос­тейших Г-образных RC-звеньев (обычно трех или четырех). На рис.3.4 показаны два варианта применяемых на практике фазирующих цепочек. Трехзвенная цепочка, фазирующая напряжение, так называемая "R-па­раллель" показана на рис.3.4,а, а такая же цепочка "С-параллель" на рис.3.4,б.

В отличие от резонансной частоты ω₀ колебательного контура для фазирующих RC-цепей частота, на которой возникают колебания называ­ется квазирезонансной.

Квазирезонансная частота для трехзвенных фазирующих цепочек мо­жет быть рассчитана по формулам:

для цепочки R-параллель

,

и для цепочки С-параллель

.

На рис.3.5 показана принципиальная схема RC-генератора с трехз­венной цепочкой типа R-параллель.

Данный RC-генератор имеет ряд недостатков:

- цепь обратной связи сильно шунтирует каскад усилителя, вследс­твие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие ба­ланса амплитуд или возникающие колебания будут неустойчивыми;

- генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к ω_о, это объясняется отсутствием строгой изби­рательности к основной частоте Г-образных RC-цепей.

Для уменьшения шунтирующего влияния RC-цепей обратной связи в автогенератор вводят дополнительный каскад - эмиттерный повтори­тель, имеющий высокое входное сопротивление. Этот каскад включают между выходом усилителя и цепью обратной связи. Эмиттерный повтори­тель сохраняет условие баланса фаз и в то же время практически иск­лючает шунтирующее действие цепи обратной связи.

Для снижения искажений формы генерируемых колебаний в усилитель часто вводят отрицательную обратную связь, например, на рассмотрен­ной выше схеме это осуществляется включением резистора R_э в цепь эмиттера.

RC-генераторы без сдвига фазы в цепи обратной связи. Рассмотрен­ные выше схемы RC-генераторов обычно применяются для получения ко­лебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне из-за необходимости одновременного изменения не менее трех элементов R- или С-фазирующей цепочки. Более удобным, позволяющим, к тому же, получить широкий диапазон измене­ния частоты, является RC-генератор, использующий в качестве частот­но-зависимой обратной связи последовательно-параллельную избира­тельную цепочку (рис.3.6). Для данной схемы частота квазирезонанса определяется из формулы

.

Схема генератора, реализующего рассматриваемый принцип, показана на рис.3.7.

Двухкаскадный усилитель по схеме ОЭ обеспечивает нулевой фазовый сдвиг (по 180⁰ на каждый каскад). Благодаря тому, что частотно-за­висимая последовательно-параллельная цепочка, включенная в цепь по­ложительной обратной связи, на квазирезонансной частоте также обес­печивает сдвиг фазы, равный нулю, условие баланса фаз выполняется именно на этой частоте, чем достигается получение синусоидальной формы кривой генерируемых колебаний. Через цепочку R_о.сС_о.с введена отрицательная обратная связь, охватывающая оба каскада и снижающая коэффициент усиления. Это позволяет существенно улучшить форму кри­вой генерируемых колебаний, а также повысить стабильность часто­ты. Терморезистор R_э1 предназначен для стабилизации амплитуды вы­ходного напряжения и поддержания синусоидальной формы кривой при изменении температуры окружающей среды.

Как видно из рис.3.7, сопротивление R₂ фазирующей цепи подключе­но непосредственно ко входу усилителя, а следовательно, шунтируется его входным сопротивлением R_вх, которое для схемы ОЭ невелико. Это изменяет частоту квазирезонанса, поэтому появляется необходимость в высокоомном входе усилителя. Эта задача решается включением на вхо­де усилителя составного транзистора или каскада ОК.

Регулировка частоты колебаний в данном автогенераторе проста и удобна, причем в очень широком диапазоне частот. Ее осуществляют изменением величин либо сопротивлений обоих резисторов (R₁, R₂) , либо емкостей обоих конденсаторов (C₁, C₂) моста Вина.

Автогенераторы с мостом Вина широко применяют в различной изме­рительной аппаратуре как широкодиапазонные автогенераторы (от нес­кольких единиц герц до нескольких сотен килогерц) с относительно хорошей стабильностью частоты. В этом их основное преимущество по сравнению с другими типами RC-генераторов.