Энциклопедия практической электроники - Рутледж Д.
ISBN 5-94074-096-0
Скачать (прямая ссылка):
11.1. Критерии генерации колебаний
Сначала определим основной критерий для возникновения колебаний. На'рис. 11.1а показан усилитель и схема линейной обратной связи.
Y
L
—1 LL
LG
а) б) в)
Рис. 11.1. Схема генератора, состоящего из усилителя с коэффициентом усиления G и петли обратной связи с коэффициентом обратной связи L (а), которые удовлетворяют критерию по амплитуде (б) и фазе (в) _____________
Вход усилителя обозначен х, а выход - у. Усилитель характеризуется коэффициентом усиления G, который представляет собой отношение величины выходного сигнала к величине входного. В генераторах радиостанции NorCal 4OA в качестве усилителя используется транзистор с выходом по току и входом по напряжению, таким образом, коэффициент усиления численно равен крутизне BAX этого транзистора. Для петли обратной связи у становится входом, ах- выходом. Петля обратной связи характеризуется коэффициентом обратной связи L, который определяется как отношение величины входного сигнала к величине выходного. Можно записать следующие уравнения:
у = Gx (11.1)
у = Lx (11.2)
где все составляющие - комплексные числа. Если G Ф L, х и у должны быть равны нулю, и колебания не возникают. Если же G = L, на выходе есть сигнал. Так как G и L являются комплексными числами, то фактически существуют два условия возникновения колебаний: одно для модулей, другое для фаз. Эти условия можно записать как:
|G| = |L| ZG = ZL
(11.3) (11.4)
Коэффициент усиления усилителя должен быть конструктивно уравнен с коэффициентом обратной связи петли ОС, а сдвиг по фазе петли ОС должен компенсировать сдвиг по фазе усилителя.
Для того чтобы определить, насколько абсолютная величина соответствует критерию, важно знать, что при больших уровнях мощности коэффициент усиления
11.1. КРИТЕРИИ ГЕНЕРАЦИИ КОЛЕБАНИЙ ЩЩ
реальных усилителей падает. Это происходит либо от перегрузки, либо если процессы, происходящие в схеме, ограничивают усиление. Падение коэффициента усиления можно увидеть на рис. 11.16, где показаны графики зависимостей коэффициентов усиления и обратной связи от выходной мощности Р. Поскольку схема обратной связи линейна, зависимость коэффициента обратной связи | L | от мощности является линейной. Точка, удовлетворяющая критерию абсолютной величины, находится на пересечении этих двух кривых:
где P0 - выходная мощность генератора. Для определения фазового критерия нужно рассмотреть, как изменяется частота в петле обратной связи. В системах громкоговорящей связи это изменение обеспечивается с помощью акустической задержки между громкоговорителем и микрофоном. В генераторах изменение частоты определяется резонансной схемой, которая дает резкое (скачкообразное) изменение фазы вблизи резонансной частоты. Это видно на рисунке 11.1в, где показан график зависимости фазы от частоты f. Фаза усилителя ZG обычно изменяется гораздо медленнее, чем фаза резонатора. Точка, удовлетворяющая фазовому критерию, находится на пересечении кривых:
Решение этого уравнения определяет частоту колебаний f0. В нашей модели генератора в усилителе нет сдвига по фазе, поэтому фазовый критерий удовлетворяется при резонансной частоте петли обратной связи, где также нет фазового сдвига.
Итак, по характеристикам мощности усилителя определяется выходная мощность, а по частотным характеристикам петли обратной связи - частота. В схемах с высокой добротностью фаза меняется быстрее, тем самым обеспечивается более точная регулировка частоты колебаний. Из этого следует, что кварцевые генераторы более устойчивы по частоте, чем индуктивно-емкостные.
Формулы, приведенные выше, описывают энергию и частоту колебаний, но кроме этого нужно знать, как будет начинаться колебательный процесс. Ниже представлен упрощенный вариант решения этой математической задачи: приведенные условия (критерии) не во всех случаях оказываются достаточными для того, чтобы начался колебательный процесс. Колебания могут быть либо образованы из шумового сигнала, либо инициированы внешним сигналом. Если
при малых энергиях, то частотная составляющая шума, удовлетворяющая фазовому критерию, будет повторно усиливаться до тех пор; пока не достигнет уровня выходного сигнала, который будет удовлетворять критерию амплитуды. Отсюда можно получить начальные условия возникновения колебаний:
IG(P0)I = |L|
(11.5)
ZL(f0) = ZG
(11.6)
|G|>|L|
(11.7)
IgI > |L|
^Uf0) = Zg
(11.8) (11-9)
9 Энциклопедия практической электроники
ЩЩ 11. ГЕНЕРАТОРЫ
где g - коэффициент усиления при малом уровне сигнала. В некоторых системах генерация колебаний происходит при больших уровнях мощности и колебательный процесс не может быть начат самой системой. Например, рассмотрим, как выполняет функции генератора усилитель, работающий в режиме класса С. В нем при малых уров-
_ нях мощности обеспечивается низкий коэффици-
Рие. 11.2. Инициирование генерации , лл 0\
г. ент усиления (рис. 11.2). в усилителе класса С _r vr 7 „ - Прямая линия показывает отклик схемы обратной связи I LI. Если уровень мощности меньше уровня P5 (уровня мощности, необходимого для начала колебательного процесса), усиления сигналов не происходит, и колебания возникнуть не могут. Это означает, что в усилителе класса С не происходит самовозбуждения (то есть он не может самостоятельно генерировать колебания). Для того чтобы заставить такой усилитель генерировать колебания, необходим внешний сигнал, энергия которого будет превышать уровень P5. После того как начнется генерация колебаний, внешний сигнал должен быть удален. Это основной принцип работы сверхрегенеративного радиоприемника, используемого в системах дистанционного открывания дверей по радиоканалу и недорогих переносных радиоприемниках. Принимаемый сигнал в таких схемах инициирует колебательный процесс. Генераторы в радиостанции NorCal 4OA начинают работать в режиме класса А, то есть в режиме самовозбуждения. Но как только колебания установятся, генератор переходит в режим работы класса С.
