Генератор – це автоколивальна система, що формує імпульси електричного струму, в якій транзистор відіграє роль комутувального елемента. Спочатку з моменту винаходу транзистор позиціонувався як підсилювальний елемент. Презентація першого транзистора відбулася 1947 року. Презентація польового транзистора відбулася трохи пізніше – в 1953 р. У генераторах імпульсів він грає роль перемикача і лише у генераторах змінного струму він реалізує свої підсилювальні властивості, одночасно беручи участь у створенні позитивного зворотний зв'язок підтримки коливального процесу.
Наочна ілюстрація поділу частотного діапазону
Класифікація
Транзисторні генератори мають кілька класифікацій:
- діапазону частот вихідного сигналу;
- за типом вихідного сигналу;
- за принципом дії.
Діапазон частот – величина суб'єктивна, але для стандартизації прийнято такий поділ частотного діапазону:
- від 30 Гц до 300 кГц – низька частота (НЧ);
- від 300 кГц до 3 МГц – середня частота (СЧ);
- від 3 МГц до 300 МГц – найвища частота (ВЧ);
- вище 300 МГц - надвисока частота (НВЧ).
Такий поділ частотного діапазону в області радіохвиль. Існує звуковий діапазон частот (ЗЧ) – від 16 до 22 кГц. Таким чином, бажаючи підкреслити діапазон частот генератора, його називають, наприклад, ВЧ або НЧ генератором. Частоти звукового діапазону своєю чергою також поділяються на ВЧ, СЧ і НЧ.
За типом вихідного сигналу генератори можуть бути:
- синусоїдальні – для генерації синусоїдальних сигналів;
- функціональні – для автоколивання сигналів спеціальної форми. Частковий випадок - генератор прямокутних імпульсів;
- генератори шуму – генератори широкого спектра частот, які мають у заданому діапазоні частот спектр сигналу рівномірний від нижнього до верхнього ділянки частотної характеристики.
За принципом дії генераторів:
- RC-генератори;
- LC-генератори;
- Блокінг-генератори – формувач коротких імпульсів.
Зважаючи на важливі обмеження зазвичай RC-генератори використовуються в НЧ і звуковому діапазоні, а LC-генератори в ВЧ діапазоні частот.
Схемотехніка генераторів
RC та LC генератори синусоїдальні
Найбільш просто реалізується генератор на транзисторі у схемі ємнісної триточки – генератор Колпітца (рис. нижче).
Схема генератора на транзисторі (генератор Колпітца)
У схемі Колпітца елементи (C1), (C2), (L) є частотоздатними. Інші елементи є стандартною обв'язкою транзистора для забезпечення необхідного режиму роботи по постійному струму. Таку ж просту схемотехніку має генератор, зібраний за схемою індуктивної триточки – генератор Хартлі (рис. нижче).
Схема триточкового генератора з індуктивним зв'язком (генератор Хартлі)
У цій схемі частота генератора визначається паралельним контуром, який входять елементи (C), (La), (Lb). Конденсатор (С) необхідний для утворення позитивного зворотного зв'язку змінного струму.
Практична реалізація такого генератора більш скрутна, оскільки вимагає наявності індуктивності з відведенням.
І той і інший генератори автоколивання знаходять переважно застосування в СЧ і ВЧ діапазонах в якості генераторів несучих частот, в ланцюгах ланцюга гетеродинів і так далі. Регенератори радіоприймачів також ґрунтуються на генераторах коливань. Вказане застосування вимагає високої стабільності частоти, тому практично завжди схема доповнюється кварцовим резонатором коливань.
генератор струму, що задає, на основі кварцового резонатора має автоколивання з дуже високою точністю установки значення частоти ВЧ генератора. Мільярдні частки відсотка далеко не межа. Регенератори радіостанцій використовують лише кварцову стабілізацію частоти.
Робота генераторів у галузі низькочастотного струму та звукової частоти пов'язана з труднощами реалізації високих значень індуктивності. Якщо точніше, то в габаритах необхідної котушки індуктивності.
Схема генератора Пірса є модифікацією схеми Колпітца, реалізованої без застосування індуктивності (мал. нижче).
Схема генератора Пірсу без застосування індуктивності
У схемі Пірса індуктивність замінена кварцовим резонатором, що дозволило позбавитися трудомісткої і громіздкої котушки індуктивності і, в той же час, обмежило верхній діапазон коливань.
Конденсатор (С3) не пропускає постійну складову базового усунення транзистора на кварцовий резонатор. Такий генератор може формувати коливання до 25 МГц, зокрема звукової частоти.
Робота всіх перерахованих вище генераторів заснована на резонансних властивостях коливальної системи, складеної з ємності та індуктивності. Відповідно, частота коливань визначається номіналами цих елементів.
RC генератори струму використовують принцип фазового зсуву в резистивно-ємнісному ланцюгу. Найчастіше застосовується схема з фазозсувним ланцюжком (рис. нижче).
Схема RC генератора з фазозсувним ланцюжком
Елементи (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) виконують зсув фази для отримання позитивного зворотного зв'язку, необхідної для виникнення автоколивань. Генерація виникає на частотах, для яких фазовий зсув є оптимальним (180 гр). Фазозсувний ланцюг вносить сильне ослаблення сигналу, тому така схема має підвищені вимоги до коефіцієнта посилення транзистора. Менш вимоглива до параметрів транзистора схема з мостом Вина (мал. нижче).
Схема RC генератора з мостом Вина
Подвійний Т-подібний міст Вина складається з елементів (C1), (C2), (R3) та (R1), (R2), (C3) і являє собою вузькосмуговий фільтр, що загороджує, налаштований на частоту генерації. Для решти частот транзистор охоплений глибоким негативним зв'язком.
Функціональні генератори струму
Функціональні генератори призначені на формування послідовності імпульсів певної форми (форму визначає певна функція – звідси й назва). Найчастіше зустрічаються генератори прямокутних (якщо відношення тривалості імпульсу до періоду коливань становить?, то така послідовність називається «меандр»), трикутних і пилкоподібних імпульсів. Найпростіший генератор прямокутних імпульсів - мультивібратор, подається як перша схема радіоаматорів-початківців для складання своїми руками (рис. нижче).
Схема мультивібратора – генератора прямокутних імпульсів
Особливістю мультивібратора є те, що в ньому можна використовувати практично будь-які транзистори. Тривалість імпульсів і пауз між ними визначається номіналами конденсаторів та резисторів у базових ланцюгах транзисторів (Rb1), Cb1) та (Rb2), (Cb2).
Частота автоколивання струму може змінюватися від одиниць до десятків кілогерц. ВЧ автоколивання на мультивібраторі реалізувати неможливо.
Генератори трикутних (пилкоподібних) імпульсів, як правило, будуються на основі генераторів прямокутних імпульсів (що задає генератор) шляхом додавання коригувального ланцюжка (рис. нижче).
Схема генератора трикутних імпульсів
Форма імпульсів, близька до трикутної, визначається напругою заряду-розряду на обкладинках конденсатора.
Блокінг-генератор
Призначення блокінг-генераторів полягає у формуванні потужних імпульсів струму, що мають круті фронти та малу шпаруватість. Тривалість пауз між імпульсами набагато більша за тривалість самих імпульсів. Блокінг-генератори знаходять застосування у формувачах імпульсів, порівнюючих пристроях, але основна сфера застосування – генератор рядкової розгортки, що задає, в пристроях відображення інформації на основі електронно-променевих трубок. Також блокінг-генератори успішно застосовуються в пристроях перетворення електроенергії.
Генератори на польових транзисторах
Особливістю польових транзисторів є дуже високий вхідний опір, порядок якого можна порівняти з опором електронних ламп. Перераховані вище схемотехнічні рішення універсальні, вони адаптовані під використання різних типів активних елементів. Генератори Колпітца, Хартлі та інші, виконані на польовому транзисторі, відрізняються лише номіналами елементів.
Частотозадаючі ланцюги мають ті ж співвідношення. Для генерування ВЧ коливань трохи краще простий генератор, виконаний на польовому транзисторі за схемою індуктивної триточки. Справа в тому, що польовий транзистор, маючи високий вхідний опір, практично не чинить шунтувальну дію на індуктивність, а, отже, працювати високочастотний генератор буде стабільніше.
Генератори шуму
Особливістю генераторів шуму є рівномірність частотної характеристики певному діапазоні, тобто амплітуда коливань всіх частот, що входять в заданий діапазон, є однаковою. Генератори шуму знаходять застосування у вимірювальній апаратурі для оцінки частотних характеристик тракту, що перевіряється. Генератори шуму звукового діапазону часто доповнюються коректором частотної характеристики для адаптації під суб'єктивну гучність для людського слуху. Такий шум називається сірим.
Відео
До цього часу існує кілька областей, у яких застосування транзисторів утруднено. Це потужні генератори НВЧ діапазону радіолокації, і там, де потрібно отримання особливо потужних імпульсів високої частоти. Поки що ще не розроблені потужні транзистори НВЧ діапазону. У всіх інших областях переважна більшість генераторів виконується виключно на транзисторах. Причин тому кілька. По-перше, габарити. По-друге, споживана потужність. По-третє, надійність. На додачу, транзистори через особливості своєї структури дуже просто піддаються мініатюризації.
Застосування генераторів з коливальними контурами (типу LC)для генерування коливань з частотами менше 15-20 кГц утруднено і незручно через громіздкість контурів. В даний час для цих цілей широко використовуються генератори типу RC,у яких замість коливального контуру застосовуються вибіркові RС-фільтри. Генератори типу RCможуть генерувати досить стабільні синусоїдальні коливання порівняно широкому діапазоні частот від часток герца до сотень кілогерц. Крім того, вони мають малі габарити та масу. Найбільш повно переваги генераторів типу RCвиявляються у сфері низьких частот.
Структурна схема генератора синусоїдальних коливань типу RCнаведено на рис. 1.5.
Мал. 1.5
Підсилювач будується за звичайною резистивною схемою. Для самозбудження підсилювача, т. е. для перетворення спочатку виникли коливань в незатухающие, необхідно на вхід підсилювача подавати частину вихідної напруги, що перевищує вхідну напругу або рівну йому за величиною і збігається з ним по фазі, іншими словами, охопити підсилювач позитивним зворотним зв'язком достатньої глибини . При безпосередньому з'єднанні виходу підсилювача з його входом відбувається самозбудження, проте форма коливань, що генеруються, буде різко відрізнятися від синусоїдальної, оскільки умови самозбудження будуть одночасно виконуватися для коливань багатьох частот. Для отримання синусоїдальних коливань необхідно, щоб ці умови виконувались лише на одній певній частоті та різко порушувалися на всіх інших частотах.
Мал. 1.6
Це завдання вирішується за допомогою фазообертального ланцюжка,яка має кілька ланок RCі служить повороту фази вихідної напруги підсилювача на 180°. Зміна фази залежить від кількості ланок пі одно
У зв'язку з тим, що одна ланка RCзмінює фазу на кут< 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки п - 3. У практичних схемах генераторів зазвичай використовують триланкові фазообертальні ланцюжки.
На рис. 1.6 зображено два варіанти таких ланцюжків, що отримали назву відповідно R-паралель і С-паралель. Частота синусоїдальних коливань, що генеруються, для цих схем за умови R1 = R 2 = R 3 = Rі C t = З 2 = З3 = З розраховується за такими формулами: для схеми на рис. 1.6, а:
для схеми на рис. 4.6, б:
Для забезпечення балансу амплітуд коефіцієнт посилення підсилювача повинен дорівнювати загасанню, що вноситься фазовращающей ланцюжком, через яку напруга з виходу надходить на вхід підсилювача, або перевищувати його.
Розрахунки показують, що з наведених схем згасання
Отже, схеми з використанням триланкових фазообертальних ланцюжків, що мають однакові ланки, можуть генерувати синусоїдальні коливання з частотою f 0 лише тому випадку, якщо коефіцієнт посилення підсилювача перевищує 29.
У фазообертовому ланцюгу з однаковими ланками кожна наступна ланка надає шунтуючу дію на попередню. Для зменшення шунтуючої дії ланок та зниження загасання у фазообертовому ланцюгу зворотного зв'язку можуть застосовуватися так звані прогресивніланцюжки. У цьому випадку опір резистора кожної наступної ланки вибирається в tnразів більше опору попередньої ланки, а ємності наступних ланок у стільки ж разів зменшуються:
Зазвичай величина тне перевищує 4-5.
На рис. 1.7 наведено одну з можливих схем автогенератора типу RCз фазообертальним ланцюжком.
З метою забезпечення умови балансу фаз такий генератор можна було б побудувати і на одному транзисторі (Т2)із загальним емітером. Однак у цьому випадку ланцюжок зворотного зв'язку шунтує резистор R K підсилювального транзистора і знижує його посилення, а малий вхідний опір транзистора різко збільшує згасання ланцюга зворотного зв'язку. Тому доцільно розділити вихід фазообертального ланцюга та вхід підсилювача за допомогою емітерного повторювача, зібраного на транзисторі Т1.
Робота автогенератора починається у момент включення джерела живлення. При цьому імпульс колекторного струму містить широкий і безперервний спектр частот, обов'язково включає в себе і необхідну частоту генерації. Завдяки виконанню умов самозбудження коливання цієї частоти стають незатухаючими, тоді як коливання всіх інших частот, котрим умова балансу фаз не виконується, швидко згасають.
Автогенератори з фазовращающими ланцюгами зазвичай використовуються для генерації синусоїдальних коливань фіксованої частоти. Це з труднощами перебудови частоти у широкому діапазоні. Діапазонні автогенератори типу RCбудуються дещо інакше. Розглянемо це питання докладніше.
Якщо підсилювач повертає фазу вхідного сигналу 2? (наприклад, підсилювач, що має парне число каскадів), то при охопленні позитивним зворотним зв'язком достатньої глибини він може генерувати електричні коливання без включення спеціального фазообертального ланцюжка. Для виділення необхідної частоти синусоїдальних коливань із усього спектра частот, що генеруються такою схемою, необхідно забезпечити виконання умов самозбудження тільки для однієї частоти. З цією метою в ланцюг зворотного зв'язку може бути включений послідовно-паралельний вибірковий ланцюжок, схема якого наведена на рис. 1.8.
Мал. 1.7
Визначимо властивості цього ланцюжка, розглядаючи його як дільник напруги.
Між вихідною та вхідною напругою існує очевидна залежність
Коефіцієнт передачі напруги цим ланцюгом
На квазірезонансній частоті w 0 коефіцієнт передачі напруги повинен дорівнювати дійсному числу. Це можливо лише в тому випадку, якщо опори, виражені відповідним математичним записом у чисельнику та знаменнику останньої формули, матимуть однаковий характер. Ця умова забезпечується лише тому випадку, якщо дійсна частина знаменника дорівнює нулю, тобто.
Звідси частота квазірезонансу
Що ж до коефіцієнта передачі напруги, то на квазірезонансній частоті він дорівнює
Підставляючи в цю формулу значення
Вважаючи R1 = R 2 = Rі C 1 = З 2 = З, знайдемо остаточні значення f 0
Згасання, що вноситься виборчим ланцюжком на квазірезонансній частоті, дорівнює
Це означає, що мінімальний коефіцієнт посилення, при якому задовольняється умова балансу амплітуд, також повинен дорівнювати 3. Очевидно, що цю вимогу виконати досить легко. Реальний транзисторний підсилювач, що має два каскади (найменше парне число), дозволяє отримати посилення за напругою, що набагато перевищує До про = 3. Тому доцільно поряд з позитивним зворотним зв'язком ввести в підсилювач негативний зворотний зв'язок, який, знижуючи коефіцієнт посилення, в той же час суттєво зменшує можливі нелінійні спотворення коливань, що генеруються. Принципова схема такого генератора наведено на рис. 1.9.
Схема транзисторного RC-генератора з перебудовою частоти
Терморезистор у ланцюзі емітера транзистора Т1 призначений для стабілізації амплітуди вихідної напруги при зміні температури. Регулювання частоти здійснюється за допомогою спареного потенціометра R1R2.
В даний час дискретні елементи (транзистори) досить рідко використовуються для відновлення генераторів. Найчастіше цих цілей застосовують різні типи інтегральних мікросхем. Схеми, побудовані на ОУ, перемножниках, компараторах та таймерах, відрізняються простотою, стабільністю параметрів, універсальністю. Гнучкість та універсальність ОУ дозволяють з мінімальною кількістю зовнішніх компонентів створювати прості, але в той же час зручні при налаштуванні та регулюванні генератори практично всіх типів із задовільними параметрами.
Принцип роботи таких генераторів заснований на використанні в ланцюгах ОС фазозсувних або резонансних елементів: мосту Вина, подвійного Т-подібного мосту, зсувних RС-ланцюгів.
Існують інші способи генерування синусоїдальних коливань, наприклад фільтрацією імпульсів трикутної форми або виділенням першої гармонійної складової прямокутних імпульсів.
Ми розглянули один з різновидів генераторів із застосуванням коливального контуру. Такі генератори застосовуються в основному лише на високих частотах, а ось частка генерації нижчих частот застосування генератора LC може бути скрутним. Чому? Згадаймо формулу: частота KC-генератора розраховується за формулою
Тобто: для того щоб зменшити частоту генерації необхідно збільшити ємність конденсатора, що задає, і індуктивність дроселя і те, звичайно, спричинить збільшення розмірів.
Тому для генерації щодо низьких частот застосовуються RC-генератори
принцип роботи яких ми розглянемо.
Схема найпростішого RC-генератора(її ще називають схема з трифазним фазуючим ланцюжком), показана на малюнку:
За схемою видно, що це всього лише підсилювач. Причому він охоплений позитивним зворотним зв'язком (ПОС): вхід його з'єднаний з виходом і тому він постійно перебуває в збудженні. А частотою RC-генератора управляє так звана,фазовращающая ланцюжок, що складається з елементів С1R1, C2R2, C3R3.
За допомогою одного ланцюжка з резистора та конденсатора можна отримати зсув фаз не більше ніж на 90 º. Реально ж зсув виходить близьким до 60 º. Тому для отримання зсуву фази на 180 º доводиться ставити три ланцюжки. З виходу останнього RC-ланцюга сигнал подається на базу транзистора.
Робота починається у момент включення джерела живлення. При цьому імпульс колекторного струму містить широкий і безперервний спектр частот, в якому обов'язково буде і необхідна частота генерації. При цьому коливання частоти, на яку налаштований фазообертальний ланцюг, стануть незагасаючими. Частота коливань визначається за такою формулою:
При цьому має дотримуватися умова:
R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C
Такі генератори здатні працювати лише на фіксованій частоті.
Крім використання фазообертального ланцюга є ще один, більш поширений варіант. Генератор також побудований на транзисторному підсилювачі, але замість фазовращающей ланцюжка застосований так званий міст Вина-Робінсона (Прізвище Він пишеться з одного "Н"!!). Ось так він виглядає:
Ліва частина схеми - пасивний смуговий RC-фільтр, у точці А знімається вихідна напруга.
Права частина-як частотно-незалежний дільник.
Вважають, що R1=R2=R, C1=C2=C. Тоді резонансна частота визначатиметься таким виразом:
При цьому модуль коефіцієнта посилення максимальний і дорівнює 1/3 а фазовий зсув нульовий. Якщо коефіцієнт передачі дільника дорівнює коефіцієнту передачі смугового фільтра, то на резонансній частоті напруга між точками А і В дорівнює нулю, а ФЧХ на резонансній частоті робить стрибок від -90º до +90º. Взагалі ж має виконуватися умова:
R3=2R4
Але тільки одна проблема: все це можна розглядати лише для ідеальних умов. Реально все не так вже й просто: найменше відхилення від умови R3=2R4 призведе або до зриву генерації або до насичення підсилювача. Щоб було зрозуміліше, давайте підключимо міст Вина до операційного підсилювача:
Загалом саме так використовувати цю схему не вийде, оскільки в будь-якому випадку буде розкид параметрів моста. Тому замість резистора R4 вводять якийсь нелінійний або керований опір.
Наприклад нелінійний резистор: керований опір з допомогою транзисторів. Або можна замінити резистор R4 мікропотужною лампою розжарювання, динамічний опір якої зі зростанням амплітуди струму збільшується. Нитка розжарювання має досить велику теплову інерцію, і на частотах кілька сотень герц вже практично не впливає на роботу схеми в межах одного періоду.
Генератори з мостом Вина мають одну хорошу властивість: якщо R1 і R2 замінити змінною, але тільки здвоєною, то можна буде регулювати в деяких межах частоту генерації.
Можна і ємності С1 і С2 розбити на секції, тоді можна буде перемикати діапазони, а здвоєним резистором змінним R1R2 плавно регулювати частоту в діапазонах.
Майже практична схема RC-генератора з мостом Вина на малюнку нижче:
Тут: перемикачем SA1 можна перемикати діапазон, а здвоєним резистором R1 можна регулювати частоту. Підсилювач DA2 служить для узгодження генератора із навантаженням.
Генератором гармонійних коливань називають пристрій, що створює змінну синусоїдальну напругу за відсутності вхідних сигналів. У схемах генераторів завжди використовується позитивний зворотний зв'язок.
Коливання називаються вільними(або власними), якщо вони здійснюються за рахунок спочатку досконалої енергії за подальшої відсутності зовнішніх впливів на коливальну систему (систему, що здійснює коливання). Найпростішим типом коливань є гармонійні коливання - коливання, при яких величина, що коливається, зміняться з часом за законом синуса (косинусу).
Генератори є складовою багатьох вимірювальних приладів та найважливішими блоками автоматичних систем.
Розрізняють аналогові та цифрові генератори. Для аналогових генераторів гармонійних коливань важливою проблемою є автоматична стабілізація амплітуди вихідної напруги. Якщо у схемі не передбачено пристрої автоматичної стабілізації, стійка робота генератора виявиться неможливою. В цьому випадку після виникнення коливань амплітуда вихідної напруги почне постійно збільшуватися, і це призведе до того, що активний елемент генератора (наприклад, підсилювач операційний) увійде в режим насичення. В результаті напруга на виході відрізнятиметься від гармонійної. Схеми автоматичної стабілізації амплітуди досить складні.
Структурна схема генератора наведено на малюнку нижче:
ІЕ-джерело енергії,
УЕ - підсилювач,
ПІС - ланцюг позитивного зворотного зв'язку,
ООС - ланцюг негативної зворотної зв'язки,
ФК - формувач коливань (LC-контур або фазуючий RС-ланцюг).
за способу отримання коливань генератори поділяють на дві групи: генератори з зовнішнім збудженнямта генератори з самозбудженням. Генератор із зовнішнім збудженням є підсилювач потужності, на вхід якого подаються електричні сигнали від джерела коливань. Генератори із самозбудженням містять формувачі коливань; такі генератори часто називають автогенераторами .
Принцип роботи автогенератора
Він ґрунтується на автоматичному поповненні енергії, яку витрачає формувач коливань.
При цьому має дотримуватися:
-правило балансу амплітуд- добуток коефіцієнта посилення на коефіцієнт зворотного зв'язку має дорівнювати 1.
-правило балансу фаз- воно означає, що коливання виникають на цілком певній частоті, коли відбувається збіг фаз.
За умови дотримання обох умов коливання плавно або різко виникають і автоматично підтримуються із заданим розмахом. При великому фазовому зрушенні коливання гаситимуть одне одного й надалі зникнуть зовсім.
Є багато різновидів схем генераторів синусоїдальних коливань. Генератори для частот від кількох десятків кілогерців і вище містять LC-контури , а генератори для низьких частот, як правило, RС-фільтри .
Схеми LC-генераторів гармонійних коливань.
У генераторах з LC-контурамивикористовуються індуктивні котушки та конденсатори з високою добротністю. Автогенератор - формувач коливань - являє собою один або кілька підсилювальних каскадів з ланцюгами позитивного частотно-залежного зворотного зв'язку; схеми зворотного зв'язку містять коливальні ланцюги Можливі різні варіанти включення коливального ланцюга щодо електродів УЕ: тільки на вході, тільки на виході або одночасно у кількох ділянках схеми. За способами з'єднання LC-елементів з підсилювальних електродами елементів розрізняють трансформаторний зв'язок і так званий триточковий зв'язок - індуктивний або ємнісний. Автогенератор із трансформаторним зв'язком показаний на рис. 1.
Мал. 1. Автогенератор-формувач синусоїдальних коливань із трансформаторним зв'язком.
Коливальний контур, що складається з котушки Lк і конденсатора, є колекторним навантаженням транзистора V1, Індуктивний зв'язок між виходом і входом підсилювача забезпечується котушкою Lб, приєднаної до бази транзистора. Елементи R1, R2, Re, Се призначені для забезпечення необхідного режиму роботи по постійному струму та його термостабілізації.
Завдяки конденсатору С1 що володіє малим опором на частоті генерації, створюється ланцюг для змінної складової струму між базою та емітером транзистора. Точками позначені початки обмоток Lб і Lк, оскільки необхідно дотримати умову балансу фаз. Умова балансу фаздотримується, якщо приплив енергії відбувається синхронно із зміною знака напруги на контурі; наприклад, у каскаді з транзистором, включеним за схемою з ОЕ, фази вхідного та вихідного сигналів взаємно зрушені на 180° С. Тому кінці котушки Lб треба підключити так, щоб вхідні та вихідні коливання збігалися по фазі. Умова балансу амплітудполягає в тому, що втрати в контурі та навантаженні безперервно поповнюються за рахунок джерела живлення.
Мал. 1а. Робота автогенератора. Перехідні процеси.
Робота антогенератора(Мал. 1а) починається при включенні джерела Ек. Початковий імпульс струму збуджує у контурі LкC коливання із частотою 
, які могли б припинитися через теплові втрати енергії в активному опорі котушки і конденсатора. Але оскільки між котушками Lб і Lк є індуктивний зв'язок з коефіцієнтом взаємоіндукції М, у базовому ланцюгу виникне змінний струм, що збігається по фазі зі струмом колекторного ланцюга (умова балансу фаз забезпечується раціональним включенням кінців обмотки Lб). Посилені коливання передаються з контуру знову до базового ланцюга, і розмах коливань поступово наростає, досягаючи заданого значення.
Мал. 2. Формувачі синусоїдальних коливань на основі коливального контуру, зібраного за триточковою індуктивною (а) та ємнісною (б) схемою.
Автогенератор, зібраний по триточкової схемипоказаний на рис. 2, а. Коливальний контур, що складається з котушки Lк, що секціонується, і конденсатора Ск, є навантаженням транзистора V1. Котушка Lк розділена на дві частини: один висновок її приєднаний до колектора, другий - до бази транзистора; енергія підводиться до одного із середніх витків цієї котушки. Таке включення забезпечує виконання балансу фаз і відрізняється великою простотою та надійністю. Режим роботи транзистора по постійному струму та його термостабілізація здійснюються за рахунок таких елементів, як і в схемі трансформаторного генератора (див. рис. 1). Ємнісна триточкова схема (рис. 2,б) містить в ємнісній гілки коливального контуру два конденсатори, середня точка між якими з'єднана з емітером транзистора V1. Коливальний контур включений послідовно між джерелом енергії та УЕ. Напруги на конденсаторах мають протилежну полярність щодо загальної точки, завдяки чому забезпечується виконання умови балансу фаз.
Схеми RC-генераторів гармонійних коливань.
RC-автогенераторивикористовуються для генерування коливань інфранізкою та низькою частотою (від часток герца до кількох десятків кілогерц); RС-генератори можуть виробляти коливання та більш високих частот, проте низькочастотні коливання відрізняються більш високою стабільністю.
Мал. 3. Автогенератори синусоїдальних коливань з метою Г-подібних RC-ланок (а) і мостового типу (б).
RC-автогенератор складається з підсилювача (одно-або багатокаскадного) та ланцюга частотно-залежного зворотного зв'язку. Ланцюги зворотного зв'язку виконуються у вигляді «сходових» (рис. 3 а) або мостових (рис. 3 б) RC-схем.
RC-автогенератор з багатоланковий RC-ланцюгом зворотного зв'язку показано на рис. 3 а. Три послідовно з'єднаних фазуючих евену R1C1-R3С3, включених між виходом і входом підсилювального каскаду, утворюють ланцюг позитивного зворотного зв'язку з фільтруючими властивостями. Вона підтримує коливальний процес лише з однієї певної частоті; без RC-елементів однокаскадний підсилювач мав би негативний зворотний зв'язок за напругою. Умова балансу фаз прояв ється в тому, що кожна з RС-ланок повертає фазу сигналу на кут 60 °, а сумарний кут зсуву дорівнює 180 °. Умова балансу амплітуд задовольняється шляхом вибору відповідного коефіцієнта посилення каскаду.
Автогенератор із RC-фільтром мостового типунаведено на рис. 3,б. Два плечі моста - ланки R1C1 і R2C2 - підключені до входу підсилювача 2, що не інвертується (цифра всередині трикутника означає число каскадів). Ці ланки утворюють ланцюг ПІБ. До входу, що інвертує, того ж підсилювача приєднана інша діагональ, складена з нелінійних елементів R3 і rяка створює ланцюг ООС. У цій схемі міст має вибіркову властивість і умова балансу фаз забезпечується при одній частоті (на якій вихідний сигнал моста збігається по фазі з вхідним). Регулювання частоти в даному автогенераторі просте і зручне, причому можливе в дуже широкому діапазоні частот. Її здійснюють зміною чи опорів обох резисторів, чи ємностей обох конденсаторів моста.
Загальний недолік всіх генераторів - чутливість генерованої частоти до зміни напруги живлення, температури, "старіння" елементів схеми.
RC-генератором називають генератор гармонійних коливань, в якому замість коливальної системи, що містить елементи Lі З, застосовується резистивно-ємнісний ланцюг ( RC-ланцюг), що володіє частотною вибірковістю.
Виняток із схеми котушок індуктивності дозволяє істотно зменшити габарити та масу генератора, особливо на низьких частотах, оскільки зі зниженням частоти різко збільшуються розміри котушок індуктивності. Важливою перевагою RC-генераторів у порівнянні з LC-генераторами є можливість їх виготовлення за інтегральною технологією Однак RC-генератори мають низьку стабільність частоти коливань, що генеруються, обумовлену низькою добротністю RC-ланцюгів, а також погану форму коливань через погану фільтрацію вищих гармонік у спектрі вихідного коливання.
RC-генератори можуть працювати в широкому діапазоні частот (від часток герца до десятків мегагерц), проте знайшли застосування в апаратурі зв'язку та вимірювальної техніки переважно на низьких частотах.
Основи теорії RC-генераторів були розроблені радянськими вченими В. П. Асеєвим, К. Ф. Теодорчиком, Е. О. Сааковим, В. Г. Криксуновим та ін.
RC-генератор зазвичай включає широкосмуговий підсилювач, виконаний на лампі, транзисторі або інтегральній схемі і RC-ланцюг зворотного зв'язку, що має вибіркові властивості і визначальну частоту коливань. Підсилювач компенсує втрати енергії в пасивних елементах та забезпечує виконання амплітудної умови самозбудження. Ланцюг зворотного зв'язку забезпечує виконання фазової умови самозбудження тільки на одній частоті. На вигляд ланцюга зворотного зв'язку RC-генератори поділяються на дві групи:
з нульовим фазовим зсувом ланцюга зворотного зв'язку;
зі зсувом фази ланцюга зворотний зв'язок на 180.
Для поліпшення форми генерованих коливань в RC-генераторах застосовують елементи, що мають нелінійність, які обмежують наростання амплітуди коливань. Параметри такого елемента змінюються в залежності від амплітуди коливань, а не від їх миттєвих значень (терморезистор, опір якого залежить від ступеня нагрівання струмом, що проходить через нього). За такого обмеження форма коливань не змінюється, вони залишаються гармонійними й у стаціонарному режимі.
Розглянемо обидва типи RC-Автогенераторів.
Автогенератор зі зсувом фази на 180 ланцюга зворотного зв'язку.
Такий автогенератор ще називають автогенератором із триланковим ланцюгом RC.
У схемах RC-генераторів зі зсувом фази в ланцюзі зворотного зв'язку на 180 використовуються підсилювачі, що інвертують фазу вхідної напруги В якості такого підсилювача може, наприклад, використовуватися операційний підсилювач з входом, що інвертує, однокаскадний підсилювач або багатокаскадний підсилювач з непарним числом інвертуючих каскадів.
Щоб виконувати рівняння балансу фаз, ланцюг зворотний зв'язок має забезпечити фазовий зсув ОС = 180.
Для обґрунтування структури ланцюга зворотного зв'язку відтворимо фазочастотні характеристики найпростіших RC-ланок (рис. 3,4).
Мал. 3 Варіант RC-ланки та його ФЧХ
Мал. 4 Варіант RC-ланки та його ФЧХ
З графіків видно, що одне найпростіше RC-ланка вносить зсув фаз, що не перевищує 90. Тому зсув по фазі величиною 180 можна здійснити шляхом каскадного з'єднання трьох елементарних RC-ланок (рис.5).
Мал. 5 Схеми та ФЧХ триланкових RC-ланцюгів
Елементи RC-ланцюги розраховуються так, щоб на частоті генерації отримати зсув фаз 180. Один з варіантів генератора з триланковим ланцюгом RCпоказано на малюнку 6
Мал. 6 Генератор з триланковим ланцюгом RC
Генератор складається з резистивного підсилювача на транзисторі та ланцюга зворотного зв'язку. Однокаскадний підсилювач із загальним емітером здійснює зсув фази між напругою на колекторі та базі К = 180. Отже, для виконання балансу фаз ланцюг зворотного зв'язку повинен забезпечувати на частоті коливань генерованих ОС = 180.
Проведемо аналіз ланцюга зворотний зв'язок, навіщо складемо систему рівнянь методом контурних струмів.
Вирішуючи отриману систему щодо коефіцієнта зворотного зв'язку, отримаємо вираз
З виразу випливає, що фазовий зсув 180 виходить у тому випадку, коли буде речовинною та негативною величиною, тобто.
отже, генерація можлива на частоті
На цій частоті модуль коефіцієнта зворотного зв'язку
Це означає, що для збудження автоколивань коефіцієнт підсилювача має бути більшим за 29.
Вихідну напругу генератора зазвичай знімають із колектора транзистора. Для отримання коливань гармонійної форми в ланцюг емітера включений терморезистор RТ із позитивним температурним коефіцієнтом опору. При збільшенні амплітуди коливань опір RТ зростає і збільшується глибина негативного зворотного зв'язку в підсилювачі змінного струму, відповідно, падає коефіцієнт посилення. Коли настає стаціонарний режим коливань ( До= 1), підсилювач залишається лінійним та спотворення форми колекторного струму не відбувається.
Автогенератор з нульовим фазовим зсувом ланцюга зворотного зв'язку.
Характерною рисою схем RC-генераторів з нульовим фазовим зсувом в ланцюзі зворотного зв'язку є використання в них підсилювачів, що не інвертують фазу вхідного сигналу Як такий підсилювач може, наприклад, використовуватися операційний підсилювач з неінвертуючим входом або багатокаскадний підсилювач з парним числом каскадів, що інвертують. Розглянемо деякі можливі варіанти ланцюгів зворотного зв'язку, що забезпечують нульовий фазовий зсув (рис. 7).
Мал. 7 Варіанти ланцюгів ОС, що забезпечують нульовий фазовий зсув
Вони складаються з двох ланок, одна з яких представляє RС-ланка з позитивним фазовим зсувом, а друга – з негативним зрушенням фази В результаті складання ФЧХ на певній частоті (частоті генерації) можна отримати фазовий зсув, що дорівнює нулю.
На практиці найчастіше як виборчий ланцюг з нульовим фазовим зсувом застосовують фазобалансний міст, або по-іншому міст Вина (рис. 7 в), застосування якого показано у схемі RC-генератора з нульовим фазовим зсувом, виконаного на операційному підсилювачі (рис. 8)
Мал. 8 RC-генератор з нульовим фазовим зсувом в ланцюзі ОС
У цій схемі напруга з виходу підсилювача подається на його неінвертуючий вхід через ланцюг зворотного зв'язку, утворений елементами моста. R 1 C 1 та R 2 C 2 . Резистивний ланцюжок RRТ утворює ще один зворотний зв'язок - негативний, який призначений для обмеження наростання амплітуди коливань і збереження їх гармонійної форми. Напруга негативного зворотного зв'язку надходить на вхід, що інвертує, операційного підсилювача. Терморезистор RТ повинен мати негативний температурний коефіцієнт опору.
Коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку
має бути речовинною та позитивною величиною, а це можливо при виконанні рівності
Звідси визначається частота коливань, що генеруються. Якщо R 1 = R 2 =R, C 1 = C 2 = C, то
Амплітудна умова самозбудження на частоті 0 вимагає виконання нерівності
При рівності R 1 = R 2 = Rі C 1 = C 2 = Cкоефіціент посилення До > 3.
Частоту коливань можна змінювати шляхом зміни опорів Rабо ємностей конденсаторів З, що входять до складу мосту Вина, а амплітуда коливань регулюється опором R.
Основна перевага RC-генераторів перед LC-генераторами полягає в тому, що перші легше реалізувати для низьких частот Наприклад, якщо у схемі генератора з нульовим фазовим зсувом у ланцюгу зворотного зв'язку (рис. 8) R 1 = R 2 = 1 МОм, C 1 = C 2 = 1 мкФ, то частота, що генерується
.
Щоб отримати таку ж частоту в LC-генераторі, знадобилася б індуктивність L= 10 16 Гн при З= 1 мкФ, що важко здійснити.
У RC-генераторах можна, змінюючи одночасно величини ємностей З 1 та З 2 , отримати ширший діапазон перебудови частоти, ніж це має місце в LC-генератори. Для LC-генераторів
у той час як для RC-генераторів, при З 1 = З 2
До недоліків RC-генераторів слід віднести той факт, що на відносно високих частотах вони важче реалізуються, ніж LC-генератори Дійсно, величину ємності не можна знизити менше ємності монтажу, а зменшення опорів резисторів призводить до падіння коефіцієнта посилення, що ускладнює виконання амплітудної умови самозбудження.
Перелічені переваги та недоліки RC-генераторів зумовили їх застосування низькочастотному діапазоні з великим коефіцієнтом перекриття по частоті.
