Генераторы. Генератор пилообразных импульсов. Генератор гармонических колебаний с обратной связью. Метод фазовой плоскости, страница 3

Реальная схема генератора на туннельном диоде, изображена на рис. 7.8. Сопротивления  и  определяют постоянные составляющие тока и напряжения на туннельном диоде (рабочую точку  на ВАХ). Большая ёмкость  шунтирует сопротивление  и обеспечивает параллельное подключение диода к колебательному контуру по переменной составляющей.

7.2. Генератор гармонических колебаний с обратной связью.

Это наиболее распространённый тип генераторов гармонических колебаний. Основу генератора составляют усилитель, охваченный положительной обратной связью, и колебательный контур с хорошей добротностью, определяющий частоту колебаний. В качестве усилительного элемента выберем полевой транзистор (или операционный усилитель). Расчёты при этом упрощаются, поскольку можно не учитывать большое входное сопротивление управляющей цепи транзистора.

Сначала рассмотрим генератор с контуром в цепи затвора, рис.7.9. Положительная обратная связь осуществляется за счёт индуктивной связи между катушками индуктивности в цепи затвора и стока. Напишем дифференциальное уравнение для контура (). . Преобразуем уравнение, учитывая равенство , где  есть динамическая крутизна транзистора. . Здесь:   есть вносимое сопротивление. Теперь отрицательное сопротивление вносится в контур за счёт положительной обратной связи.

Характер решений дифференциального уравнения снова определяет знак параметра . , решение устойчиво, генерации нет. , неустойчивость, возбуждение. Условие возбуждения выглядит так: . Это условие всегда можно реализовать, подбирая нужным образом  и . Потери энергии в контуре компенсируются поступлением энергии от общего источника через цепь обратной связи. Транзистор управляет этим процессом. Условие возбуждения выполнено тогда, когда поступает энергии больше, чем тратится.

Для рассмотрения процесса установления амплитуды колебаний мы должны учесть нелинейность связи . Она проявляется через крутизну транзистора. Типичная зависимость тока стока от напряжения на затворе изображена на рис. 7.10. Динамическая крутизна определяется наклоном этой характеристики. Выберем рабочую точку B на участке максимальной крутизны и будем считать, что условие возбуждения для этой точки выполнены, . Тогда колебания в контуре возникают сами (шумы) и их амплитуда нарастает. Однако тенденция развития процесса такова, что с ростом амплитуды колебаний средняя крутизна, , которая и определяет характер решений, уменьшается, рис. 7.11. Рост амплитуды замедляется и, в конечном итоге, она перестаёт меняться, когда выполняется равенство . Поступает в контур столько энергии в среднем за период, сколько расходуется. К анализу нелинейного дифференциального уравнения контура мы ещё вернемся.

Рассмотренные примеры показывают, что не зависимо от типа генераторов (есть обратная связь или нет), неизбежные потери энергии в контуре должны компенсироваться поступлением энергии от общего источника питания. Другими словами, в контур обязательно должно вноситься отрицательное сопротивление . Без этого генератора не получится. Отрицательное дифференциальное сопротивление реализуется или с помощью нелинейного элемента, имеющего «падающий» участок вольтамперной характеристики, или с помощью положительной обратной связи. Фактически, идея общая, но реализуется она двумя способами. В этом всё отличие двух типов генераторов гармонических колебаний с колебательным контуром.

Отметим ещё три обстоятельства. Мы рассмотрели случай «мягкого» возбуждения генератора, когда колебания возникают сами за счёт шумов. Иногда используются импульсные генераторы с «жёстким» возбуждением. При этом рабочая точка выбирается на участке с малой крутизной, точка С на рис. 7.10, и условие возбуждения при малых амплитудах не выполняется. Колебания сами возникнуть не могут. Однако, если в контуре возбудить колебания достаточной амплитуды () каким-нибудь образом, то они уже не затухнут. Это и называют «жестким» режимом возбуждения. Качественный рисунок, отражающий энергетический баланс для этой ситуации, приведён на рис. 7.12. Здесь имеются две точки динамического равновесия, D и F, но первая соответствует неустойчивому равновесию, как легко убедиться, а вторая – устойчивому. Начальная амплитуда колебаний должна быть больше .