ТЕОРИЯ: ПОНЕМНОГУ - ОБО ВСЕМ
В. ПОЛЯКОВ, г. Москва
7.3. Генераторы синусоидальных колебаний.
Один из видов генераторов синусоидальных колебаний используют для задания частоты RC-элементы. Такие генераторы достаточно сложны, требуют специальных мер по стабилизации амплитуды колебаний и не отличаются высокой стабильностью частоты.
               

Надежнее и лучше работают генераторы с параллельным колебательным контуром в качестве частотозадающего элемента — их часто называют LC-генераторами. Напомним, что параллельный колебательный контур содержит конденсатор и катушку индуктивности. Если заряженный конденсатор подключить к катушке, то в образовавшемся контуре (рис. 47) возникнут затухающие колебания. Их частота определяется формулой Томсона: fo = 1/2π(LC)1/2.
Колебания продолжались бы бесконечно, если бы в контуре не было потерь энергии, например, на активном сопротивлении провода катушки. Кроме того, какую-то. пусть и небольшую часть энергии надо отдавать в нагрузку генератора!
Чем меньше потери энергии, тем выше добротность контура, которая равна числу колебаний до момента уменьшения их амплитуды пример но в 10 раз. Этот факт мало кому известен. Потери в контурном конденсаторе обычно малы по сравнению с потерями в катушке, поэтому добротность контура практически равна добротности катушки, определяемой как отношение реактивного сопротивления катушки к активному.
Добротность радиочастотных катушек диапазонов ДВ, СВ и KB лежит обычно в пределах 30...300, в зависимости от размеров и качества исполнения. Большие катушки, намотанные для диапазонов ДВ и СВ специальным многожильным проводом (ЛЗШО — литцендратом) или толстым посеребренным проводом для диапазона KB, имеют обычно и большую добротность.

Значительно сократить размеры катушек при сохранении высокой добротности позволяют магнитопроводы (сердечники) из высокочастотного феррита или другого магнитодиэлектрика (магнетита, оксифера, карбонильного железа). Однако при использовании таких катушек в генераторах надо обращать внимание на температурную зависимость свойств магнитопровода, чтобы не ухудшить стабильность частоты генератора.
Добротность контура определяет и ширину его резонансной кривой. Она характеризует зависимость амплитуды колебаний в контуре от частоты при возбуждении его от постороннего источника синусоидальных колебаний. Связь источника с контуром для получения правильных результатов должна быть очень слабой при совпадении частоты колебаний источника с резонансной частотой контура амплитуда колебаний в нем максимальна, а при расстройке она уменьшается. Ширина резонансной кривой по точкам, где амш!итуда падает до 0,7 (на 3 дБ), обратно пропорциональна добротности: 2Δf=f/Q (рис, 47).
Основная идея построения генераторов с LC-контуром состоит в следующем: убыль энергии в контуре в процессе колебаний должна восполняться усилительным элементом, возбуждаемым от того же контура. При этом должны выполняться два условия: баланс амплитуд и баланс фаз.
Первое условие требует, чтобы энергия, подводимая к контуру от усилительного элемента, в точности равнялась потерям энергии в самом контуре и в цепях связи с нагрузкой. При более слабой обратной связи колебания затухают и генерация прекращается, при более сильной — амплитуда нарастает и усилительный элемент либо входит в режим ограничения, либо закрывается напряжением, вырабатываемым цепью стабилизации амлитуды. В обоих случаях усиление уменьшается, восстанавливая баланс амплитуд.

Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания от усилительного элемента подводились к контуру синфазно с его собственными. Следовательно, общий фазовый сдвиг по петле обратной связи должен быть нулевым. Впрочем, небольшой фазовый сдвиг, вносимый усилителем, может компенсироваться контуром. Фазовый сдвиг колебаний в контуре (относительно возбуждающих) составляет 0 на резонансной частоте и достигает ±π/4 при расстройке частоты на ±Δf в соответствии с фазовой характеристикой контура. При наличии фазового сдвига в усилительном элементе колебания будут возбуждаться не на резонансной частоте, а где-то сбоку от нее, что, конечно, нежелательно.
Исторически первый LC-генератор был изобретен Мейсснером в 1913 г. (немецкое общество беспроволочного телеграфа) и затем усовершенствован Роундом (английская фирма Маркони). В нем использовалась индуктивная обратная связь (рис. 48). Колебания от контура L2C2 подводятся к сетке лампы VL1. Ее анодный ток, изменяющийся в такт с колебаниями в контуре, протекает через катушку связи и, и энергия усиленных колебаний поступает обратно в контур. Для правильной фазировки обе катушки должны включаться так, как показано на рисунке (начала обмоток, намотанных в одну сторону, обозначены точками). Регулировать обратную связь можно, изменяя расстояние между катушками.
Для стабилизации амплитуды колебаний служит гридлик — цепочка C3R1 (кстати, в самом первом генераторе Мейсснера ее еще не было). Действует она так: во время положительных полупериодов колебаний на сетке часть электронов притягивается на нее и заряжает правую по схеме обкладку конденсатора СЗ минусовым напряжением. Оно сдвигает рабочую точку на участок характеристики с меньшей крутизной (лампа немного закрывается), и усиление уменьшается. Резистор "утечки сетки" R1 позволяет накапливающемуся заряду стекать на катод, иначе лампа закрылась бы совсем.
Конденсатор С1 служит для замыкания токов высокой частоты на общий провод ("землю") — ведь совсем не нужно, чтобы они протекали через источник питания, создавая наводки и помехи другим элементам устройства, в котором использован генератор.
             

В дальнейшем американской фирмой "Вестерн Электрик" были разработаны более простые и совершенные генераторы — индуктивная "трехточка" Хартли (1915 г) и емкостная "трехточка" Колпитца (1918 г.). Мы намеренно привели имена изобретателей, поскольку схемы их генераторов практически не изменились за более чем три четверти века, и до сих пор в технической литературе встречаются названия "схема Мейснера" или "схема Колпитца" без пояснения, что это такое. Элементная база тем не менее значительно изменилась, и в качестве примера рассмотрим генератор, выполненный по схеме индуктивной трехточки (Хартли) на современном полевом транзис торе с изолированным затвором (рис. 49).
По принципу действия такой транзистор во многом подобен трехэлектродчой радиолампе — триоду, но ток в нем протекает не в вакууме, а в толще полупроводника, где технологически создан проводящий канал между стоком (верхний по схеме вывод) и истоком (нижний вывод). Проводимость канала управляется напряжением на затворе — электроде, расположенном очень близко к каналу, но изолированном от него. При подаче на затвор отрицательного напряжения его поле как бы "пережимает" канал и ток стока уменьшается. Если же подано и увеличивается положительное напряжение, проводимость канала растет и ток стока увеличивается. В любом случае ток затвора отсутствует, и это заставило дополнить гридлик C2R1 — цепь стабилизации амплитуды — диодам VD1, детектирующим поступающие на затвор колебания и создающим отрицательное смещение при возрастании их амплитуды.
Колебания на затвор подаются с контура L1С1, определяющего частоту генератора. Достоинство полевого транзистора в том, что его входное сопротивление на радиочастотах очень велико, и оно практически не шунтирует контур, не внося в него дополнительных потерь. Обратная связь создается подключением истока транзистора к части витков катушки L1 (обычно от 1/3 до 1/10 общего числа витков).
Работает генератор так: при положительной полуволне колебаний на верхнем по схеме выводе контура увеличивается ток транзистора, который "подбрасывает" в контур очередную порцию энергии.
По сути дела, транзистор в этом генераторе включен истоковым повторителем, и фаза колебаний на истоке совпадает с фазой колебаний на затворе, что и обеспечивает баланс фаз. Коэффициент передачи повторителя по напряжению меньше единицы, однако катушка по отношению к истоку включена как повышающий автотрансформатор. В результате полный коэффициент передачи по петле обратной связи становится больше единицы, обеспечивая баланс амплитуд.
                 

В качестве другого примера рассмотрим генератор, выполненный по схеме емкостной "трехточки" на биполярном транзисторе (рис. 50). Собственно генератор собран на транзисторе VT1. Его режим по постоянному току задается делителем в цепи базы R1R2 и сопротивлением эмиттерного резистора R3 (мы уже рассматривали такие схемы в разделе об усилителях). Колебательный контур генератора образован катушкой индуктивности L1 и цепочкой из трех последовательно включенных конденсаторов С1—СЗ. К отводам получившегося емкостного делителя подключены не только эмиттер, но и база транзистора. Это продиктовано желанием уменьшить шунтирование контура транзистором — ведь входное сопротивление биполярного транзистора относительно невелико.
Практически емкости конденсаторов С2 и СЗ, шунтирующих переходы транзистора, стараются выбрать побольше, а емкость С1 — минимально необходимой для возникновения колебаний. Это улучшает стабильность частоты. В остальном работа генератора происходит так же. как и предыдущего.
Каскад на транзисторе VT2 — так называемый буферный каскад — служит для ослабления влияния последующих каскадов на генератор. Транзистор включен эмиттерным повторителем и получает смещение непосредственно с эмиттера генераторного транзистора VT1. Дополнительно связь ослаблена резистором R4. Все принятые меры позволяют довести относительную нестабильность частоты описанного генератора до столь малой величины, как 0,001 %, тогда как у обычных LC-генераторов она на порядок хуже.
В радиовещательных и телевизионных приемниках используют более простые генераторы по схеме емкостной трехточки, типичная схема одного из которых показана на рис. 51. Здесь контур L1C3 включен в коллекторную цепь транзистора, база по высокой частоте соединена с общим проводом через конденсатор С2, а обратная связь подается на эмиттер через емкостный делитель С4С5. Включение транзистора по схеме с общей базой позволяет получить особенно высокие частоты генерации, близкие к предельным для данного типа транзистора. Сигнал генератора снимают с катушки связи L2.