Глава 9. Автогенераторы гармонических колебаний

9.1. Автоколебательная система

Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию питания в энергию колебаний. Независимо от схемы и назначения автогенератор должен иметь источник питания, усилитель и цепь обратной связи. Из приведенных в гл. 5 сведений следует, что обратная связь должна быть положительной.

Настоящая глава в основном посвящена изучению явлений в автогенераторах, используемых для получения высокочастотных гармонических колебаний. В качестве усилительных элементов в подобных генераторах используются транзисторы, электронные лампы и другие аналогичные приборы, а в качестве цепей нагрузки - колебательные цепи с сосредоточенными или распределенными параметрами.

Автогенератор, находящийся в стационарном режиме, представляет собой обычный нелинейный усилитель, для возбуждения которого используются колебания, вырабатываемые в самом генераторе; колебания с выхода усилителя подаются на его вход по цепи обратной связи. Если амплитуда и фаза возбуждения отвечают определенным условиям, то в энергетическом отношении автогенератор ведет себя так же, как и генератор с посторонним возбуждением. Однако генератор с самовозбуждением имеет существенные особенности. Частота и амплитуда автоколебания в стационарном режиме определяются только параметрами самого генератора, между тем как в генераторе с посторонним возбуждением частота и амплитуда навязываются возбудителем. Кроме того, в случае самовозбуждения большое значение имеет механизм возникновения колебаний при запуске автогенератора.

Все эти особенности можно выявить, рассматривая поведение автогенератора в процессе нарастания колебаний от момента запуска до полного установления стационарного состояния. Можно наметить следующую картину. В момент запуска в колебательной цепи автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, электрическими флуктуациями и т. д. Благодаря обратной связи эти первоначальные колебания усиливаются, причем на первом этапе, пока амплитуды малы, усиление является практически линейным и цепь можно рассматривать как линейную. Энергетически процесс нарастания амплитуд объясняется тем, что за один период колебания усилитель передает в нагрузку энергию, большую той, которая расходуется за это же время. С ростом амплитуд начинает проявляться нелинейность устройства (кривизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление уменьшается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке, при этом энергия, отдаваемая усилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это же время в нагрузке.

Таким образом, на последнем этапе установления колебаний основную роль играет нелинейность цепи, без учета которой нельзя определить параметры стационарного режима автогенератора.

Любой автогенератор высокочастотных колебаний в стационарном режиме можно представить в виде схемы, показанной на рис. 9.1 (через ω_г обозначена частота генерации). На этой схеме автогенератор изображен в виде сочетания трех четырехполюсников: одного нелинейного, безынерционного, и двух линейных. Нелинейный четырехполюсник соответствует усилительному элементу (электронная лампа, транзистор, клистрон и т. д.), первый из линейных четырехполюсников - колебательной цепи автогенератора, а второй - цепи обратной связи. Подобное представление автогенератора справедливо для систем с внешней обратной связью.

Рис. 9.1. Структурная схема автогенератора

В § 9.8 будут рассмотрены примеры автогенераторов, механизм работы которых приводит к внутренней обратной связи требующей несколько иной трактовки обобщенной схемы.

Усилительный элемент совместно с избирательным четырехполюсником, обеспечивающим фильтрацию (подавление) высших гармоник, представляет собой обычный нелинейный усилитель, развивающий на выходе гармоническое напряжение, В общем случае усиление зависит как от частоты ω_г (из-за избирательности четырехполюсника), так и от амплитуды U₁ (из-за нелинейности усилительного элемента). Коэффициент усиления этого устройства обозначим через К_у(iω_г, U₁). Очевидно, что

При фиксированной частоте ω_pК_у является функцией только амплитуды U₁.

Коэффициент передачи линейного четырехполюсника обратной связи, который в дальнейшем будем называть просто коэффициентом обратной связи, можно выразить через амплитуды U₃ и U₂:

Но напряжение U₃, снимаемое с выхода четырехполюсника обратной связи, есть одновременно напряжение U₁, действующее на входе усилителя. Следовательно,

Сравнивая это выражение с отношением (9.1), приходим к выводу, что в стационарном режиме автогенератора (когда только и можно пользоваться методом комплексных амплитуд) коэффициенты К_у(iω_г, U₁) и К_ос(iω) являются взаимно обратными величинами:

Так как коэффициент передачи линейного четырехполюсника не зависит от амплитуды колебаний, то выражение (9.3) можно использовать для определения установившейся амплитуды колебания при заданном К_ос. Именно, когда К_у, уменьшаясь с ростом амплитуды (из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усилительного элемента), достигает величины 1/К_ос, дальнейший рост амплитуды, как указывалось ранее, прекращается. Это поясняется рис. 9.2. Стационарная амплитуда U_1ст определяется как абсцисса точки пересечения графика К_у с горизонталью, проведенной на уровне 1/К_ос. С другой стороны, выражение (9.3) можно использовать для определения коэффициента обратной связи, требуемого для поддержания определенной амплитуды U_1ст при заданной функции К_у (U₁).

Рис. 9.2. К определению стационарной амплитуды автоколебания

Для установления перечисленных общих свойств автогенератора нам не требовалось уточнять ни тип усилительного элемента, ни вид схемы автогенератора. Это объясняется тем, что мы ограничились рассмотрением стационарного режима автогенератора. Для выяснения же механизма возникновения колебаний, а также механизма установления стационарного режима необходимо исходить из конкретного электронного прибора и конкретной схемы автогенератора.

Отметим одно важное требование, предъявляемое к автогенератору, предназначенному для устройств передачи информации: вырабатываемое им колебание должно быть строго монохроматическим (в отсутствие модуляции). Любое нарушение монохроматичности, проявляющееся в паразитном изменении амплитуды, частоты или фазы колебания, может служить причиной возникновения помех в канале радиосвязи. Требование монохроматичности включает в себя также и требование стабильности частоты автоколебания.