Эти генераторы имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспечивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. К недостаткам их относятся трудности изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также высокая стоимость и громоздкость последних. Особенно это проявляется при создании автогенераторов диапазона инфранизких частот, в которых даже при применении ферромагнитных сердечников габаритные размеры, масса и стоимость получаются большими.

В генераторе -типа формы выходного напряжения весьма близка к гармонической. Это обусловлено хорошими фильтрующими свойствами колебательного -контура. Они, как правило, работают с «отсечкой» тока активных приборов усилителя. Соответственно форма выходного тока усилителя резко отличается от синусоидальной. При этом в начальный момент возникновения автоколебаний , что обеспечивает устойчивую работу автогенератора даже при значительных изменениях параметров его элементов. Для самовозбуждения генератора -типа также необходимо наличие положительной обратной связи.

Сущность самовозбуждения заключается в следующем. При включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенного чаще всего в коллекторную цепь транзистора, заряжается. В контуре возникают затухающие автоколебания, причем часть тока (напряжения) этих колебаний подается на управляющие электроды активного прибора, образуя положительную обратную связь. Это приводит к пополнению энергии -контура. Автоколебания превращаются в незатухающие.

Рис. 8.39. LC-автогенераторы: а - с трансформаторной ОС; б - с автотрансформаторной ОС (индуктивная трехточка); в - по схеме емкостной трехточки

Частота автоколебаний в первом приближении определяется резонансной частотой -контура:

Многочисленные схемы автогенераторов -типа различаются в основном схемами введения сигнала обратной связи и способами подключения к усилителю колебательного контура.

На рис. 8.39, а показано введение положительной ОС с помощью трансформаторной обратной связи (обмотка 2). Напряжение ОС зависит от соотношения числа витков обмоток 1 и 2. На рис. 8.39, б использована автотрансформаторная обратная связь. Источник питания Е подключен к части витков катушки индуктивности L, что уменьшает его шунтирующее действие и повышает добротность колебательного контура . Сопротивление разделительного конденсатора на частоте колебаний близко к нулю. На рис. 8.39, в показан генератор, собранный по схеме емкостной трехточки. В нем напряжение обратной связи снимается с конденсатора С 2- Энергия, поддерживающая автоколебания, вводится в форме импульсов тока . Для уменьшения шунтирующего действия транзистора он подключен к контуру через емкостный делитель напряжения.

Для количественной оценки устойчивости автоколебаний часто вводят коэффициент регенарации. Это безразмерный коэффициент, характеризующий режим работы автогенератора и показывающий, во сколько раз можно уменьшить добротность Q колебательной системы по сравнению с ее исходным значением, чтобы автогенератор оказался на границе срыва колебаний:

где - реактивное сопротивление индуктивности контура; - эквивалентное активное сопротивление контура, включающее и сопротивление активного элемента, шунтирующего его. В низкочастотных автогенераторах коэффициент регенерации обычно не менее .

Следует отметить, что в транзисторных генераторах источник возбуждающих колебаний имеет, как правило, малое внутреннее сопротивление. Следовательно, в цепи базы протекает ток несинусоидальной формы, а напряжение база - эмиттер остается синусоидальным.

Хорошие энергетические показатели у генератора могут быть получены только при работе с «отсечкой тока» (ток через транзистор имеет форму импульсов; рис. 8.40, а). При этом считается, что наилучшие энергетические характеристики имеют место при . В то же время для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы . В противном случае до возникновения автоколебаний на базе транзистора будет только запирающее напряжение и без воздействия дополнительного внешнего отпирающего напряжения («жесткий» режим возбуждения) автоколебания не возникнут.

При «мягком» режиме возбуждения на базу должно быть подано отпирающее напряжение порядка . При возникновении автоколебаний смещение должно автоматически изменяться в зависимости от амплитуды колебаний до получения нужного угла отсечки 0. Здесь нетрудно увидеть взаимосвязь с рассмотренным выше положением о необходимости введения цепи, изменяющей смещение до получения .

При достаточно глубокой ОС и неправильно подобранных емкостях конденсаторов (рис. 8.39, а) может возникнуть прерывистая генерация или автомодуляция. В этом случае амплитуда колебаний имеет переменное значение или уменьшается до нуля на определенные промежутки времени (рис. 8.39, б). Прерывистая генерация обусловлена тем, что при определенных условиях напряжение автоматического смещения вследствие зарядки конденсаторов может приблизиться к амплитуде напряжения ОС. Транзистор перестанет открываться и пополнять энергию колебательного контура. В итоге автоколебания быстро затухнут до нуля и возникнут снова только после разрядки конденсаторов . Затем процесс нарастания амплитуды, зарядки конденсаторов и срыва автоколебаний повторится.

Рис. 8.40. Импульсы коллекторного тока (а); прерывисто генерируемый в автогенераторе сигнал (б)

Поэтому цепи, обеспечивающие автоматическое смещение рабочей точки, обычно приходится подбирать при настройке. В схемах рис. 8.39, б, в изменения напряжения смещения происходят вследствие зарядки конденсаторов .

Заданную частоту колебаний можно получить при разных значениях индуктивности L и емкости С, так как она определяется их произведением. Однако увеличение емкости конденсатора С приводит к уменьшению индуктивности, что существенно снижает добротность контура:

где - резонансная частота.

Уменьшение добротности может привести к искажениям формы автоколебаний и появлению дополнительной нестабильности частоты. Для предотвращения этого добротность колебательного контура берут не менее 30-70.

Перестройку частоты автоколебаний осуществляют изменением емкости конденсатора, включенного в колебательный контур. При этом добротность контура изменяется, что может вызвать изменение режима работы автогенератора. Изменение емкости обычно производят механическим путем. Иногда вместо конденсатора, определяющего частоту колебаний, включают варикап и, меняя приложенное к нему дополнительное постоянное напряжение, изменяют резонансную частоту контура. В этом случае перестройка частоты осуществляется электрическим путем за счет изменения барьерной емкости варикапа. Относительная нестабильность частоты у автогенераторов .

В ряде видов генераторов синусоидальных колебаний используют для задания частоты

LC- и RC- частотно избирательные элементы. Рассмотрим сначала генератор с параллельным LC– контуром. Такие генераторы называют LC- генераторами. Напомним, что параллельный колебательный контур содержит конденсатор С и катушку индуктивности L. Если заряженный конденсатор подключить к катушке, то в образовавшемся контуре возникнут затухающие колебания. Частота этих колебаний определяется формулой Томсона:

.

Колебания продолжались бы вечно, если бы в контуре не было потерь энергии, например, на активном сопротивлении провода катушки индуктивности. Чем меньше потери энергии, тем выше добротность контура. Добротность может быть определена как число колебаний до момента уменьшения их амплитуды, примерно, в 10 раз. Потери в контурном конденсаторе обычно малы по сравнению с потерями в катушке, поэтому добротность контура практически равна добротности катушки. Добротность же катушки определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к её активному сопротивлению.

Основная идея построения генераторов с LC–контуром состоит в следующем: убыль энергии в контуре в процессе колебаний должна восполняться усилительным элементом, возбуждаемым, т.е. запитываемым от того же контура. При этом должны выполняться два условия: баланс амплитуд и баланс фаз. А именно:

где – коэффициент усиления усилителя, – коэффициент передачи звена обратной связи и

,

где - фазовый сдвиг сигнала, создаваемый усилителем, - фазовый сдвиг сигнала, создаваемый звеном ОС.

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы оба эти соотношения выполнялись бы только для одной частоты.

Физический смысл неравенства , заключается в следующем. Сигнал, усиленный усилителем в раз и ослабленный звеном ОС в раз в соответствии с соотношением , возникает вновь на входе усилителя в той же фазе, но с большей амплитудой. Происходит прогрессирующее нарастание амплитуды сигналов нужной частоты на входе и выходе генератора. Равенство соответствует переходу генератора в установившийся режим. При этом по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшение коэффициента усиления из-за проявления нелинейности характеристик транзисторов.

Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания от усилительного каскада подводились бы к контуру синфазно (т.е. в той же фазе) с его собственными. Следовательно, общий фазовый сдвиг по петле обратной связи и усилителя должен быть нулевым (то есть равным ).

Исторически первый LC-генератор был изобретен Мейснером в 1913 году (немецкое общество беспроволочного телефона) и затем усовершенствован Роундом (английская фирма Маркони). В нём использовалась индуктивная обратная связь. В настоящее время существует множество способов включения LC-контуров в усилительные каскады и организации цепей обратной связи. Первые LC-генераторы имели резонансный контур в цепи обратной связи, а в выходную цепь усилителя включалась катушка индуктивности. Эта катушка, с одной стороны, играла роль нагрузки усилителя, а с другой - передавала часть энергии в цепь обратной связи. На рис. 8 приведена схема простейшего автогенератора.

Катушка резонансного контура L Б индуктивно связана с катушкой L K , включённой в коллекторную цепь транзистора. При подаче напряжения питания в колебательном контуре появятся слабые колебания с частотой , которые при отсутствии положительной обратной связи должны прекратиться из-за активных потерь энергии в LC-контуре, определяемых величиной активного сопротивления индуктивной катушки. Появившийся в контуре переменный ток усиливается транзистором. Эти колебания через катушку L K , индуктивно связанную с L Б, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно нарастает до определенной величины, так как транзистор представляет собой ограничивающее устройство, не позволяющее коллекторному току возрастать бесконечно.

Колебательный контур LC можно включить в коллекторную цепь. В этом случае передача энергии в базовую цепь транзистора осуществляется индуктивно связанной катушкой L Б, и наличие конденсатора С Б не обязательно. Схема приобретает вид, как на рис. 9.

В случае двух последних схем выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. В схемах усилителей с общим эмиттером (а именно такое включение транзисторов мы сейчас и рассматриваем) выходной сигнал находится в противофазе с сигналом, подаваемым в базовую цепь. Для соблюдения условия баланса фаз () звено положительной обратной связи на резонансной частоте должно осуществлять поворот фазы сигнала на 180 0 , передаваемого на вход усилителя. Необходимая фазировка напряжения обратной связи достигается соответствующим подключением выводов обмоток катушек (в противофазе). Цифрами на схеме рис. 9 помечены начала обмоток.

Сигнал обратной связи в рассмотренных схемах снимается с выхода усилителя (коллекторная цепь транзистора) при помощи индуктивно связанных катушек. Такая связь называется трансформаторной . Сигнал обратной связи может быть снят и непосредственно с колебательного контура. Это можно осуществить секционированием индуктивной или емкостной ветви колебательного контура. В схемах таких генераторов колебательный контур имеет три точки соединения с усилителем. Такие генераторы называют трёхточечными . Соответственно говорят о схеме индуктивной трёхточки (автотрансформаторная связь) или о схеме емкостной трёхточки (рис. 10 и рис. 11).

Баланс амплитуд в индуктивной и емкостной трёхточках соблюдается при определенных значениях коэффициентах обратной связи . Это достигается регулировкой величин индуктивностей и , а в схеме емкостной трёхточки - конденсаторами С1 и С2. При больших значениях коэффициента обратной связи в генераторах наблюдаются иногда искажения гармонических колебаний. Это происходит из-за того, что условия самовозбуждения соблюдаются для ряда гармонических составляющих, близких по частоте к основной гармонике с частотой . Обычно подобное явление наблюдается также и в генераторах, где добротность контуров мала. Одним из способов борьбы с этими искажениями может быть использование в эмиттерной цепи транзистора переменного сопротивления R Э.

Изменяя величину этого сопротивления. Можно регулировать отрицательную обратную связь и, соответственно, коэффициент усиления транзисторного усилителя.

Для завершения расчетов параметров LC-генератора остается определить параметры контура, то есть значения , , .

На резонансной частоте колебательный контур в коллекторной цепи имеет наибольшее сопротивление, и оно носит чисто активный характер.

где - суммарное сопротивление потерь в элементах LC- колебательного контура, а - характеристическое сопротивление контура. Кроме того, сопротивления и определяют добротность контура .

Принимая во внимание эти рассуждения, мы можем считать, что при резонансе , и записать систему двух уравнений:

.

Решив эту систему, мы определим значения и . Величину добротности в наших расчётах можно принять равной (3¸10÷30).

Для закрепления сказанного процедуру нахождения параметров колебательного контура изложим несколько по иному: сопротивление R К должно учитывать уход части мощности контура в цепь положительной обратной связи через трансформатор «L K ÷L Б » , питание сопротивления нагрузки R Н, а также и потери мощности в колебательном контуре на его активном сопротивлении . Для упрощения анализа перечисленные потери эквивалентируем резистором R К. В этом случае можно записать, что .