ГЕНЕРАТОР СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
SINUSOIDAL OSCILLATOR

Изобретение относится к устройствам для генерирования электрических колебаний, в частности, при помощи активных элементов, обладающих отрицательным выходным дифференциальным сопротивлением, и может быть использовано в качестве задающего генератора в различной радиоэлектронной аппаратуре.
Известны генераторы синусоидальных колебаний, содержащие активный элемент, обладающий отрицательным выходным дифференциальным сопротивлением, и колебательный контур, в котором при выполнении условия по самовозбуждению генератора устанавливаются синусоидальные колебания (см., например, Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 2-е переработанное и дополненное. М.: Советское радио, 1971, с.388-392). В качестве активного элемента в таких генераторах наиболее часто используют туннельные диоды (см., например, Лукес Ю.X. Схемы на полупроводниковых диодах. Пер. с нем. М.: Энергия, 1972, с.232-236, рис.8-1) или их аналоги, в частности, лямбда-диод (см., например, Гота Кано, Хитоо Иваза, Хиромицу Такаги, Ивао Терамото. Лямбда-диод - многофункциональный прибор с отрицательным сопротивлением. - Электроника, 1975, №13, с.48-53, рис.5а).
Недостатками этих аналогов являются малый рабочий интервал напряжения питания, в котором происходит генерация колебаний, не превышающий, как правило, нескольких вольт, а также низкая стабильность амплитуды колебаний при изменении величины напряжения питания.
Также известен генератор синусоидальных колебаний (а.с. СССР №1695486 от 23.01.1989 г., опубл. в БИ №44, 1991, МПК Н03В 7/02), содержащий активную часть, к выходу которой подключен колебательный контур, между выходом активной части и ее управляющим входом включены последовательно соединенные амплитудный детектор и усилитель постоянного тока на транзисторе, активная часть выполнена на полевом и биполярном транзисторах, резисторе и диоде, при этом затвор полевого транзистора соединен с коллектором биполярного транзистора и шиной питания, сток полевого транзистора соединен с базой биполярного транзистора, резистор включен между затвором и истоком полевого транзистора, а диод включен между истоком полевого транзистора и эмиттером биполярного транзистора, при этом управляющим входом активной части является исток полевого транзистора.
С определенного уровня напряжения питания выходное дифференциальное сопротивление активной части генератора становится отрицательным и, при выполнении условия по самовозбуждению, в нем устанавливаются синусоидальные колебания, которые за счет наличия цепи отрицательной обратной связи между выходом генератора и управляющим входом активной части стабилизируются по амплитуде.
К недостаткам этого аналога относятся малый рабочий интервал напряжения питания, не превышающий нескольких вольт, а также сравнительно низкая стабильность амплитуды колебаний при изменении напряжения питания, вследствие чего максимальное отклонение амплитуды колебаний этого генератора от номинального значения может достигать нескольких процентов.
В качестве прототипа выбран генератор синусоидальных колебаний (патент РФ №2012124 от 05.03.1991 г., опубл. в БИ №8, 1994 г., МПК Н03В 7/02), содержащий активную часть, которая выполнена на полевом транзисторе, первом биполярном транзисторе и первом резисторе, который включен между истоком и затвором полевого транзистора, усилитель постоянного тока, который выполнен на втором биполярном транзисторе, база которого через цепь, состоящую из параллельно соединенных второго резистора и первого конденсатора подключена к общей шине, при этом эмиттер первого биполярного транзистора подключен к общей шине через катушку индуктивности, коллектор второго биполярного транзистора соединен с истоком полевого транзистора, затвор полевого транзистора соединен с коллектором первого биполярного транзистора и подключен к шине питания, сток полевого транзистора соединен с базой первого биполярного транзистора, эмиттер которого является выходом генератора синусоидальных колебаний, третий резистор, который включен между базой второго биполярного транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, второй конденсатор, который включен между затвором и истоком полевого транзистора.
Прототип обладает высоким коэффициентом полезного действия за счет снижения величины порогового напряжения питания, при котором выходное дифференциальное сопротивление активной части становится отрицательным и выполняется условие по самовозбуждению генератора.
К недостаткам прототипа относятся малый рабочий интервал напряжения питания, не превышающий нескольких вольт, а также низкая стабильность амплитуды генерируемых колебаний при изменении величины напряжения питания, вследствие чего максимальное отклонение амплитуды колебаний этого генератора от номинального значения может достигать нескольких десятков процентов.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются расширение рабочего интервала напряжения питания и повышение стабильности амплитуды генерируемых колебаний при изменении величины напряжения питания.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в генераторе синусоидальных колебаний, содержащем активную часть, которая выполнена на полевом транзисторе, первом биполярном транзисторе и первом резисторе, который включен между истоком и затвором полевого транзистора, второй биполярный транзистор, база которого через цепь, состоящую из параллельно соединенных второго резистора и первого конденсатора подключена к общей шине, при этом эмиттер первого биполярного транзистора подключен к первому выводу катушки индуктивности, коллектор второго биполярного транзистора соединен с истоком полевого транзистора, затвор полевого транзистора соединен с коллектором первого биполярного транзистора и подключен к шине питания, сток полевого транзистора соединен с базой первого биполярного транзистора, эмиттер которого соединен с выходной шиной, третий резистор, который включен между базой второго биполярного транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, второй конденсатор, который включен между затвором и истоком полевого транзистора, предусмотрены следующие отличия: введены третий и четвертый биполярные транзисторы, четвертый, пятый и шестой резисторы, третий конденсатор, при этом база третьего биполярного транзистора соединена с выходной шиной, коллектор этого транзистора подключен к шине питания, а эмиттер через четвертый резистор соединен с общей шиной, база четвертого биполярного транзистора через третий конденсатор соединена с общей шиной и через пятый резистор подключена к эмиттеру третьего биполярного транзистора, эмиттер и коллектор четвертого биполярного транзистора соединены соответственно с эмиттером и коллектором второго биполярного транзистора, а шестой резистор включен между общей шиной и вторым выводом катушки индуктивности.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом расширяется рабочий интервал напряжения питания и повышается стабильность амплитуды генерируемых колебаний при изменении величины напряжения питания.
вых
вых max
пит
На фиг.1 представлена электрическая принципиальная схема генератора синусоидальных колебаний; на фиг.2 изображен график, показывающий изменение отношения выходного синусоидального напряжения U к его максимальному значению U в зависимости от величины напряжения питания U генератора.
Генератор синусоидальных колебаний содержит (см. фиг.1): активную часть 1, которая включает в себя полевой транзистор 2, первый биполярный транзистор 3 и первый резистор 4; второй биполярный транзистор 5; второй резистор 6; первый конденсатор 7; общую шину 8; катушку индуктивности 9; шину питания 10; выходную шину 11; третий резистор 12; второй конденсатор 13; третий 14 и четвертый 15 биполярные транзисторы; четвертый 16, пятый 17 и шестой 18 резисторы; третий конденсатор 19.
Между затвором и истоком полевого транзистора 2 активной части 1 включен первый резистор 4 и второй конденсатор 13. Затвор полевого транзистора 2 соединен с коллектором первого биполярного транзистора 3 и подключен к шине питания 10. Сток полевого транзистора 2 соединен с базой первого биполярного транзистора 3, эмиттер которого подключен к выходной шине 11 и к первому выводу катушки индуктивности 9. База второго биполярного транзистора 5 через цепь, состоящую из параллельно соединенных второго резистора 6 и первого конденсатора 7 подключена к общей шине 8 и через третий резистор 12 соединена с эмиттером первого биполярного транзистора 3. Коллектор второго биполярного транзистора 5 соединен с истоком полевого транзистора 2, а эмиттер - с общей шиной 8. Эмиттер третьего биполярного транзистора 14 через четвертый резистор 16 соединен с общей шиной 8. База четвертого биполярного транзистора 15 через третий конденсатор 19 соединена с общей шиной 8 и через пятый резистор 17 подключена к эмиттеру третьего биполярного транзистора 14. Эмиттер и коллектор четвертого биполярного транзистора 15 соединены соответственно с эмиттером и коллектором второго биполярного транзистора 5. Шестой резистор 18 включен между общей шиной 8 и вторым выводом катушки индуктивности 9.
На шину питания 10 относительно общей шины 8 в случае применения биполярных транзисторов 3, 5, 14, 15 n-p-n типа и полевого транзистора 2 с каналом p-типа подается напряжение положительной полярности. Управляющим входом активной части 1 является исток полевого транзистора 2.
Генератор синусоидальных колебаний работает следующим образом.
Как только будет подано напряжение питания, от шины питания 10 через первый резистор 4, участок исток-сток полевого транзистора 2 начнет протекать ток базы первого биполярного транзистора 3, поддерживающий его в открытом состоянии. Вследствие этого от шины питания 10 через первый биполярный транзистор 3, третий 12 и второй 6 резисторы, а также катушку индуктивности 9 и шестой резистор 18 к общей шине 8 потечет электрический ток.
Повышение напряжения питания сопровождается ростом тока, протекающего через первый биполярный транзистор 3, и ростом падения напряжения на втором 6 и шестом 18 резисторах. При низком напряжении питания падение напряжения на втором 6 и шестом 18 резисторах не достигает величины, достаточной для открывания второго 5 и третьего 14 биполярных транзисторов.
При дальнейшем повышении напряжения питания падение напряжения на втором 6 резисторе становится достаточным для открывания второго биполярного транзистора 5. Через открытый второй биполярный транзистор 5 от шины питания 10 через первый резистор 4 к общей шине 8 начинает протекать ток, увеличивающий на первом резисторе 4 падение напряжения, приложенное между затвором и истоком полевого транзистора 2. Вследствие этого ток стока полевого транзистора 2 и ток базы первого биполярного транзистора 3 уменьшаются, в результате чего выходное дифференциальное сопротивление активной части 1 становится отрицательным, а в колебательном контуре, образованном катушкой индуктивности 9 и вторым конденсатором 13, создаются условия для нарастания амплитуды свободных колебаний, возникших в нем после подачи напряжения на шину питания 10.
При превышении амплитудой этих колебаний порога открывания третьего биполярного транзистора 14 на его эмиттере появляются импульсы напряжения, которые с эмиттера третьего биполярного транзистора 14 поступают на вход интегратора, состоящего из пятого резистора 17 и третьего конденсатора 19. Выходное постоянное напряжение интегратора, пропорциональное амплитуде этих импульсов, подается на базу четвертого биполярного транзистора 15, представляющего собой усилитель постоянного тока. В результате воздействия выходного напряжения интегратора четвертый биполярный транзистор 15 открывается, ток через первый резистор 4 и падение напряжения на нем увеличиваются, а ток стока полевого транзистора 2 и ток базы первого биполярного транзистора 3 уменьшаются, вследствие чего абсолютная величина отрицательного выходного дифференциального сопротивления активной части 1 также уменьшается. В результате потери в колебательном контуре, образованном катушкой индуктивности 9 и вторым конденсатором 13, уменьшаются, а амплитуда колебаний генератора возрастает.
По мере возрастания амплитуды колебаний увеличивается и уровень постоянного напряжения на базе четвертого биполярного транзистора 15. В результате этого ток коллектора четвертого биполярного транзистора 15 и падение напряжения на первом резисторе 4 увеличиваются, а ток стока полевого транзистора 2, ток базы первого биполярного транзистора 3 и его проводимость уменьшаются, в результате чего уменьшается и амплитуда колебаний генератора.
Когда абсолютная величина отрицательного выходного дифференциального сопротивления активной части 1 станет равной резонансному сопротивлению колебательного контура, образованного катушкой индуктивности 9 и вторым конденсатором 13, в генераторе установятся синусоидальные колебания стационарной амплитуды.
Интервал напряжения питания, в котором амплитуда синусоидальных колебаний стабилизируется, является рабочим интервалом напряжения питания генератора.
Таким образом, при низком напряжении питания генератора действует положительная обратная связь по цепи от выходной шины 11 к управляющему входу активной части 1, ускоряющая процесс нарастания амплитуды колебаний, вследствие чего расширяется рабочий интервал напряжения питания генератора в сторону его понижения. При повышении напряжения питания действует отрицательная обратная связь по цепи от выходной шины 11 к управляющему входу активной части 1, стабилизирующая амплитуду колебаний генератора.
пит
вых
вых max
вых max
Генератор синусоидальных колебаний исследован экспериментально. У исследованного образца генератора рабочий интервал напряжения питания U составлял величину от 5 до 25 вольт, в пределах этого интервала амплитуда выходного синусоидального напряжения U отклонялась от своего максимального значения U не более чем на 1%, что иллюстрируется графиком, приведенным на фиг.2. Максимальное значения выходного синусоидального напряжения U равнялось 0,5 вольт, частота генерации была 100 килогерц, а ток потребления не превышал 4,5 миллиампера, напряжение питания, соответствующее началу генерации, не превышало 2,7 вольт.
Широкий рабочий интервал напряжения питания, высокая стабильность амплитуды генерируемых колебаний при изменении величины напряжения питания, малая потребляемая мощность позволяют использовать этот генератор синусоидальных колебаний в составе различной радиоэлектронной аппаратуры, в частности, работающей от автономного источника питания, например, аккумулятора. Положительный эффект от использования генератора синусоидальных колебаний в такой аппаратуре заключается в упрощении ее конструкции за счет снижения требований к стабильности напряжения питания, увеличении продолжительности функционирования без замены автономного источника питания и снижении стоимости эксплуатации.