Условия генерации колебаний

Любой автогенератор гармонических колебаний состоит из источника питания, пассивной колебательной цепи, в которой возбуждаются и поддерживаются колебания, и активного элемента, управляющего процессом преобразования энергии источника питания в энергию генерируемых колебаний.

В качестве активного элемента могут использоваться электронные лампы, транзисторы, операционные усилители, туннельные диоды и другие приборы; в качестве колебательных цепей как цепи, обладающие колебательными свойствами (колебательный контур), так и цепи, не имеющие этих свойств (например, RC-цепи, колебательный контур с добротностью меньше 1). Существенно, что эти цепи должны описываться дифференциальным уравнением второго порядка или выше.

Указанная структура автогенератора является условной, удобной для выяснения общих принципов генерации. Часто бывает трудно разделить цепь, в которой возбуждаются колебания, и активный элемент.

Условия, необходимые для возникновения колебаний в генераторе поясним на следующем примере.

Как известно, при введении в колебательный контур порции энергии в нем возникают затухающие колебания синусоидальной формы с частотой, равной резонансной частоте контура. Затухание колебаний обусловлено наличием в реальном колебательном контуре активных потерь. Чтобы эти колебания не затухали, необходимо компенсировать эти потери. Это эквивалентно тому, что к сопротивлению потерь реального контура (R) добавляется отрицательное сопротивление (-R), то есть вносятся "отрицательные потери". Эффект внесения в контур отрицательного сопротивления возникает благодаря усилительным свойствам активных электронных элементов за счет положительной обратной связи.

Если величина отрицательного сопротивления больше сопротивления потерь, то амплитуда колебаний в контуре будет неограниченно возрастать со временем. Установление постоянной амплитуды колебаний возможно только в случае, когда величина отрицательного сопротивления равна сопротивлению потерь. Последнее условие выполнить достаточно сложно, поэтому в состав генератора должен входить элемент, устанавливающий колебания на заданном уровне. В роли такого элемента часто выступает активный элемент.

Для возбуждения колебаний необходимо иметь "начальный" сигнал, в качестве которого могут выступать либо скачки напряжения (тока) в момент включения источника питания, либо флуктуационные напряжения (токи), обусловленные тепловыми или другими процессами в электронных цепях.