Введение
Линейные электронные генераторные схемы, создающие синусоидальный выходной сигнал, состоят из усилителя и частотно-селективного элемента – фильтра. Линейная генераторная схема, использующая RC-цепь, комбинацию резисторов и конденсаторов, в качестве своей частотно-селективной части, называется RC-генератором.
Двойной Т-осциллятор
Другой распространенной конструкцией является осциллятор "Twin T", поскольку он использует две "T"-образные RC-цепи, работающие параллельно. Одна цепь представляет собой RC-R "T", которая действует как фильтр нижних частот. Вторая цепь – это C-R-C "T", которая работает как фильтр верхних частот. Вместе эти цепи образуют мост, настроенный на желаемую частоту колебаний. Сигнал в ветви C-R-C фильтра "Twin T" фазируется в опережение, а в ветви R-C-R – запаздывает, поэтому они могут взаимно гаситься по частоте, если ; если он подключен в качестве отрицательной обратной связи к усилителю, и x > 2, усилитель становится генератором. (Примечание: .)
Квадратный осциллятор
Квадратурный осциллятор использует два последовательно соединенных интегратора на операционных усилителях в контуре обратной связи, один с подачей сигнала на инвертирующий вход, либо два интегратора и инвертор. Преимущество этой схемы заключается в том, что синусоидальные выходные сигналы двух операционных усилителей сдвинуты по фазе на 90° (находятся в квадратуре). Это полезно в некоторых схемах связи. Возможно стабилизировать квадратурный осциллятор, возводя в квадрат синусоидальные и косинусоидальные выходные сигналы, суммируя их (на основе пифагорейского тригонометрического тождества), вычитая константу и подавая разность на умножитель, который регулирует коэффициент усиления контура вокруг инвертора. Такие схемы обладают почти мгновенной амплитудной характеристикой на постоянный вход и крайне низким уровнем искажений.
Осцилляторы с низким извращением
Указанный выше критерий Баркхаузена не определяет амплитуду колебаний. Осцилляторная схема, состоящая только из линейных компонентов, нестабильна по отношению к амплитуде. Пока коэффициент усиления в контуре равен единице, амплитуда синусоидальной волны будет постоянной, но малейшее увеличение усиления из-за дрейфа параметров компонентов приведет к экспоненциальному росту амплитуды без ограничений. Аналогично, малейшее уменьшение приведет к экспоненциальному затуханию синусоидальной волны до нуля. Поэтому все практические осцилляторы должны иметь нелинейный элемент в контуре обратной связи, чтобы уменьшать усиление при увеличении амплитуды, обеспечивая стабильную работу при амплитуде, соответствующей единичному коэффициенту усиления в контуре. В большинстве обычных осцилляторов нелинейностью является насыщение (ограничение) усилителя при приближении амплитуды синусоидальной волны к уровням питания. Осциллятор проектируется с таким малым сигнальным коэффициентом усиления в контуре, который больше единицы. Более высокое усиление позволяет осциллятору запускаться, экспоненциально усиливая всегда присутствующий шум. По мере приближения пиков синусоиды к уровням питания, насыщение усилителя сглаживает (ограничивает) пики, уменьшая усиление. Например, осциллятор может иметь коэффициент усиления в контуре равный 3 для малых сигналов, но это усиление мгновенно падает до нуля при достижении выходным сигналом одного из уровней питания. В результате амплитуда осциллятора стабилизируется, когда среднее усиление за цикл равно единице. Если среднее усиление в контуре больше единицы, то выходная амплитуда увеличивается до тех пор, пока нелинейность не уменьшит среднее усиление до единицы; если среднее усиление в контуре меньше единицы, то выходная амплитуда уменьшается до тех пор, пока среднее усиление не станет равным единице. Нелинейность, уменьшающая усиление, может быть и менее выраженной, чем достижение уровня питания. Результатом такого усреднения усиления является некоторое гармоническое искажение выходного сигнала. Если малосигнальное усиление лишь немного больше единицы, то требуется небольшое сжатие усиления, и, следовательно, искажения будут незначительными. Если малосигнальное усиление значительно больше единицы, то искажения будут существенными. Однако осциллятор должен иметь усиление значительно выше единицы для надежного запуска. Поэтому в осцилляторах, которым требуется генерировать синусоидальный сигнал с очень низким уровнем искажений, используется система, поддерживающая усиление примерно постоянным в течение всего цикла. Распространенная конструкция использует лампу накаливания или термистор в контуре обратной связи. Эти осцилляторы используют зависимость сопротивления вольфрамовой нити лампы от температуры (термистор работает аналогичным образом): сопротивление нити увеличивается пропорционально ее температуре. Лампа одновременно измеряет выходную амплитуду и управляет усилением осциллятора. Уровень сигнала осциллятора нагревает нить. Если уровень слишком высок, температура нити постепенно возрастает, сопротивление увеличивается, а усиление в контуре падает (что приводит к уменьшению выходного уровня осциллятора). Если уровень слишком низок, лампа остывает и увеличивает усиление. Осциллятор HP200A 1939 года использует эту технику. Современные варианты могут использовать отдельные детекторы уровня и усилители с регулируемым усилением.
Виенский мостовой осциллятор
Одним из наиболее распространенных схем с гарантированным усилением является генератор на Wien-мосту. В этой схеме используются две RC-цепи, одна с последовательно соединенными RC-элементами, а другая – с параллельно соединенными RC-элементами. Wien-мост часто применяется в генераторах аудиосигналов, поскольку его можно легко настроить с помощью двухсекционного переменного конденсатора или двухсекционного переменного потенциометра (который проще достать, чем переменный конденсатор, подходящий для генерации на низких частотах). Классический аудиогенератор HP200A является генератором на Wien-мосту.