, але замість звичайної локальної крутості прохідної характеристики S вводиться поняття середньої крутості:
Як правило, автогенератори, що забезпечують високу стабільність частоти, є малопотужними. Для отримання достатньо потужних сигналів у радіоелектроніці часто застосовуються так звані генератори із зовнішнім збудженням - потужні автогенератори, що керуються слабким вхідним сигналом. Для аналізу роботи таких пристроїв розглянемо поведінку автогенератора під дією зовнішньої сили.
Вважатимемо, що в контур автогенератора увімкнене джерело змінної напруги (рис.1.12.1а). Обрана схема автогенератора відрізняється від зображеної на рис.1.11.1а тим, що коливний контур розташований не в колі стоку, а в колі затвору. За відсутності зовнішньої напруги робота цієї схеми описуватиметься рівнянням Ван дер Поля (1.11.8) для заряду на ємності коливного контуру.
1.12.1. Квазілінійна теорія автогенератора та ефект вимушеної синхронізації.Для того, щоб зрозуміти суть явищ, що відбуваються в автогенераторі під дією зовнішньої періодичної сили, розглянемо їх спершу якісно, користуючись поняттями квазілінійної теорії автогенераторів.
Нагадаємо, що в рамках цієї теорії зв’язок між затворною напругою та стоковим струмом польового транзистора вважається лінійним, , але замість звичайної локальної крутості прохідної характеристики S вводиться поняття середньої крутості:
(1.12.1) 
,
де
- амплітуда затворної напруги, яка вважається гармонічною, 
- амплітуда першої гармоніки струму стоку, який в силу нелінійності прохідної характеристики буде негармонічним, але залишиться періодичним з періодом затворної напруги (рис.1.12.1б). Залежність середньої крутості від амплітуди прикладеної напруги якісно зображена на рис.1.12.1в.
Для схеми, зображеної на рис.1.12.1а, коефіцієнт підсилення буде рівний
(1.12.2) 
,
коефіцієнт зворотного зв’язку -
(1.12.3) 
,
тому амплітудна умова генерації (за відсутності зовнішньої сили) матиме вигляд
(1.12.4) 
,
де
|
|
|
|
Рис.1.12.1: а - схема автогенератора із джерелом змінної напруги в контурі; б - зв’язок вхідної напруги та вихідного струму; в -залежність середньої крутості прохідної характеристики від амплітуди сигналу. |
|
(1.12.5) 
- критичне значення крутості (пор. (1.12.4) з умовою (1.11.10)). Доки нерівність (1.12.4) виконуватиметься, сигнал зростатиме (при проходженні кільця підсилювач - коло зворотного зв’язку його амплітуда змінюється в
разів). Але із зростанням амплітуди середня крутість спадає (рис.1.12.1в), тому при деякому значенні амплітуди 
, для якого
(1.12.6) 
,
зростання коливань припиниться.
За наявності джерела зовнішньої змінної напруги в контурі відбуватимуться коливання одночасно на двох частотах - на власній частоті контуру та на частоті зовнішньої напруги. Якщо коливання під дією зовнішньої напруги будуть достатньо великими, то відповідне значення середньої крутості може виявитися меншим за критичне значення (1.12.5), і автоколивання зірвуться. Цей ефект носить назву вимушеної синхронізації автогенератора, або нав’язування частоти.
1.12.2. Неоднорідне рівняння Ван дер Поля: розв’язок за методом повільно змінюваних амплітуд.Коливання в контурі автогенератора, зображеного на рис.1.12.1а, описуються неоднорідним рівнянням Ван дер Поля:
(1.12.7) 
.
Для того, щоб побудувати аналітичний розв’язок рівняння (1.12.7), приймемо такі припущення:
(малі коливання є майже гармонічними);
(параметр нелінійності формально вважаємо малим);
, де 
(частота зовнішньої сили близька до частоти автоколивань).Тоді розв’язок (1.12.7) можна шукати за методом повільно змінюваних амплітуд:
(1.12.8) 
+к.с., 
.
Підкреслимо, що ми шукаємо розв’язок у формі коливань на частоті зовнішньої сили, тобто чисто вимушених коливань. Очевидно, автоколиванням відповідатимуть повільні коливання амплітуди з частотою
.
Після стандартної процедури можна отримати таке вкорочене рівняння для амплітуди:
(1.12.9) 
.
У стаціонарному випадку (коли вимушені коливання встановилися, і їхня амплітуда залишається незмінною) замість (1.12.9) можна записати:
(1.12.10) 
.
Взявши квадрат модуля обох частин (1.12.10) і ввівши нормовані інтенсивність коливань I, розстроювання
і амплітуду зовнішньої сили Fm із співвідношень
(1.12.11) 
, 
, 
,
остаточно отримаємо:
(1.12.12) 
.
Це співвідношення пов’язує між собою інтенсивність вимушених коливань у контурі, амплітуду зовнішньої сили та розстроювання (по суті, частоту зовнішньої сили), тобто воно описує сім’ю резонансних кривих для вимушених коливань автогенератора
. 1.12.3. Резонансні криві для вимушених коливань автогенератора.Розв’язок (1.12.12) зручно записати у формі залежності розстроювання від інтенсивності коливань:
(1.12.13) 
.
Тоді залежність
для різних значень параметра 
можна побудувати за тим самим методом, що й фазовий портрет нелінійного консервативного осцилятора. Сім’ю резонансних кривих наведено на рис.1.12.2а.
Криві на рис.1.12.2а можна розбити на три групи. При 
(випадок малих амплітуд зовнішньої сили, якому відповідає крива 1 на рис.1.12.2а) резонансні криві розбиваються на дві частини, одна з яких лежить всередині петлі сепаратриси (крива 2). Таким чином, на кривих є ділянка неоднозначності. При 
(випадок проміжних амплітуд зовнішньої сили, якому відповідає крива 3 на рис.1.12.2а) криві стають цілісними, але ділянки неоднозначності зберігаються. Нарешті, при 
(випадок великих амплітуд зовнішньої сили, якому відповідає крива 5 на рис.1.12.2а) резонансні криві стають однозначними.
При 
резонансні криві мають точки, в яких 
. Можна показати, що ці точки завжди лежать на еліпсі
(1.12.14) 
,
показаному на рис.1.12.2а штриховою лінією.
1.12.4. Стійкість резонансних кривих.На основі самого лише рівняння (1.12.12) нічого не можна сказати про те, чи є стан автогенератора, що відповідає резонансним кривим (1.12.13), стійким. Для дослідження цього питання повернемося до вкороченого рівняння (1.12.9) і перейдемо від комплексної амплітуди А до чисто дійсних величин a, b за допомогою співвідношення
(1.12.15) 
.
Підставляючи (1.12.15) до (1.12.9) і прирівнюючи до нуля окремо дійсну та уявну частини, дістанемо:
(1.12.16) 
;
,
або
(1.12.17) 
;
.
|
|
|
|
Рис.1.12.2: а - сім’я резонансних кривих автогенератора (Fm2=3/27 (1), Fm2=4/27 (2), Fm2=6/27 (3), Fm2=8/27 (4), Fm2=9/27 (5)); б - області стійкості та нестійкості (заштрихована) резонансних кривих; в - розбиття площини ( |
|
Для того, щоб дослідити стійкість положення рівноваги, досить розглянути поведінку малих відхилень від цього положення. Тому шукатимемо розв’язок системи (1.12.17) у вигляді
(1.12.18) 
, 
, 
, 
,
вважаючи, що постійні складові
з урахуванням (1.12.15), (1.12.11) задовольняють рівняння (1.12.12), тобто відповідають стаціонарній амплітуді вимушених коливань у контурі автогенератора. Лінеаризуючи рівняння (1.12.17) за малими змінними складовими амплітуд, розкладемо їхні праві частини навколо точки 
у ряд Тейлора і обмежимося лінійними складовими. З урахуванням (1.12.12) дістанемо:
(1.12.19) 
;
.
Система (1.12.19) зводиться до рівняння вигляду (1.1.9), якщо зробити заміни
(1.12.20) 
, 
.
Як було показано у п.1.11, умови стійкості стаціонарної точки рівняння (1.1.9) мають вигляд (1.11.27). Підставляючи явний вигляд функцій F та Y (1.12.17), можна отримати відповідно:
(1.12.21) 
;
(пор. з рівнянням (1.12.14)). Область стійкості резонансних кривих (1.12.13), що відповідає одночасному задоволенню умов (1.12.21), показана на рис.1.12.2б.
Очевидно, там, де резонансні криві є стійкими, і матиме місце ефект вимушеної синхронізації - в контурі будуть присутніми лише коливання на частоті зовнішньої сили. Там, де ці криві нестійкі, очевидно, матимуть місце биття між коливаннями на частоті зовнішньої сили та автоколиваннями.
Дослідимо ще характер стійкості (або нестійкості) стаціонарного стану, що відповідає резонансним кривим, для різних значень параметрів І та x
.Порушення першої з умов (1.12.21) (при виконанні другої) означає, що стаціонарна точка буде нестійким фокусом або вузлом, порушення другої (незалежно від виконання чи порушення першої) - що стаціонарна точка буде сідлом.
Умова того, що стаціонарна точка рівняння (1.1.9) буде фокусом, має вигляд
, що з урахуванням (1.12.20) та (1.12.17) дасть:
(1.12.22) 
.
Отже, при виконанні першої з умов (1.12.21) та (1.12.22) дістанемо стійкий фокус, при виконанні (1.12.22) та порушенні першої з умов (1.12.21) - нестійкий фокус. Умова, протилежна до (1.12.22), при невиконанні другої з умов (1.12.21) визначатиме область існування стійких (при задоволенні з умов (1.12.21)) та нестійких (при її порушенні) вузлів
.Розбивка напівплощини
на області з різним характером стійкості стаціонарних точок відповідно до умов (1.12.21)-(1.12.22) показана на рис.1.12.2в.
1.12.5. Вимушена синхронізація: випадок малих зовнішніх сил.
Розрахуємо ширину смуги частот (точніше, розстроювань), в якій має місце вимушена синхронізація, для випадку малих амплітуд зовнішньої сили (
). Для цього необхідно знайти точки перетину відповідної резонансної кривої з еліпсом (1.12.14) (рис.1.12.2б).
У випадку малих зовнішніх сил можна наближено вважати, що верхня межа еліпса (1.12.14) мало відрізняється від горизонтальної прямої 
. Підставляючи це значення до рівняння резонансної кривої (1.12.13), отримаємо для шуканих точок перетину: 
. Таким чином, ширина смуги синхронізації складає в цьому випадку
(1.12.23) 
.
Іншими словами, ефект вимушеної синхронізації може мати місце для як завгодно малої амплітуди зовнішньої сили, але ширина смуги синхронізації зменшуватиметься пропорційно до вказаної амплітуди.
На перший погляд, цей результат суперечить міркуванням, висловленим вище на основі квазілінійної теорії: мала сила, здавалося б, не може розгойдати в контурі настільки великі коливання, щоб середня крутість прохідної характеристики впала нижче критичного значення.
Щоб пояснити цю суперечність, слід згадати, що в контурі автогенератора відбуваються автоколивання з фіксованою амплітудою, тобто ефективний опір цього контуру дорівнює нулеві. В цьому випадку мала сила справді може розгойдати коливання як завгодно великої амплітуди у вузькій смузі частот, близькій до резонансної, причому ширина цієї смуги зростатиме із зростанням амплітуди зовнішньої сили (рис.1.12.3).
Обговоримо тепер, як виглядає фазовий портрет (точніше, його аналог, побудований у координатах
(a, b)) коливань у аналізованому випадку для різних розстроювань. Рівняння для визначених таким чином фазових траєкторій легко отримати, розділивши перше з рівнянь (1.12.17) на друге.|
Рис.1.12.3. Резонансні криві для контуру без дисипації для різних амплітуд зовнішньої сили (  ) та відповідні смуги частот, в яких амплітуда коливань перевищує критичне значення |
|
У смузі синхронізації, як уже вказувалося, резонансна крива є тризначною (рис.1.12.2а), причому на фазовій площині максимальному (стійкому) значенню амплітуди коливань відповідає стійкий вузол, мінімальному - нестійкий вузол, проміжному - сідло (рис.1.12.2в). Відповідний фазовий портрет наведений на рис.1.12.4а (цифрами позначені: 1 - стійкий вузол, 2 - сідло, 3 - нестійкий вузол).
На межі смуги синхронізації стійкий вузол і сідло зливаються, утворюючи особливу точку типу сідло - вузол (точка 1 на рис.1.12.4а). Оскільки вихід із сідлової точки і досягнення стійкого фокусу вимагають нескінченого часу (див. п.1.7), то час руху по замкненій траєкторії, що починається і закінчується в цій точці, є нескінченно великим.
|
|
|
|
Рис.1.12.4. Фазовий портрет автогенератора під дією малої зовнішньої сили: а - в смузі вимушеної синхронізації; б - на межі смуги вимушеної синхронізації; в - в області співіснування автоколивань та коливань на частоті зовнішньої сили. |
|
|
|
|
|
Рис.1.12.5. Залежності частоти (а) та амплітуди (б) биття між автоколиваннями та коливаннями на частоті зовнішньої сили від розстроювання при виході за межі смуги синхронізації для малих амплітуд зовнішньої сили. |
|
При виході за межі смуги синхронізації резонансна крива стає однозначною. Її точкам на фазовій площині тепер відповідає нестійкий фокус (точка 1 на рис.1.12.4в). На місці замкненої траєкторії, що починалася й закінчувалася в особливій точці типу сідло - вузол, утворюється граничний цикл. Рух уздовж цього циклу відповідає автоколиванням, частота яких зсунута щодо частоти зовнішньої сили.
Як уже відзначалося, при виході за межі смуги синхронізації в контурі з’являються биття між автоколиваннями та коливаннями на частоті зовнішньої сили. Частота биттів визначається різницею між частотою автоколивань і частотою зовнішньої сили, тобто частотою обертання вздовж граничного циклу (рис.1.12.4в). Оскільки частота обертання вздовж граничного циклу в момент його виникнення рівна нулеві, частота биттів при виході за межі синхронізації зростає від нуля (рис.1.12.5а). Амплітуда биттів визначається меншою з амплітуд коливань, що додаються. Оскільки граничний цикл в момент виникнення має скінчені (ненульові) розміри, амплітуда биттів при виході за межі синхронізації зростає стрибком (рис.1.12.5б).
1.12.6. Вимушена синхронізація: випадок великих зовнішніх сил. Розрахуємо тепер ширину смуги вимушеної синхронізації для великих амплітуд зовнішньої сили (
). Для цього слід знайти точки перетину резонансної відповідної кривої (крива 5 на рис.1.12.2а) з межею стійкості 
(див. першу з умов (1.12.21)). Підставляючи це значення до (1.12.13), дістанемо:
(1.12.24) 
, 
.
Як випливає з порівняння рис.1.12.2а та рис.1.12.2в, у даному випадку вихід за межі смуги вимушеної синхронізації означає перетворення стаціонарної точки на “фазовій площині” (
) із стійкого фокусу на нестійкий, який виявляється оточеним стійким граничним циклом. Іншими словами, має місце біфуркація Андронова - Хопфа, що відповідає самозбудженню автогенератора. Цей процес детально досліджувався у п.1.11. Граничний цикл народжується з нульовим розміром, тому амплітуда биття між автоколиваннями та коливаннями на частоті зовнішньої сили зростає від нуля (рис.1.12.6а). З іншого боку, фокус (як стійкий, так і нестійкий) характеризується певною власною частотою, тому й граничному циклу в момент його народження притаманна певна частота, рівна частоті биттів, що виникають. Таким чином, частота биття в даному випадку при виході із смуги вимушеної синхронізації зростає стрибком (рис.1.12.6б).
Вимушена синхронізація можлива також при 
та 
, якщо в моделі наявна квадратична нелінійність. У першому випадку ця нелінійність породжує другу гармоніку, що є резонансною для автогенератора. В другому випадку резонансною є різницева частота між автоколиваннями та коливаннями на частоті зовнішньої сили, що також виникає на квадратичній нелінійності.
| [ Назад ] | [ Зміст ] | [ Вперед ] |
а
б
в
а
б
) на області з різними типами стійкості (1 - стійкий вузол, 2 -нестійкий фокус, 3 - стійкий фокус, 4 - нестійкий вузол, 5 - сідло).
в
а
б
в
а
б
а
б