Синусоидальные генераторы традиционно считаются достаточно капризными устройствами: для получения устойчивой амплитуды и малых искажений обычно приходится усложнять схему. Особенно это заметно в широком диапазоне питающих напряжений, где большинство простых решений либо теряют стабильность, либо требуют тщательной настройки.

Обычно простота схемы плохо сочетается с высокой стабильностью работы. Однако в данной конструкции удалось объединить оба качества благодаря необычному включению MOSFET-транзистора и оригинальному использованию частотозадающей LC-цепи.

Генератор формирует на выходе синусоидальный сигнал с максимальной частотой 650 кГц, содержит всего пять компонентов, быстро собирается и при указанных номиналах не требует настройки. Схема работает в диапазоне питающих напряжений от 5 до 60 В при токе потребления около 1…5 мА, в зависимости от напряжения питания и сопротивления резистора R1. При необходимости выходную мощность можно увеличить, добавив всего несколько дополнительных компонентов — при этом параметры генератора практически не будут зависеть от подключённой нагрузки. Ещё одной особенностью схемы является высокий КПД, сохраняющийся во всём диапазоне питающих напряжений.

Принципиальная схема генератора показана на рисунке 1. В отличие от классических схем, питающее напряжение Up подаётся не на сток MOSFET-транзистора Q1, а на его затвор, создавая тем самым постоянное смещение относительно истока. В начальный момент переход сток-исток оказывается открытым, и через индуктивность L1 начинает протекать ток. Благодаря накоплению энергии в магнитном поле индуктивность некоторое время поддерживает напряжение на переходе затвор-исток, однако постепенно оно уменьшается до уровня, при котором транзистор закрывается. После закрытия транзистора энергия, запасённая в LC-цепи, начинает возвращаться обратно, вызывая обратный процесс. Через некоторое время напряжение на затворе снова достигает порога открытия транзистора, и цикл повторяется. Таким образом в схеме возникают устойчивые колебания.

Индуктивность L1 совместно с конденсаторами C1, C2 и внутренними ёмкостями транзистора Q1, образует П-образный колебательный контур C1-L1-C2. Именно этот контур определяет синусоидальную форму выходного сигнала и обеспечивает высокую стабильность частоты генерации. Частота работы устройства рассчитывается по классическим формулам для П-контура, где эквивалентная ёмкость определяется последовательным соединением C1 и C2, с учётом паразитных ёмкостей MOSFET-транзистора.

Осциллограммы работы генератора представлены на рисунках 3 и 4 при напряжении питания Up 12 вольт, и R1 равным 4 кОм. Номиналы C1 и C2 здесь равны 1.2 nF, а L1 — 550 uH. На рисунке 3 показан сигнал на выходе OUT, а на рисунке 4 дополнительно отображён сигнал на стоке транзистора Q1 (измерительная точка 1). Эта осциллограмма позволяет наглядно увидеть процесс накопления и возврата энергии в LC-контуре, а также момент переключения MOSFET-транзистора, за счёт которого поддерживается генерация колебаний.

Выходная мощность базового генератора определяется в основном сопротивлением R1, поэтому схема рассчитана преимущественно на работу с высокоомной нагрузкой. Однако добавление нескольких дополнительных компонентов позволяет реализовать на транзисторе Q2 истоковый повторитель, существенно увеличивающий нагрузочную способность устройства. Принципиальная схема генератора с усилителем мощности приведена на рисунке 2. В таком варианте выходной сигнал снимается с дросселя L2, который при необходимости может быть выполнен в виде трансформатора для согласования практически с любой нагрузкой. Благодаря высокому входному сопротивлению повторителя усилительный каскад практически не влияет на работу основного LC-генератора. Это позволяет сохранить стабильность частоты и хорошую форму синусоидального сигнала даже при заметном увеличении выходной мощности.

На рисунке 5 показана работа схемы с дополнительным усилителем мощности. Жёлтым лучом отображается напряжение на конденсаторе C2, а синим — сигнал на выходе OUT. Характер осциллограмм показывает, что подключение выходного каскада практически не влияет на форму синусоидального сигнала и режим работы основного генератора. Благодаря этому удаётся сохранить стабильность частоты и низкий уровень искажений даже при подключении нагрузки.

Особое внимание следует уделить выбору транзистора Q1. Для устойчивой генерации и получения качественной синусоиды желательно использовать MOSFET с минимальной входной ёмкостью C_GS или C_iss, особенно при работе на частотах выше 100 кГц. Одним из наиболее удачных вариантов оказался транзистор IRF840, который хорошо подходит как для основного генератора, так и для усилительного каскада на Q2 [1]. При этом к транзистору Q2 предъявляются менее жёсткие требования по входной ёмкости, поэтому в этом узле можно применять практически любые подходящие MOSFET-транзисторы. В некоторых случаях вместо Q2 допустимо использовать даже биполярный n-p-n транзистор.

Сопротивление резистора R1 выбирается в зависимости от питающего напряжения Up. Для диапазона 5…12 В обычно подходит сопротивление порядка 3…5 кОм, а при напряжении 50…60 В — около 15…20 кОм. Мощность резистора также должна соответствовать рабочему напряжению: для низковольтных вариантов достаточно 0.125 Вт, тогда как при питании 50…60 В желательно использовать резистор мощностью не менее 0.5 Вт. Остальные резисторы схемы (рис. 2) могут иметь мощность 0.125 Вт или выше.

Ёмкости желательно применять с минимальными диэлектрическими потерями, хотя здесь хорошо работают и обычные плёночные конденсаторы. Индуктивность L1 можно использовать в виде готового дросселя, однако для точной подстройки частоты предпочтительно намотать катушку самостоятельно и использовать регулируемый сердечник. Для L2 в усилительном каскаде подойдёт стандартный заводской дроссель. Методика расчёта номиналов и выбора элементов будет рассмотрена далее.

При номиналах, указанных на схеме 1, и использовании транзистора IRF840 резонансная частота генератора получается около 550 кГц. Она рассчитывается по формулам для П-образного контура с учётом входной и выходной ёмкостей MOSFET-транзистора. Если принять C1 = C2 = C, то для других номиналов резонансная частота такого контура определяется выражением: \[\tag{1} f_r = {1 \over 2 \pi \sqrt{L_1 C_e}} \] где \(L_1\) — индуктивность катушки L1, а \(C_e\) — эквивалентная ёмкость контура: \[\tag{2} C_e = {(C + C_{oss}) (C + C_{iss}) \over 2C + C_{oss} + C_{iss}} \] Здесь \(C_{iss}\) и \(C_{oss}\) — входная и выходная ёмкости транзистора Q1, которые берутся из справочных данных [1]. Все величины в приведённых формулах подставляются в системе СИ.

Ёмкости конденсаторов C1 и C2 не рекомендуется выбирать менее 500 пФ, если входная ёмкость транзистора Q1 превышает 1000 пФ. В противном случае паразитные ёмкости MOSFET начинают слишком сильно влиять на параметры П-контура, что усложняет расчёт и ухудшает повторяемость схемы. По этой причине для подобных транзисторов рекомендуемая резонансная частота не должна превышать примерно 650 кГц. Нижний предел частоты принципиально не ограничен и определяется только выбранными номиналами L1, C1 и C2, а также практическими размерами катушки и конденсаторов.

Важным параметром колебательного контура является его волновое сопротивление: \[\tag{3} Z = \sqrt{L_1 \over C_e} \] От этого значения во многом зависит амплитуда синусоидального сигнала на выходе генератора. Оптимальное значение \(Z\) находится примерно в диапазоне 500…1200 Ом: чем выше волновое сопротивление контура, тем большую амплитуду можно получить на выходе схемы.

Для усилительного каскада на транзисторе Q2 необходимо также выбрать минимальную индуктивность дросселя L2. Она определяется из условия: \[\tag{4} L_2 \gt {1500 \over 2\pi f_r} \] Если вместо частоты \(f_r\) подставить выражение (1), то это же условие можно записать через параметры основного контура: \[\tag{5} L_2 \gt 1500 \sqrt{L_1 C_e} \] На практике индуктивность L2 лучше выбирать с небольшим запасом относительно расчётного минимума, чтобы усилительный каскад меньше нагружал генератор и не ухудшал форму синусоидального сигнала.