У ряді видів генераторів синусоїдальних коливань використовують для завдання частоти
LC- і RC- частотно виборчі елементи. Розглянемо спочатку генератор з паралельним LC- контуром. Такі генератори називають LC- генераторами. Нагадаємо, що паралельний коливальний контур містить конденсатор С і котушку індуктивності L. Якщо заряджений конденсатор підключити до котушки, то в нинішньому контурі виникнуть затухаючі коливання. Частота цих коливань визначається формулою Томсона:
.
Коливання тривали б вічно, якби в контурі не було втрат енергії, наприклад, на активному опорі проводу котушки індуктивності. Чим менше втрати енергії, тим вище добротність контуру. Добротність може бути визначена як число коливань до моменту зменшення їх амплітуди, приблизно, в 10 разів. Втрати в контурному конденсаторі зазвичай малі в порівнянні з втратами в котушці, тому добротність контуру практично дорівнює добротності котушки. Добротність ж котушки визначається як відношення реактивного опору котушки до її активного опору.
Основна ідея побудови генераторів з LC-контуром полягає в наступному: спад енергії в контурі в процесі коливань повинна заповнюватися підсилювальним елементом, які порушуються, тобто Живиться від того ж контура. При цьому повинні виконуватися дві умови: баланс амплітуд і баланс фаз. А саме:
де - коефіцієнт посилення підсилювача, - коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв'язкуі
,
де - фазовий зсув сигналу, створюваний підсилювачем, - фазовий зсув сигналу, створюваний ланкою ОС.
Для отримання на виході генератора напруги синусоїдальної форми потрібно, щоб обидва ці співвідношення виконувалися б тільки для однієї частоти.
Фізичний сенс нерівності, полягає в наступному. Сигнал, посилений підсилювачем в раз і ослаблений ланкою ОС в раз відповідно до співвідношення 
, Виникає знову на вході підсилювача в тій же фазі, але з більшою амплітудою. Відбувається прогресуюче наростання амплітуди сигналів потрібної частоти на вході і виході генератора. Рівність відповідає переходу генератора в усталений режим. При цьому зі збільшенням амплітуди коливань відбувається зменшення коефіцієнта посилення через прояви нелінійності характеристик транзисторів.
Умова балансу фаз полягає в тому, щоб коливання від підсилювального каскаду підбивалися б до контуру синфазно (тобто в тій же фазі) з його власними. Отже, загальний фазовий зсув по петлі зворотного зв'язку і підсилювача повинен бути нульовим (тобто рівним).
Історично перший LC-генератор був винайдений Мейснером в 1913 році (німецьке суспільство бездротового телефону) і потім вдосконалений Роунд (англійська фірма Марконі). У ньому використовувався індуктивний зворотний зв'язок. В даний час існує безліч способів включення LC-контурів в підсилювальні каскади і організації ланцюгів зворотного зв'язку. Перші LC-генератори мали резонансний контур в колі зворотного зв'язку, а в вихідний ланцюг підсилювача включалася котушка індуктивності. Ця котушка, з одного боку, грала роль навантаження підсилювача, а з іншого - передавала частину енергії в ланцюг зворотного зв'язку. На рис. 8 наведена схема найпростішого автогенератора.
Котушка резонансного контуру L Б индуктивно пов'язана з котушкою L K, включеної в колекторний ланцюг транзистора. При подачі напруги харчування в коливальному контурі з'являться слабкі коливання з частотою 
, Які за відсутності позитивного зворотного зв'язку повинні припинитися через активні втрат енергії в LC-контурі, визначених величиною активного опору індуктивної котушки. З'явився в контурі змінний струм посилюється транзистором. Ці коливання через котушку L K, індуктивно пов'язану з L Б, знову повертаються в коливальний контур. Розмах коливань поступово наростає до певної величини, так як транзистор являє собою обмежує пристрій, що не дозволяє колекторного струму зростати нескінченно.
Коливальний контур LC можна включити в колекторних ланцюг. У цьому випадку передача енергії в базову ланцюг транзистора здійснюється індуктивнозв'язаною котушкою L Б, і наявність конденсатора С Б не обов'язково. Схема набуває вигляду, як на рис. 9.
У разі двох останніх схем вихідний сигнал знімається з колектора транзистора. У схемах підсилювачів з загальним емітером(А саме таке включення транзисторів ми зараз і розглядаємо) вихідний сигнал знаходиться в протифазі з сигналом, що подається в базову ланцюг. Для дотримання умови балансу фаз ( ) Ланка позитивного зворотного зв'язку на резонансній частоті має здійснювати поворот фази сигналу на 180 0, переданого на вхід підсилювача. Необхідна фазировка напруги зворотного зв'язку досягається відповідним підключенням висновків обмоток котушок (в протифазі). Цифрами на схемі рис. 9 позначені початку обмоток.
Сигнал зворотного зв'язку в розглянутих схемах знімається з виходу підсилювача (колекторна ланцюг транзистора) за допомогою індуктивно пов'язаних котушок. Такий зв'язок називається трансформаторної. Сигнал зворотного зв'язку може бути знятий і безпосередньо з коливального контуру. Це можна здійснити секціонуванням індуктивної або ємнісний гілки коливального контуру. У схемах таких генераторів коливальний контур має три точки з'єднання з підсилювачем. Такі генератори називають трьохточковими. Відповідно говорять про схему індуктивного трехточка (АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ зв'язок) або про схему ємнісний трехточка (рис. 10 і рис. 11).
Баланс амплітуд в індуктивної та ємнісної трехточка дотримується при певних значеннях коефіцієнтах зворотного зв'язку. Це досягається регулюванням величин індуктивностей і, а в схемі ємнісний трехточка - конденсаторами С1 і С2. При великих значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку в генераторах спостерігаються іноді спотворення гармонійних коливань. Це відбувається через те, що умови самозбудження дотримуються для ряду гармонійних складових, близьких по частоті до основній гармоніці з частотою. Зазвичай подібне явище спостерігається також і в генераторах, де добротність контурів мала. Одним із способів боротьби з цими спотвореннями може бути використання в емітерний ланцюга транзистора змінного опору R Е.
Змінюючи величину цього опору. Можна регулювати негативний зворотний зв'язок і, відповідно, коефіцієнт посилення транзисторного підсилювача.
Для завершення розрахунків параметрів LC-генератора залишається визначити параметри контуру, тобто значення,,.
На резонансній частоті 
коливальний контур в колекторної ланцюга має найбільшеопір, і воно носить чисто активний характер.
де - сумарний опір втрат в елементах LC- коливального контуру, а - характеристичний опір контуру. Крім того, опору і визначають добротність контуру.
Беручи до уваги ці міркування, ми можемо вважати, що при резонансі, і записати систему двох рівнянь:
.
Вирішивши цю систему, ми визначимо значення і. Величину добротності в наших розрахунках можна прийняти рівною (3¸10 ÷ 30).
Для закріплення сказаного процедуру знаходження параметрів коливального контуру викладемо дещо по-іншому: опір R К повинно враховувати відхід частини потужності контуру в ланцюг позитивного зворотного зв'язку через трансформатор «LK ÷ L Б», харчування опору навантаження R Н, а також і втрати потужності в коливальному контурі на його активному опорі. Для спрощення аналізу перераховані втрати еквівалентіруем резистором R К. В цьому випадку можна записати, що.
Повнотекстовий пошук:
Головна> Курсова робота> Комунікації і зв'язок
ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ
1.1 Призначення і види генераторів.
Електронним генератором сигналів називають пристрій, за допомогою якого енергія сторонніх джерел живлення перетвориться в електричні коливання необхідної форми, частоти і потужності. Електронні генератори входять складовою частиноюв багато електронні прилади та системи. Так, наприклад, генератори гармонійних або інших форм коливань використовуються в універсальних вимірювальних приладах, осцилографах, мікропроцесорних системах, в різних технологічних установках і ін. В телевізорах генератори малої й кадрової розгорток використовуються для формування світиться екрану.
Класифікація генераторів виконується за рядом ознак: формі коливань, їх частоті, вихідної потужності, призначенням, типу використовуваного активного елемента, виду частотно-виборчої ланцюга зворотного зв'язку та ін. За призначенням генератори ділять на технологічні, вимірювальні, медичні, зв'язкові. За формою коливань їх ділять на генератори гармонійних і негармонійних (імпульсних) сигналів.
За вихідний потужності генератора ділять на малопотужні (менше 1 Вт), середньої потужності (нижче 100 Вт) і потужні (понад 100 Вт). За частотою генератори можна розділити на наступні групи: інфранізкочастотние (менш 10Гц), низькочастотні (від 10Гц до 100 кГц), високочастотні (від 100 кГц до 100 МГц) і надвисокочастотні (вище 100 МГц).
За використовуваним активним елементам генератори ділять на лампові, транзисторні, на операційних підсилювачах, на тунельних діодах, або динисторах, а за типом частотно-виборчих ланцюгів зворотного зв'язку - на генератори LC-, RC- і ^ L-типу. Крім того, зворотний зв'язок в генераторах може бути зовнішньої або внутрішньої.
1.2 Генератори синусоїдальних коливань
Дана група генераторів призначена для отримання коливань синусоїдальної форми необхідної частоти. Їх робота заснована на принципі самозбудження підсилювача, охопленого позитивним зворотним зв'язком (рисунок 1). Коефіцієнт посилення і коефіцієнт передачі ланки зворотного зв'язку прийняті комплексними, тобто враховується їх залежність від частоти. При цьому вхідним сигналом для підсилювача в схемі рис.1.1 є частина його вихідної напруги, переданого ланкою зворотного зв'язку
Малюнок 1. Структурна схема генератора
Для збудження коливань в системі малюнок 1 необхідне виконання двох умов:
1.3 Режими самозбудження генератора
М'який режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики iK (uБЕ) з найбільшою крутизною, то режим самозбудження називається м'яким.
Простежимо за змінами амплітуди струму першої гармоніки в залежності від величини коефіцієнта зворотного зв'язку КОС. Зміна КОС призводить до зміни кута нахилу a прямий зворотного зв'язку (рис.2)
Малюнок 2. М'який режим самозбудження
При КОС = КОС1 стан спокою стійко і генератор не порушується, амплітуда коливань дорівнює нулю (рис. 2 б). Величина КОС = КОС2 = ККР є граничною (критичної) між стійкістю і нестійкістю стану спокою. При КОС = КОС3> ККР стан спокою нестійка, генератор збудиться, і величина Im1 встановиться відповідної точці А. При збільшенні КОС величина першої гармоніки вихідного струму буде плавно рости і при КОС = КОС4 встановиться в точці Б. При зменшенні КОС амплітуда коливань буде зменшуватися по тієї ж кривої і коливання зірвуться при коефіцієнті зворотного зв'язку КОС = КОС2
Як висновки можна відзначити такі особливості м'якого режиму самозбудження:
для збудження не потрібен великий величини коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
збудження і зрив коливань відбуваються при одному і тому ж значенні коефіцієнта зворотного зв'язку ККР;
можлива плавне регулювання амплітуди стаціонарних коливань шляхом зміни величини коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
як недолік слід відзначити велике значення постійної складової колекторного струму, що призводить до малого значенням ККД.
Жорсткий режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики iK = f (uБЕ) з малою крутизною S
Малюнок 3. Жорсткий режим самозбудження
Порушення автогенератора відбудеться, коли коефіцієнт зворотного зв'язку перевищить величину КОС3 = КОСКР. Подальше збільшення КОС призводить до невеликого збільшення амплітуди першої гармоніки вихідного (колекторного) струму Im1 по шляху В-Г-Д. Зменшення КОС до КОС1 не призводить до зриву коливань, так як точки В і Б стійкі, а точка А стійка справа. Коливання зриваються в точці А, т. Е. При КОС
Таким чином, можна відзначити такі особливості роботи генератора при жорсткому режимі самозбудження:
для самозбудження потрібна велика величина коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
збудження і зрив коливань відбуваються поступово при різних значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
амплітуда стаціонарних коливань у великих межах змінюватися не може;
постійна складова колекторного струму менше, ніж в м'якому режимі, отже, значно вище ККД.
Порівнюючи позитивні і негативні сторони розглянутих режимів самозбудження, приходимо до спільного висновку: Надійне самозбудження генератора забезпечує м'який режим, а економічну роботу, високий ККД і більш стабільну амплітуду коливань - жорсткий режим.
Прагнення об'єднати ці переваги привело до ідеї використання автоматичного зміщення, коли генератор збуджується при м'якому режимі самозбудження, а його робота відбувається в жорсткому режимі. Сутність автоматичного зміщення розглянута нижче.
Автоматичне зміщення.
Сутність режиму полягає в тому, що для забезпечення збудження автогенератора в м'якому режимі вихідне положення робочої точки вибирається на лінійній ділянці прохідний характеристики з максимальною крутизною. Еквівалентний опір контуру вибирається таким, щоб виконувалися умови самозбудження. В процесі наростання амплітуди коливань режим по постійному струму автоматично змінюється і в стаціонарному стані встановлюється режим роботи з відсіченням вихідного струму (струму колектора), т. Е. Автогенератор працює в жорсткому режимі самозбудження на ділянці прохідний характеристики з малою крутизною (рис. 4).
Малюнок 4. Принцип автоматичного зміщення автогенератора
Напруга автоматичного зміщення отримують зазвичай за рахунок струму бази шляхом включення в ланцюг бази ланцюжка R Б C Б (рис. 5).
Малюнок 5. Схема автоматичного зміщення за рахунок струму бази
Початкова напруга зсуву забезпечується джерелом напруги Е Б. При зростанні амплітуди коливань збільшується напруга на резисторі R Б, створюване постійної складової базового струму I Б0. Результуюча напруга зсуву (Е Б - I Б0 R Б) при цьому зменшується, прагнучи до Е Б С Т.
У практичних схемах початкова напруга зсуву забезпечується за допомогою базового подільника R Б1, R Б2 (рис. 6).
Малюнок 6. Автоматичне зміщення за допомогою базового подільника
У цій схемі початкова напруга зсуву
Е Б.НАЧ. = ЛЮДИНА - (I Д + I Б0) R Б2,
де I Д = Е К / (R Б1 + R Б2) - струм дільника.
При зростанні амплітуди коливань постійна складова струму бази Іб 0 збільшується і зміщення ЕБ зменшується за величиною, досягаючи значення ебстісь в сталому режимі. Конденсатор СБ запобігає коротке замикання резистора Rб1 по постійному струму.
Слід зазначити, що введення в схему генератора ланцюга автоматичного зміщення може привести до явища переривчастої генерації. Причиною її виникнення є запізнювання напруги автоматичного зміщення щодо наростання амплітуди коливань. При великий постійної часу t = RБСБ (рис. 8.41) коливання швидко наростають, а зміщення залишається практично незмінним - ЕБ.НАЧ. Далі зміщення починає змінюватися і може виявитися менше тієї критичної величини, при якій ще виконуються умови стаціонарності, і коливання зірвуться. Після зриву коливань ємність СБ буде повільно розряджатися через RБ і зміщення знову буде прагнути до ЕБ.НАЧ. Як тільки крутизна стане досить великий, генератор знову збудиться. Далі процеси будуть повторюватися. Таким чином, коливання періодично будуть виникати і знову зриватися.
Переривчасті коливання, як правило, відносяться до небажаних явищ. Тому дуже важливо розрахунок елементів ланцюга автоматичного зміщення проводити так, щоб виключити можливість виникнення переривчастої генерації.
Для виключення переривчастої генерації в схемі (рис. 4) величину РБ вибирають з рівності
Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком
Розглянемо спрощену схему транзисторного автогенератора гармонійних коливань з трансформаторної зворотним зв'язком (рис. 7).
Малюнок 7. Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком
Призначення елементів схеми:
транзистор VT p-n-p типу, виконує роль підсилювального нелінійного елемента;
коливальний контур LKCKGЕ задає частоту коливань генератора і забезпечує їх гармонійну форму, речова провідність GЕ характеризує втрати енергії в самому контурі і в зовнішній навантаженні, пов'язаної з контуром;
котушка LБ забезпечує позитивний зворотний зв'язок між колекторної (вихідний) і базової (вхідний) ланцюгами, вона індуктивно пов'язана з котушкою контуру LК (коефіцієнт взаємоіндукції М);
джерела живлення ЕБ і ЄК забезпечують необхідні постійні напругина переходах транзистора для забезпечення активного режиму його роботи;
конденсатор СР розділяє генератор і його навантаження по постійному струму;
блокувальні конденсатори СБ1 і Сб2 шунтируют джерела живлення по змінному струмі, виключаючи непотрібні втрати енергії на їх внутрішніх опорах.
1.3 Типи генераторів
Залежно від того, яким способом в генераторі забезпечується умова балансу фаз і амплітуд, розрізняють генератори:
LC-генератори, що використовують в якості частотно-залежною ланцюга коливальний контур. Час задає параметром в них є період власних коливань коливального контуру;
RC-генератори, у яких частотно-залежні ланцюга зворотного зв'язку є поєднанням елементів R і С (міст Вина, подвійний T-подібний міст, зсувні RC-ланцюга ін.). Час задає параметром тут служить час заряду, розряду або перезаряду конденсатора;
генератори з електромеханічними резонаторами (кварцовими, магнітострикційними), в яких времязадающей параметром є період власних коливань резонуючого елемента.
1.3.1 RC-генератори
RC-генератори засновані на використанні частотно-виборчих RC-ланцюгів і виконуються по структурній схемі, наведеній на рис.1.
Розрізняють RC-генератори з фазосдвігающій і мостовими RC-ланцюгами.
1.3.2 Схема трехзвенной RC-ланцюга
RC-генератори з фазосдвигающей ланцюгом представляють собою підсилювач з поворотом фази на 180 °, в якому для виконання умови балансу фаз включена ланцюг зворотного зв'язку, що змінює на частоті генерації фазу вихідного сигналу також на 180 °. Як фазосдвигающей ланцюга зворотного зв'язку зазвичай використовуються триланкову RC-ланцюга (рідше чотириланкова). Схема такого ланцюга приведена на рис.8.
Малюнок 8. Схема трехзвенной RC-ланцюга
Фазосдвігающая ланцюг істотно зменшує сигнал зворотного зв'язку, що надходить на вхід підсилювача. Тому для триланкових RC-ланцюгів коефіцієнт посилення підсилювача повинен бути не менше 29. Тоді буде виконано також друга умова виникнення коливань - умова балансу амплітуд.
При однакових опорах резисторів R і ємностей конденсаторів C коливань генератора з фазосдвигающей ланцюгом визначається формулою:
Для зміни частоти коливань досить змінити опір або ємність в фазосдвигающей RC-ланцюга.
1.3.3 Міст Вина
R 3
З мостових частотно-виборчих RC-ланцюгів найбільшого поширення набув міст Вина (рис.9.).
R 4
Малюнок 9. Міст Вина
Умова балансу фаз забезпечується тут при одній частоті, на якій вихідний сигнал моста збігається по фазі з вхідним.
Частота генерації дорівнює частоті настройки моста і визначається співвідношенням:
Регулювання частоти в генераторі з мостом Вина проста і зручна, причому можлива в широкому діапазоні частот. Її здійснюють за допомогою здвоєного конденсатора змінної ємності або здвоєного змінного резистора, включеного в схему замість постійних конденсаторів C або резисторів R.
Так як коефіцієнт передачі моста Вина на частоті генерації становить 1/3, то коефіцієнт посилення підсилювача має дорівнювати 3. Тоді в генераторі з мостом Вина виникає стійка генерація.
1.3.4 Схема подвійного Т-образного моста
Крім того, в RC-генераторах знаходить також застосування подвійного Т-подібний міст (рис.10).
Малюнок 10. Схема подвійного Т-образного моста
Для стабілізації амплітуди вихідного сигналу RC-генератора використовуються різні нелінійні елементи: терморезистори, фоторезистори, лампи розжарювання, діоди, світлодіоди, стабілітрони, польові транзистори і ін. Застосовують також строго регульовану зворотний зв'язок.
RC-генератори характеризуються хорошою стабільністю, легко перебудовуються і дозволяють отримувати коливання з дуже низькими частотами (від часткою герц до декількох кілогерц). Стабільність частоти коливань. RC-генераторів в більшій мірі залежить від якості R і С елементів, ніж від структури частотно-виборчої ланцюга і характеристик підсилювача. Найкращими показниками володіють RC-генератори, в яких здійснюється додаткова стабілізація частоти коливань за допомогою кварцових резонаторів.
1.3.6 Схема генератора з мостом Вина на ОУ
На малюнку 6 показана схема з мостом Вина, одне плече якого утворено резистивним дільником напруги,, а інше - диференціює, і інтегрує, ланцюгами. Коефіцієнт передачі з виходу фазозадающей ланцюга,,, на неінвертуючий вхід ОП на резонансній частоті дорівнює 1/3. Для виконання балансу амплітуд коефіцієнт передачі підсилювача з виходу на неинвентирующем вхід повинен бути дорівнює трьом, т. Е. Необхідно виконати умову =. Для виконання балансу фаз постійна часу диференціюються ланцюга повинна бути дорівнює постійної часу інтегруючого ланцюга, т. Е. =.
Для поліпшення самозбудження, стабілізації амплітуди коливань і зменшення нелінійних спотворень в схемі необхідно використовувати підсилювач з регульованим коефіцієнтом передачі або на виході ОУ включити нелінійний обмежувач напруги.
Малюнок 11. Схема генератора з мостом Вина на ОУ
1.4 Генератор LC-типу
Такий генератор будують на основі підсилювального каскаду на транзисторі, включаючи в його колекторний ланцюг коливальний LC-контур. Для створення ПОС використовується трансформаторна зв'язок між обмотками W1 (має індуктивність L) і W2 (рис. 12).
Малюнок 12. Генератор LC-типу
1.5 Потужні підсилювальні каскади.
Під потужним каскадом розуміють такий підсилювальний каскад, для якого задаються навантаження і потужність розсіюється в цьому навантаженні. Зазвичай потужність має значення від декількох до десятків - сотень Вт. Тому потужні каскади, які, як правило, бувають вихідними, розраховують за заданим значенням і. Щоб оцінити, яку потужність має давати каскад попереднього посилення, доводиться оцінювати коефіцієнт посилення каскаду по потужності.
Потужний вихідний каскад є головним споживачем енергії. Він вносить основну частину нелінійних спотворень і займає обсяг, сумірний з об'ємом решти підсилювача. Тому при виборі і проектуванні вихідного каскаду основну увагу звертають на можливість отримання найбільшого ККД, малі нелінійні спотворення і габаритні розміри.
Вихідні каскади виконують однотактним і двотактними. Активні прилади в підсилювачах потужності можуть працювати в режимах A, B або AB. Для створення потужних вихідних каскадів використовують схеми з ОЕ, ПРО і ОК.
У однотактний вихідних каскадах активні прилади працюють в режимі A. При їх створенні використовують три схеми включення транзисторів. Для узгодження навантаження з вихідним каскадом іноді застосовують трансформатори, які забезпечують отримання максимального коефіцієнта посилення за проектною потужністю, але істотно погіршують його частотні характеристики.
Безтрансформаторні вихідні каскади отримали переважне поширення. Вони дозволяють здійснити безпосередній зв'язок з навантаженням, що дає можливість обійтися без громіздких трансформаторів і розділових конденсаторів; мають хороші частотні і амплітудні характеристики; легко можуть бути виконані за інтегральною технологією. Крім того, в зв'язку з відсутністю частотно-залежних елементів в ланцюгах зв'язку між каскадами можна вводити глибокі загальні негативні ОС як по змінному, так і по постійному струмів, що істотно покращує характеристики перетворення всього пристрою. При цьому забезпечення стійкості підсилювального пристрою може бути досягнуто введенням найпростіших коригувальних ланцюгів.
Безтрансформаторні потужні вихідні каскади збирають в основному по двотактним схемамина транзисторах, що працюють в режимі B або АВ і включених за схемами з ОК або ОЕ. У цих схемах можливе поєднання в одному каскаді або однакових транзисторів, або транзисторів з різним типом електропровідності. Каскади, в яких використані транзистори з різним типом електропровідності (p-n-p і n-p-n), називаються каскади з додатковою симетрією.
За способом підключення навантаження розрізняють два різновиди схем: спітаніем від одного джерела і з харчуванням від двох джерел.
1.6 Класифікація вихідних підсилювачів потужності
Розгляну класифікацію підсилювачів по режиму роботи, т. Е. За величиною струму, що протікає через транзистори підсилювача під час відсутності сигналу.
1.6.1 Підсилювачі класу А
Підсилювачі класу А працюють без відсічення сигналу на найбільш лінійній ділянці вольтамперной характеристики підсилювальних елементів. Це забезпечує мінімум нелінійних спотворень (THD і IMD), причому як на номінальній потужності, так і на малих потужностях.
За цей мінімум доводиться розплачуватися значними споживаної потужністю, розмірами і масою. В середньому ККД підсилювача класу А складає 15-30%, а споживана потужність не залежить від величини вихідної потужності. Потужність розсіювання максимальна при малих сигналах на виході.
1.6.2 Підсилювачі класу В
Якщо змінити зміщення емітерного переходу так, що робоча точка збігається з точкою відсічення, то ми отримаємо режим посилення класу В. Для цього на базу транзистора типу n-p-n потрібно подати більш негативна напруга, ніж в режимі класу А (для транзисторів типу p-n-p режимкласу В забезпечується подачею на базу більш позитивної напруги, ніж в режимі класу А). У будь-якому випадку для режиму класу B пряме зміщення емітерного переходу зменшується і транзистор закривається.
Якщо підсилювальний каскад класу B включає лише один транзистор, нелінійні спотворення сигналу будуть значними. Це пояснюється тим, що результуючий колекторний струм за формою повторює лише позитивну півхвилю вхідного сигналу, а не весь сигнал, тому що для негативної напівхвилі транзистор залишається замкненим. Для відтворення на виході сигналу, повністю схожого за формою з вхідним сигналом, можна використовувати два транзистора (по одному на кожну півхвилю вхідного сигналу), комбінуючи їх по так званій двотактної схемою.
Амплітуда напруги вихідного сигналу декілька менше величини напруги джерела живлення. Оскільки в режимі класу B струм протікає через транзистор лише полперіода, з'являється можливість збільшити вдвічі (порівняно з режимом класу А) колекторний струм при тій же середньої потужності, що розсіюється на колекторі транзистора.
Амплітуда вихідного напруги підсилювача класу B дорівнює подвійній амплітуді вихідної напруги підсилювача класу A. Таким чином, двотактний транзисторний каскад в режимі класу B дозволяє отримати вихідна напруга, Вдвічі більшу, ніж в режимі класу А.
1.6.3 Підсилювачі класу АВ
Як випливає з назви підсилювачі класу АВ - це спроба об'єднати гідності підсилювачів А і В класу, тобто домогтися високого ККД і прийнятного рівня нелінійних спотворень. Для того щоб позбутися від ступеневої переходу при перемиканні підсилюючих елементів використовується кут відсічення більше 90 градусів, тобто робоча точка вибирається на початку лінійної ділянки вольтамперной характеристики. За рахунок цього при відсутності сигналу на вході підсилювальні елементи не замикаються, і через них протікає деякий струм спокою, іноді значний. Через це зменшується коефіцієнт корисної дії і виникає незначна проблема стабілізації струму спокою, але зате істотно зменшуються нелінійні спотворення.
Клас AB є найбільш економічним для УНЧ, оскільки в цьому випадку підсилювач споживає від джерела живлення мінімальний струм. Це пояснюється тим, що в робочій точці транзистори замкнені і колекторний струм протікає лише при надходженні вхідного сигналу. Однак, підсилювачі класу B спотворюють форму сигналу.
У реальному підсилювачі класу B транзистор при дуже малих рівнях вхідного сигналу залишається замкненим (так як поблизу відсічення транзистор має вельми малий коефіцієнт посилення струму) і різко відкривається зі збільшенням сигналу.
Нелінійні спотворення можна зменшити, якщо замість режиму класу B використовувати клас АВ (або що щось середнє між У і АВ). Для цього транзистор кілька відмикають, так щоб в робочій точці в колекторної ланцюга протікав невеликий струм. Клас АВ менш економічний, ніж клас B, так як споживається великим струм від джерела живлення. Зазвичай клас АВ використовують лише в двотактних схемах.
1.6.4 Підсилювачі класу С
Режим класу C отримують зміщенням транзистора в зворотному напрямку, значно лівіше точки відсічення. Частина вхідного сигналу витрачається для забезпечення прямого зміщення емітерного переходу. В результаті колекторний струм протікає протягом лише частини одного напівперіоду вхідного напруги. Негативна полуволна вхідної напруги лежить в області глибокої відсічення транзистора. Так як колекторний струм протікає лише протягом деякої частини позитивного напівперіоду, то тривалість імпульсу колекторного струму істотно менше напівперіоду вхідного сигналу
Очевидно, форма вихідного сигналу відрізняється від вхідного і вона не може бути відновлена тими методами, які використовуються в двотактних підсилювачах класів B і АВ. З цієї причини режим класу C застосовується тільки тоді, коли спотворення сигналу не мають значення. Як правило, режим роботи класу C використовується в високочастотних підсилювачах і не знаходить застосування в УНЧ.
1.7 Схема технічні рішення потужних каскадів.
Підсилювачі потужності на транзисторах однієї провідності.
При харчуванні каскаду від двох джерел, і, що мають спільну точку, навантаження включається між точкою з'єднання емітера і колектора транзисторів, і загальною точкою джерел живлення. Режим роботи транзисторів забезпечується делителями,, і. Управління транзисторами здійснюється протифазні вхідними сигналами і, для отримання яких попередній каскад повинен бути фазоінверсним.
Принцип роботи каскаду за схемою рисунок 13 складається в почерговому посилення полуволн вхідного сигналу. Якщо в першому такті негативну півхвилю підсилює транзистор, при цьому транзистор замкнений позитивною півхвилею, то в другому такті друга полуволна сигналу посилюється транзистором при закритому транзисторі.
При харчуванні каскаду від одного джерела, (рис. 14) навантаження підключається через розділовий електролітичний конденсатор досить великої ємності, а в іншому схема аналогічна попередній.
Малюнок 13. Вихідний каскад підсилювача потужності на транзисторах однієї провідності
Принцип роботи схеми полягає в наступному. При відсутності і конденсатор заряджений до напруги. Саме при такій напрузі на конденсаторі настає режим спокою. У такті роботи (відкритого стану), по навантаженню тече струм, який дозаряджати конденсатор. У такті роботи, конденсатор розряджається, і по навантаженню тече струм. Таким чином, на навантаженні реалізується біполярний сигнал.
У розглянутих схемах транзистори, і мають різний включення: - за схемою OK, а - за схемою ОЕ. Оскільки при цих двох схемах включення транзистори мають різні коефіцієнти підсилення по напрузі, то без прийняття додаткових заходів виходить асиметрія вихідного сигналу. Зменшення асиметрії сигналу, зокрема, можна досягти відповідним вибором коефіцієнтів посилення по двом виходам попереднього фазоінверсного каскаду. Можна зменшити асиметрію і застосуванням негативного зворотного зв'язку, що охоплює вихідний і передвихідний каскади.
Малюнок 14. Вихідний каскад підсилювача потужності на транзисторах однієї провідності c однополярним живленням
Підсилювачі потужності на транзисторах різної провідності, включених по схемі з ОК.
Малюнок 15. Вихідний каскад підсилювача потужності на транзисторах різної провідності
На рис. 15 зображена схема каскаду з живленням від двох джерел (можлива реалізація схеми з однополярним живленням). При використанні в цій схемі комплементарних пар транзисторів типів n-p-nі p-n-p відпадає необхідність в подачі двох протифазних вхідних сигналів. При позитивній напівхвилі сигналу відкритий транзистор і закритий, при негативній напівхвиль, навпаки, відкритий і закритий. В іншому робота схеми рис. 15 аналогічна роботі відповідних схем рис. 14 і рис. 13. Відмінною особливістю розглянутих схем є те, що коефіцієнт посилення каскаду по напрузі завжди менше 1, а вихідний сигнал має меншу асиметрію, так як обидва транзистора включені за однаковою схемою з ОК.
Для того що б підсилювач потужності перевести в режим АВ для зниження нелінійних спотворення, бази поділяють між собою парою діодів, які забезпечують зсув для транзисторів, при якому в них тече струм в режимі спокою (рис 16).
R 1
R 2
Малюнок 16. Вихідний каскад підсилювача потужності в режимі АВ
На малюнку 17 наведена схема бестрансформаторного підсилювача потужності з двотактним вихідним каскадом на МДП - транзисторах з індукованими каналами типу n (VT2) і типу p (VT3). Підкладка зазвичай з'єднується з витоком всередині потужних МДП - транзисторів. Польові транзистори вносять менше нелінійних спотворень і не схильні до теплової нестійкості. Гранична напруга стокозатворной характеристики сучасних потужних МДП - транзисторів з індукованим каналом близько до нуля. Недоліком їх є підвищений залишкову напругу і виробничий розкид параметрів, проте у міру вдосконалення технології вони зменшуються.
Малюнок 17. Вихідний каскад підсилювача потужності в режимі АВ на ПТ
вибір електричної схемиелектронного пристрою і її опис
Схема складається з двох каскадів: перший каскад RC-генератор на мості Вина, другий каскад - підсилювач потужності класу АВ.
Міст Вина підключений до неінвертуючий вхід ОУ.
Нехай, тоді частота сигналу буде визначатися за формулою:
Для того що б в генераторі з мостом Вина встановилися коливання, підсилювач повинен мати коефіцієнт посилення більше 3. Коефіцієнт посилення задається резисторами. Отже, має виконуватися умова:
Діоди включені паралельно служать для стабілізації амплітуди генерованих сигналів (тобто вводять симетричну нелінійну зворотний зв'язок).
Переваги RC-генератора з мостом Вина:
Основним недоліком є те, що вихідна напруга досягає напруги шин харчування, що викликає насичення вихідних транзисторів ОУ і створює значні спотворення.
Другий каскад - двотактний безтрансформаторний каскад з польовими МДП - транзисторами різних типів провідності.
МДП - транзистор VT1 має n-типом провідності, а транзистор VT2 - р - типом. Якщо між затворами і витоками транзисторів буде подано напругу позитивної полярності, то транзистор VT2 буде закритий, а транзистор VT1 буде відкритий, і струм потече по ланцюгу від плюса джерела живлення E1 втік-витік транзистора VT1, по навантаженню, до негативного полюса джерела живлення E1. А якщо буде подано напругу затвор-витік негативної полярності, то транзистор VT1 буде закритий, а транзистор VT2 буде відкритий, і струм потече по ланцюгу від плюса джерела живлення E2 по навантаженню, витік-стік транзистора VT2, до негативного полюса джерела живлення E2. Надходження на вхід сигналу з напругою то позитивною, то негативною полярностей призводить то до замикання одного транзистора і відмикання іншого, то навпаки. Іншими словами транзистори функціонують в протифазі. Транзистори VT1 і VT2 вибирають так, щоб їх параметри і характеристики в робочій області були якомога ближчими.
переваги:
можливе отримання високого ККД, при правильному виборі транзисторів нелінійні спотворення малі;
каскад розвиває велику максимальну вихідну потужність, в порівнянні з однотактних каскадом з таким же транзистором;
через відсутність трансформаторів немає жорстких обмежень на частотний діапазон підсилюються сигналів;
крім того, без громіздких і важких трансформаторів отримують малі масу, габарити і низьку вартість пристрою.
недоліки:
необхідність ретельного вибору транзисторів і стрімке їх руйнування при перевантаженні вихідного каскаду, в разі, якщо в ньому не передбачена система захисту по струму.
Малюнок 18. RC-генератор з потужним вихідним каскадом
РОЗРАХУНОК І ВИБІР ЕЛЕМЕНТІВ СХЕМИ ЕЛЕКТРОННОГО ПРИСТРОЮ
3.1 Розрахунок підсилювача потужності
де - амплітудне значення напруги на опорі навантаження;
Амплітудне значення струму на опорі навантаження;
Потужність на навантаженні.
Напруга джерела живлення однієї половини вихідного каскаду при біполярному харчуванні визначається виходячи з амплітуди вихідного сигналу, при цьому величина напруга вибирається мінімум на n У більше, оскільки потрібно враховувати залишкову напругу, а у польових транзисторів воно може досягати одиниці вольт.
Генератори гармонійних коливань являють собою пристрої з частотно-виборчої ланцюга і активного елементу. За типом частотно-виборчої ланцюга вони діляться на LC- і RC-генератори.
Генератори LC-типу мають порівняно високу стабільність частоти коливань, стійко працюють при значних змінах параметрів транзисторів, забезпечують отримання коливань, що мають малий коефіцієнт гармонік. В генераторах LC-типу форма вихідної напруги дуже близька до гармонійної. Це обумовлено досить хорошими фільтруючими властивостями коливального контуру. До недоліків LC-генераторів відносяться труднощі виготовлення високо-стабільних температурно-незалежних котушок індуктивності, а також висока вартість і громіздкість останніх. Це особливо проявляється при створенні низькочастотних автогенераторів, в яких навіть при застосуванні феромагнітних сердечників габаритні розміри, Маса і вартість виходять значними.
Базові схеми LC-генераторів показані на рис. 8.1. Схему на рис. 8.1, a називають індуктивною трехточкі або схемою Хартлея, на рис. 8.1,6 - ємнісний трехточкі або схемою Колпітца. Для обох схем за допомогою резисторів Rl, R2 і Re встановлюється необхідний режим за постійним струмом. Конденсатори сь і Се - блокувальні, конденсатор С називають конденсатором зв'язку. Частота автоколивань для обох схем в першому наближенні визначається відомою формулою
(8.1)
Для схеми Колпітца
(8.2)
Для всіх автогенераторів умовами виникнення автоколивань є наявність позитивного зворотного зв'язку при коефіцієнті посилення рівному або більшим 1. Для схеми Хартлея ці умови забезпечуються за рахунок транзисторного каскаду, вибору коефіцієнта трансформації і відповідного включення обмотки зв'язку. Позитивний зворотний зв'язок в генераторі Колпітца забезпечується за рахунок того, що сигнал зворотного зв'язку надходить з такого затиску коливального контуру, при якому сигнал зворотного зв'язку на базі транзистора збігається по фазі з змінним сигналомна колекторі. Коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв'язку при цьому визначається коефіцієнтом передачі ємнісного дільника, утвореного конденсаторами С1 і С2. При виконанні зазначених умов пристрій самовозбуждается. Процес самозбудження відбувається наступним чином. При включенні джерела живлення конденсатор коливального контуру, включеного в колекторний ланцюг, заряджається. У контурі виникають затухаючі коливання, які одночасно передаються на керуючі електроди транзистора по ланцюзі позитивного зворотного зв'язку. Це призводить до поповнення енергією LC-контура і коливання перетворюються в незгасаючі.
Виконаємо моделювання автогенератора Колпітца (рис. 8.2), схема якого запозичена з каталогу програми EWB 4.1 (схемний файл 2m-oscil.ca4). На відміну від базової схеми (рис. 8.1, б) вона виконана на емітерний повторювачі.
Мал. 8.2. Генератор Колпітца
Розрахунки за формулами (8.1) і (8.2) для схеми на рис. 8.2 дають: С2 = 1мкФ;
З осцилограм на рис. 8.3 видно, що результати моделювання вкрай невтішні. По-перше, період коливань, отсчітивемий за допомогою візирних лінійок і рівний Т2-Т1 = 7,34 мс, помітно більше теоретичного - 6,28 мс. По-друге, форма коливань далеко не синусоїдальна. Такі результати можна пояснити занадто сильним зв'язком коливального контуру з підсилювальним каскадом. На користь цього твердження свідчить і той факт, що подвійна амплітуда вихідного сигналу практично дорівнює напрузі джерела живлення 6 В. Для можливості управління взаємодією коливального контуру з транзисторним каскадом введемо конденсатор зв'язку С (рис. 8.4).
Результати моделювання схеми на рис. 8.4 наведені на рис. 8.5, з якого видно, що форма коливань істотно покращилася і дійсно стала синусоїдальної. При цьому період коливань 6,144 мс практично дорівнює теоретичного значенням.
З проведених експериментів видно, наскільки велика роль правильного виборувзаємодії коливального контуру зі постачають його енергією підсилювально-согласующим пристроєм. У технічній літературі для цього введено термін "коефіцієнт регенерації". Цей безрозмірний коефіцієнт показує, у скільки разів може бути зменшена добротність коливальної системи в порівнянні з її вихідним значенням (за рахунок внесених по ланцюгу зворотного зв'язку втрат), щоб автогенератор виявився на кордоні зриву коливань. Для низькочастотних генераторів цей коефіцієнт вибирають рівним 1,5 ... 3.
Мал. 8.4. Генератор Колпітца з конденсатором зв'язку
Особливо слід сказати про блокувальних конденсаторах сь і Се в базовій і емітерний ланцюгах. При досить глибокої зворотного зв'язку і неправильно підібраних ємностях цих конденсаторів може виникати переривчаста генерація або автомодуляція. В цьому випадку амплітуда коливань буде мати змінне значення або зменшуватися до нуля. Переривчаста генерація обумовлена тим, що при певних умовах напруга автоматичного зміщення внаслідок заряду конденсаторів сь і Се може наблизитися до амплітуди напруги зворотного зв'язку, за рахунок чого транзистор закривається і коливальний контур перестане поповнюватися енергією. В результаті автоколебания швидко затухнуть і виникнуть знову тільки після розряду цих конденсаторів. Потім процес наростання амплітуди, заряду конденсаторів і зриву автоколебаний повториться. Тому ланцюга, що забезпечують автоматичний зсув, доводиться, як правило, підбирати під час налаштування.
Перебудову частоти LC-генераторів зазвичай здійснюють зміною ємності конденсатора коливального контуру. При цьому змінюється і добротність контуру через зміну співвідношення L / C, що може викликати зміну режиму роботи автогенератора. Зміна ємності зазвичай виробляють механічним шляхом або за допомогою варикапа, змінюючи напругу зміщення.
На практиці знаходять застосування також LC-генератори з використанням елементів з негативним опором. Як приклад розглянемо схему такого генератора, показану на рис. 8.6. Він містить емітерний повторювач на транзисторі VT1, який призначений для регулювання вихідної напруги генератора шляхом зміни напруги на його базі за допомогою резисторів R1 і R2. Власне генератор складається з коливального контуру Lk, Ck і двох польових транзисторів VT2 і VT3 з каналами різної провідності, які володіють ділянкою з негативним диференціальним опором. Наведена в вольтамперная характеристика такого гібрида на вітчизняних польових транзисторах КПЗОЗ і КП103 має форму несиметричного колоколообразного імпульсу з вершиною при напрузі 3 В (струм 2 мА) і практично нульовим струмом при напрузі 8 В. Отже, після включення харчування, Коли напруга на конденсаторі Ск досягає 3 В, починається різке збільшення шунтирующего цей конденсатор опору, в результаті чого збільшується швидкість заряду конденсатора. У другій фазі, коли при розряді конденсатора напруга на ньому досягає 8 В, швидкість його розряду збільшується і після досягнення значення 3 В починається форсований розряд. Таким чином, коливальний контур в результаті отримує як би два поштовхи протягом кожного періоду коливань, що призводить в кінцевому підсумку до виникнення незатухаючих коливань.
Частота коливань генератора на рис. 8.6 в першому наближенні визначається
виразом (8.1) і становить
Подивимося, наскільки це відповідає результатам моделювання, представленим на рис. 8.7. З осцилограми видно, що період коливань складає 12,48 мс, що відповідає частоті коливань 80,12 Гц, практично збігається з теоретичним значенням.
Мал. 8.6. Схема низькочастотного LC-генератора
Перейдемо до розгляду RC-генераторів. Генератори такого типу досить прості в реалізації, дешеві, мають малі габарити і масу. Однак стабільність частоти коливань в них значно нижче, ніж в LC-генераторах. Форма коливань дещо відрізняється від синусоїдальної і суттєво змінюється в залежності від значень параметрів активного елемента і ланцюга зворотного зв'язку. Ці недоліки не дозволяють застосовувати їх в схемах, де необхідно отримувати високу точність і стабільність частоти коливань, а також задовільну форму вихідної напруги. У пристроях, де до цих параметрів не пред'являються жорсткі вимоги, низькочастотні RC-генератори використовуються досить широко.
В RC-генераторах зворотний зв'язок здійснюється за рахунок RC-ланцюгів, що володіють виборчими властивостями і забезпечують на одній певній частоті виконання умов збудження коливань. У цих генераторах вихідна напруга практично повторює форму колекторного струму транзистора. Тому вони не можуть працювати з відсіченням струму і мають порівняно низький ККД.
Виборчим ЄС-ланцюгах властива невисока добротність. Тому для отримання синусоїдальних коливань з малим рівнем гармонік доводиться вводити неглибоку зворотний зв'язок. При цьому активний елемент повинен мати невелику нелінійність, щоб в момент виникнення автоколивань коефіцієнт посилення залишався більше одиниці і тим самим при будь-яких змінах параметрів схеми забезпечувалися умови самозбудження.
RC-автогенератори виконують на основі однокаскадних і багатокаскадних підсилювачів. У однокаскадних автогенераторах вихід підсилювача з'єднується зі входом через RC-ланцюга, що забезпечують фазовий зсув 180 ° на робочій частоті. Такі генератори зазвичай виконують на фіксовану частоту, їх іноді називають ланцюжковими RC-генераторами.
У автогенераторах, виконаних на основі багатокаскадних підсилювачів, застосовують як підсилювачі змінного струму, Так і підсилювачі постійного струмуна ОУ.
При використанні підсилювачів змінного струму число каскадів вибирають парних (зазвичай використовують Двокаскадні підсилювачі). Такий підсилювач вносить близький до нуля фазовий зсув між вхідним і вихідним сигналами, тому ланцюг зворотного зв'язку, що з'єднує вихід зі входом, повинна забезпечувати на частоті автоколивань нульовий фазовий зсув. Зазвичай в таких генераторах як ланцюгів зворотного зв'язку використовують частоти-виборчі мостові схеми, що допускають перебудову частоти в досить широких межах.
Цепочечние автогенератори повинні мати ланцюг зворотного зв'язку, що забезпечує фазовий зсув 180 ° на частоті автоколивань. Для отримання такого зсуву потрібно не менше трьох RC-ланцюгів. Дійсно, кожне RC-ланка в самих ідеальних умовах забезпечує фазовий зсув на кут, менший 90 °; отже, дві ланки дають фазовий зрушення, менший 180 °. На рис. 8.8, а приведена схема цепочечного генератора, виконаного на чотириланкової RC-ланцюга і транзисторному каскаді ОЕ. Згідно частота коливань генератора на рис. 8.8, а визначається за формулою:
Звернемося тепер до результатів моделювання, представленим на рис. 8.8, б, звідки видно, що період коливань вихідного сигналу становить 315 мс, що істотно відрізняється від розрахункового значення (T = l / f "= 461,5 мс). У зв'язку з цим доречно зауважити, що аналітичні вирази для частоти коливань RC-генераторів мають вельми орієнтовний характер. Наведемо два приклади. Для розрахунку частоти коливань використовуємо дві різні формули для RC-генератора з триланкової фазосдвігающій-щей ланцюгом з робіт, за допомогою яких для схеми на рис. 8.8, а отримаємо:
З наведених результатів видно, що для даної схеми більш підходить результат, отриманий за допомогою формули (8.4) з роботи. Проведемо додаткові випробування моделі з триланкової ланцюжком на рис. 8.9, а. З наведених на рис. 8.9, б результатів випробувань видно, що період коливань RC-генерато-ра з триланкової ланцюжком (515 мс) є чи не середнім арифметичним між результатами, отриманими за формулами (8.3) і (8.5). Таким чином, і в цьому випадку є істотні розбіжності результатів моделювання і розрахунку, причому більш істотними є розбіжності між розрахунковими значеннями з використанням різних розрахункових співвідношень для однієї і тієї ж схеми. Це дозволяє зробити висновок, що аналітичні вирази для RC-генерато-рів мають дуже наближений (дійсно, орієнтовний) характер.
Контрольні питання і завдання
1. За яких умов підсилювальний пристрій, охоплене зворотним зв'язком, може перетворитися в автогенератор?
2. Для схеми генератора на рис. 8.2 встановіть шляхом моделювання залежність форми генерується сигналу від співвідношення ємності конденсаторів С1 і С2. При варіюванні ємностей цих конденсаторів забезпечте сталість частоти коливань, тобто еквівалентної ємності контуру С ".
3. У схемі генератора на рис. 8.4 шляхом зміни ємності конденсатора зв'язку С встановіть граничні умови надійного самозбудження генератора без погіршення форми генеруються сигналів (визначається візуально).
4. Дослідіть в генераторі на рис. 8.6 вплив на форму сигналу, його амплітуду і частоту напруги на базі транзистора (встановлюється зміною опору резисторів Rl, R2) і ємності блокувального конденсатора Се.
5. Використовуючи матеріали гл. 4, отримаєте вольтамперних характеристику застосовуваного в схемі на рис. 8.6 гібридного компонента на моделях польових транзисторів типу Ideal.
6. Дослідіть залежність форми сигналу, частоти коливань і надійності запуску RC-генератора на рис. 8.8 і 8.9 від напруги харчування Ucc.
Генератори синусоїдальних коливань - це генератори, які генерують напругу синусоїдальної форми.
Вони класифікуються згідно їх частотно-задає компонентів. Трьома основними типами генераторів є LC генератори, кварцові генератори і RC генератори.
LC генератори використовують коливальний контур з конденсатора і котушки індуктивності, з'єднаних або паралельно, або послідовно, параметри яких визначають частоту коливань.
Кварцові генератори, подібні LC генераторів, але забезпечують більш високу стабільність коливань.
RC-генератори використовуються на низьких частотах, в них для завдання частоти коливань використовується резистивної-ємнісний ланцюг.
3.1.1 Коливальний контур
Коливальний контур - це замкнуте електричне коло, що містить котушку індуктивності і конденсатор, в якій можуть збуджуватися електричні коливання.
Коливання струму і напруги в коливальному контурі пов'язані з переходом енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного полякотушки індуктивності і назад.
Залежно від способу підключення до зовнішнього джерелаЕРС або до джерела струму, розрізняють послідовний і паралельний коливальні контури.
послідовний к.к.
Паралельний к.к.
Якщо в коливальний контур включити джерело гармонійних електричних коливань, то спочатку в ланцюзі виникнуть складні коливання, що представляють собою суму власних згасаючих і вимушених гармонічних коливань. Через деякий час власні коливання затухнуть і залишаться тільки вимушені.
Криві залежності амплітуди і фази вимушених коливань від частотиω називаються резонансними кривими. при значенніω близькому до резонансної частотиω 0 = Має місце різке збільшення амплітуди вимушених коливань (резонанс).
Коливальні контури застосовуються в фільтрах, резонансних підсилювачах, генераторах і перетворювачах.
3.1.2. LC генератори
основними типами LC генераторів є генератор Хартлі і генератор Колпітца.
Ріс.3.2.1 –
Генератор Хартлі
На ріс.3.2.1 зображений генератор Хартлі. Величина зворотного зв'язку в цій схемі залежить від положення витків котушки L 1. Вихідний сигнал знімається з котушки L2.
рис 3.2.2 Генератор Колпітца
На рис 3.2.2 зображений генератор Колпітца. Величина зворотного зв'язку в схемі Колпітца визначається відношенням ємностей конденсаторів C 1 і C 2 . Цей генератор стабільніший, ніж генератор Хартлі і частіше використовується.
3.1.3 Кварцові генератори
Основна вимога до генератора - це стабільність частоти і амплітуди коливань. Причини нестабільності: залежність ємності і індуктивності від температури, старіння компонентів і зміна вимог до навантаження. Коли потрібна висока стабільність, використовуються кварцові генератори. Кожен кристал кварцу володіє власною частотою коливань. Якщо частота прикладеної напруги збігається із власною частотою, коливання
кристала яскраво виражені. Якщо відрізняється - кристал коливається слабо. Власна частота коливань кварцу практично не залежить від температури.
Еквівалентна схема кристала кварцу:
Тут зображена схема кварцового генератора Хартлі з паралельної зворотним зв'язком. якщо частота
коливального контуру відхиляється від частоти кварцу, імпеданс (опір) кварцу збільшується, зменшуючи величину зворотного зв'язку з коливальним контуром. Це дозволяє коливального контуру повернутися на частоту кварцу.
На цьому малюнку зображено генератор Пірса. Ця схема подібна до схеми Колпітца, за винятком того, що котушка індуктивності в коливальному контурі замінена кварцом. Ця схема дуже популярна, тому що в ній не використовується індуктивності. Кварц управляє импедансом коливального контуру, що визначає величину зворотного зв'язку і стабілізує генератор.
3.1.4. RC генератори
На частотах до 10 МГц зазвичай краще застосовувати RC генератори, тому що резистори і конденсатори більш зручні в застосуванні, ніж котушки індуктивності і більш дешеві.
Є 2 типу RC -генератори: з фазосдвигающей ланцюжком і мостикового типу (місток Вина)
RC-генератори з фазосдвигающей ланцюжком
В цьому генераторі для виникнення коливань підсилювач повинен мати нескінченно великий вхідний опір і вихідний опір- рівне 0.
Тоді, якщо конденсатори і резистори мають рівні реактивні і активні параметри, умовою існування коливань буде рівність коефіцієнта посилення числу 29. Таке посилення необхідно для компенсації загасання в фазосдвигающей ланцюжку. Фазовий кут цього ланцюжка на частоті коливань дорівнює 180 °, а підсилювач повинен інвертувати сигнал, з тим, щоб загальний зсув фази по всьому контуру дорівнював 0 (умова генерації).
Частота коливань генератора визначається виразом:
Генератор мостикового типу
Генератори мостикового типу (місток Вина) широко застосовуються в якості перебудовуються генераторів в діапазоні частот від 1 до 10 7 Гц.
Реактивна частина містка утворює ланцюжок, яка на частоті коливань має фазовий зсув рівний 0. Тому схему генератора будують в поєднанні з неінвертірующего підсилювачем.
Якщо підсилювач має фазовий зсув 0, нескінченно великий вхідний опір і вихідний опір рівне 0, то коефіцієнт посилення має дорівнювати 3, а частота коливаньω 0 =
Так як частота коливань генераторів LC -типу обернено пропорційна, то мостіковий генератор забезпечує більш широкий діапазон частот. З цієї причини в лабораторних ізмерітельнихпріборах застосовують генератори мостикового типу. Шляхом застосування здвоєних змінних резисторів в цих генераторах легко перекривається діапазон частот 10: 1.
Схема перебудовується генератора мостикового типу з послідовно-паралельної зворотним зв'язком.
Відзначимо три варіанти поширених схем автогенераторів:
- з трансформаторної (або індуктивної) зворотним зв'язком;
- з автотрансформаторной зворотним зв'язком;
- із зворотним зв'язком місткості.
Нижче представлені деякі практичні схеми транзисторних автогенераторів.
Мал. 3.7. Автогенератор на біполярному транзисторі з трансформаторної зворотним зв'язком
На рис. 3.7, 3.8, 3.9 потенціометр R 1 R 2 служить для подачі на базу невеликого зсуву, яке забезпечує досить високу крутизну характеристики тріода в вихідному режимі і легкість збудження коливань. Струм базиI б0, що протікає через сопротівленіеR 3, створює позитивне автоматичний зсув, що забезпечує отримання необхідного кута відсічення колекторного струму в автоколивальних режимі АГ.
Мал. 3.8. Автогенератор з автотрансформаторной зворотним зв'язком на біполярному транзисторі
Мал. 3.9. Автогенератор з ємнісний зворотним зв'язком на
біполярному транзисторі
На рис. 3.10, 3.11, 3.12 напруга зсуву Е б = I б0 R б на базу подається з сопротівленіяR б.
На рис. 3.10 харчування бази послідовне. На рис. 3.11, 3.12 харчування ланцюга бази паралельне.
У схему автогенератора (рис. 3.13) входить активний елемент - польовий транзистор. Для того щоб отримати на виході автогенератора незгасаючі гармонійні коливання, необхідно правильно вибрати режим роботи польового транзісто-
Мал. 3.10. Автогенератор з трансформаторної
зворотним зв'язком на біполярному транзисторі
Рис.3.11. Автогенератор з автотрансформаторной зворотним зв'язком на біполярному транзисторі
ра. При цьому можна керуватися методикою комп'ютерного аналізу резисторних каскадів посилення на польових транзисторах (розділ 3.4). Автогенератор на польовому транзисторі (рис. 2.13) зібраний за схемою ємнісний трехточкі. Коливальний контур, утворений котушкою індуктивності l k і конденсатором З до, включений в стоковий ланцюг транзистора.
Рис.3.12. Автогенератор з ємнісний зворотним зв'язком на
біполярному транзисторі
На частоті генерації він еквівалентний індуктивності. Позитивний зворотний зв'язок здійснена через дільник, утворений конденсаторами З 1 Иc 2. Початкове зміщення, що забезпечує початкове положення робочої точки, задається резістораміR 1, R 2 іR 3. РезісторR 1 дозволяє здійснити Істоковий стабілізацію робочої точки польового транзистора за рахунок використання негативного зворотного зв'язку (ООС) по постійному струму витоку. КонденсаторC 2 усуває при цьому ООС по змінної складової струму витоку.
Конденсатор Сз необхідний для того, щоб напруга позитивного зворотного зв'язку без втрат було докладено до входу транзистора.
Необхідною умовою для отримання гармонійних незгасаючих коливань є забезпечення балансу амплітуд і баланс фаз.
Мал. 3.13. Автогенератор з ємнісний зворотним зв'язком на
польовому транзисторі
Мал. 3.14. Автогенератор з автотрансформаторной зворотним зв'язком на польовому транзисторі
Автогенератор на польовому транзисторі (рис. 3.14) зібраний за схемою індуктивного трехточкі (з автотрансформаторной зворотним зв'язком). Коливальний контур, утворений індуктивностями L 1 + L 2 і конденсатором С3, включений в стоковий ланцюг транзистора. АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ зворотний зв'язок здійснена за допомогою обмотки котушки індуктивності L 2, підключеної до затвору польового транзистора через ємність блокувального конденсатора джерела живлення (на схемі конденсатор не показаний) і ємність конденсатора С 2. Початкове зміщення, що забезпечує початкове положення робочої точки, задається резисторами R1 і R2. Конденсатор З 1 необхідний для того, щоб напруга позитивного зворотного зв'язку без втрат було докладено до входу каскаду.
Рис.3.15. Автогенератор на польовому транзисторі
з трансформаторної зворотним зв'язком
Схема вимірювання LС-автогенера- з трансформаторної зворотним зв 'зв'язком представлена на рис. 3.15. Коливальний контур, утворений ін дуктівностью L K і конденсатором З до, включений в стоковий ланцюг транзистора. Зворотній зв'язок трансформаторного типу, здійснена за допомогою обмотки L 1, підключеної до входу транзистора. Початкове зміщення, що забезпечує початкові положення робочої точки, задається резисторами R 1, R 2 і R 3. Резистор R 3 забезпечує Істоковий стабілізацію робочої точки транзистора. Конденсатори C 2 і C 3 забезпечують підведення напруги позитивного зворотного зв'язку на вхід транзистора без втрат. Конденсатор C l є блокувальним для джерела живлення. Він запобігає проходженню змінної складової вихідного струму через джерело живлення.
Автогенератори низькочастотних коливань розглянуті в розділі 4.