Реклама на портале

RC генераторы синусоидальных колебаний. Автогенераторы типа RC LC генераторы синусоидальных колебаний

Генератор – это автоколебательная система, формирующая импульсы электрического тока, в которой транзистор играет роль коммутирующего элемента. Изначально, с момента изобретения, транзистор позиционировался как усилительный элемент. Презентация первого транзистора произошла в 1947 году. Презентация полевого транзистора произошла несколько позже – в 1953 г. В генераторах импульсов он играет роль переключателя и только в генераторах переменного тока он реализует свои усилительные свойства, одновременно участвуя в создании положительной обратной связи для поддержки колебательного процесса.

Наглядная иллюстрация деления частотного диапазона

Классификация

Транзисторные генераторы имеют несколько классификаций:

  • по диапазону частот выходного сигнала;
  • по типу выходного сигнала;
  • по принципу действия.

Диапазон частот – величина субъективная, но для стандартизации принято такое деление частотного диапазона:

  • от 30 Гц до 300 кГц – низкая частота (НЧ);
  • от 300 кГц до 3 МГц – средняя частота (СЧ);
  • от 3 МГц до 300 МГц – высокая частота (ВЧ);
  • выше 300 МГц – сверхвысокая частота (СВЧ).

Таково деление частотного диапазона в области радиоволн. Существует звуковой диапазон частот (ЗЧ) – от 16 Гц до 22 кГц. Таким образом, желая подчеркнуть диапазон частот генератора, его называют, например ВЧ или НЧ генератором. Частоты звукового диапазона в свою очередь также подразделяются на ВЧ, СЧ и НЧ.

По типу выходного сигнала генераторы могут быть:

  • синусоидальные – для генерации синусоидальных сигналов;
  • функциональные – для автоколебания сигналов специальной формы. Частный случай – генератор прямоугольных импульсов ;
  • генераторы шума – генераторы широкого спектра частот, у которых в заданном диапазоне частот спектр сигнала равномерный от нижнего до верхнего участка частотной характеристики.

По принципу действия генераторов:

  • RC-генераторы;
  • LC-генераторы;
  • Блокинг-генераторы – формирователь коротких импульсов.

Ввиду принципиальных ограничений обычно RC-генераторы используются в НЧ и звуковом диапазоне, а LC-генераторы в ВЧ диапазоне частот.

Схемотехника генераторов

RC и LC генераторы синусоидальные

Наиболее просто реализуется генератор на транзисторе в схеме емкостной трехточки – генератор Колпитца (рис. ниже).

Схема генератора на транзисторе (генератор Колпитца)

В схеме Колпитца элементы (C1), (C2), (L) являются частотозадающими. Остальные элементы представляют собой стандартную обвязку транзистора для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току. Такой же простой схемотехникой обладает генератор, собранный по схеме индуктивной трехточки – генератор Хартли (рис. ниже).

Схема трехточечного генератора с индуктивной связью (генератор Хартли)

В этой схеме частота генератора определяется параллельным контуром, в который входят элементы (C), (La), (Lb). Конденсатор (С) необходим для образования положительной обратной связи по переменному току.

Практическая реализация такого генератора более затруднительна, поскольку требует наличия индуктивности с отводом.

И тот и другой генераторы автоколебания находят преимущественно применение в СЧ и ВЧ диапазонах в качестве генераторов несущих частот, в частотозадающих цепях гетеродинов и так далее. Регенераторы радиоприемников также основаны на генераторах колебаний. Указанное применение требует высокой стабильности частоты, поэтому практически всегда схема дополняется кварцевым резонатором колебаний.

Задающий генератор тока на основе кварцевого резонатора имеет автоколебания с очень высокой точностью установки значения частоты ВЧ генератора. Миллиардные доли процента далеко не предел. Регенераторы радиостанций используют только кварцевую стабилизацию частоты.

Работа генераторов в области низкочастотного тока и звуковой частоты связана с трудностями реализации высоких значений индуктивности. Если быть точнее, то в габаритах необходимой катушки индуктивности.

Схема генератора Пирса является модификацией схемы Колпитца, реализованной без применения индуктивности (рис. ниже).

Схема генератора Пирса без применения индуктивности

В схеме Пирса индуктивность заменена кварцевым резонатором, что позволило избавиться от трудоемкой и громоздкой катушки индуктивности и, в то же время, ограничило верхний диапазон колебаний.

Конденсатор (С3) не пропускает постоянную составляющую базового смещения транзистора на кварцевый резонатор. Такой генератор может формировать колебания до 25 МГц, в том числе и звуковой частоты.

Работа всех вышеперечисленных генераторов основана на резонансных свойствах колебательной системы, составленной из емкости и индуктивности. Соответственно, частота колебаний определяется номиналами этих элементов.

RC генераторы тока используют принцип фазового сдвига в резистивно-емкостной цепи. Наиболее часто применяется схема с фазосдвигающей цепочкой (рис. ниже).

Схема RC генератора с фазосдвигающей цепочкой

Элементы (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) выполняют сдвиг фазы для получения положительной обратной связи, необходимой для возникновения автоколебаний. Генерация возникает на частотах, для которых фазовый сдвиг оптимален (180 гр). Фазосдвигающая цепь вносит сильное ослабление сигнала, поэтому такая схема имеет повышенные требования к коэффициенту усиления транзистора. Менее требовательна к параметрам транзистора схема с мостом Вина (рис. ниже).

Схема RC генератора с мостом Вина

Двойной Т-образный мост Вина состоит из элементов (C1), (C2), (R3) и (R1), (R2), (C3) и представляет собой узкополосный заграждающий фильтр, настроенный на частоту генерации. Для всех остальных частот транзистор охвачен глубокой отрицательной связью.

Функциональные генераторы тока

Функциональные генераторы предназначены для формирования последовательности импульсов определенной формы (форму описывает некая функция – отсюда и название). Наиболее часто встречаются генераторы прямоугольных (если отношение длительности импульса к периоду колебаний составляет ½, то такая последовательность называется «меандр»), треугольных и пилообразных импульсов. Самый простой генератор прямоугольных импульсов – мультивибратор, подается как первая схема начинающих радиолюбителей для сборки своими руками (рис. ниже).

Схема мультивибратора – генератора прямоугольных импульсов

Особенностью мультивибратора является то, что в нем можно использовать практически любые транзисторы. Длительность импульсов и пауз между ними определяется номиналами конденсаторов и резисторов в базовых цепях транзисторов (Rb1), Cb1) и (Rb2), (Cb2).

Частота автоколебания тока может изменяться от единиц герц до десятков килогерц. ВЧ автоколебания на мультивибраторе реализовать невозможно.

Генераторы треугольных (пилообразных) импульсов, как правило, строятся на основе генераторов прямоугольных импульсов (задающий генератор) путем добавления корректирующей цепочки (рис. ниже).

Схема генератора треугольных импульсов

Форма импульсов, близкая к треугольной, определяется напряжением заряда-разряда на обкладках конденсатора С.

Блокинг-генератор

Предназначение блокинг-генераторов состоит в формировании мощных импульсов тока, имеющих крутые фронты и малую скважность. Длительность пауз между импульсами намного больше длительности самих импульсов. Блокинг-генераторы находят применение в формирователях импульсов, сравнивающих устройствах, но основная область применения – задающий генератор строчной развертки в устройствах отображения информации на основе электронно-лучевых трубок. Также блокинг-генераторы с успехом применяются в устройствах преобразования электроэнергии.

Генераторы на полевых транзисторах

Особенностью полевых транзисторов является очень высокое входное сопротивление, порядок которого соизмерим с сопротивлением электронных ламп. Перечисленные выше схемотехнические решения универсальны, просто они адаптированы под использование различных типов активных элементов. Генераторы Колпитца, Хартли и другие, выполненные на полевом транзисторе, отличаются только номиналами элементов.

Частотозадающие цепи имеют те же соотношения. Для генерирования ВЧ колебаний несколько предпочтительнее простой генератор, выполненный на полевом транзисторе по схеме индуктивной трехточки. Дело в том, что полевой транзистор, имея высокое входное сопротивление, практически не оказывает шунтирующее действие на индуктивность, а, следовательно, работать высокочастотный генератор будет стабильнее.

Генераторы шума

Особенностью генераторов шума является равномерность частотной характеристики в определенном диапазоне, то есть амплитуда колебаний всех частот, входящих в заданный диапазон, является одинаковой. Генераторы шума находят применение в измерительной аппаратуре для оценки частотных характеристик проверяемого тракта. Генераторы шума звукового диапазона часто дополняются корректором частотной характеристики с целью адаптации под субъективную громкость для человеческого слуха. Такой шум называется «серым».

Видео

До сих пор существует несколько областей, в которых применение транзисторов затруднено. Это мощные генераторы СВЧ диапазона в радиолокации, и там, где требуется получение особо мощных импульсов высокой частоты. Пока еще не разработаны мощные транзисторы СВЧ диапазона. Во всех других областях подавляющее большинство генераторов выполняется исключительно на транзисторах. Причин этому несколько. Во-первых, габариты. Во-вторых, потребляемая мощность. В-третьих, надежность. Вдобавок ко всему, транзисторы из-за особенностей своей структуры очень просто поддаются миниатюризации.

1.1 Назначение и виды генераторов.

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством которого энергия сторонних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой формы, частоты и мощности. Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные приборы и системы. Так, например, генераторы гармонических или других форм колебаний используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, в различных технологических установках и др. В телевизорах генераторы строчной и кадровой разверток используются для формирования светящегося экрана.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи и др. По назначению генераторы делят на технологические, измерительные, медицинские, связные. По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических (импульсных) сигналов.

По выходной мощности генератора делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (ниже 100 Вт) и мощные (свыше 100 Вт). По частоте генераторы можно разделить на следующие группы: инфранизкочастотные (менее 10Гц), низкочастотные (от 10Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100МГц) и сверхвысокочастотные (выше 100МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на операционных усилителях, на туннельных диодах, или динисторах, а по типу частотно-избирательных цепей обратной связи - на генераторы LC-, RC- и ^L-типа. Кроме того, обратная связь в генераторах может быть внешней или внутренней.

1.2 Генераторы синусоидальных колебаний

Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя,охваченного положительной обратной связью (рисунок 1). Коэффициент усиления и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. При этом входным сигналом для усилителя в схеме рис.1.1 является часть его выходного напряжения, передаваемого звеном обратной связи

Рисунок 1. Структурная схема генератора

Для возбуждения колебаний в системе рисунок 1 необходимо выполнение двух условий:

1.3 Режимы самовозбуждения генератора

Мягкий режим.

Если рабочая точка находится на участке характеристики iK(uБЭ) с наибольшей крутизной, то режим самовозбуждения называется мягким.

Проследим за изменениями амплитуды тока первой гармоники в зависимости от величины коэффициента обратной связи КОС. Изменение КОС приводит к изменению угла наклона a прямой обратной связи (рис.2)

Рисунок 2. Мягкий режим самовозбуждения

При КОС = КОС1 состояние покоя устойчиво и генератор не возбуждается, амплитуда колебаний равна нулю (рис. 2 б). Величина КОС = КОС2 = ККР является граничной (критической) между устойчивостью и неустойчивостью состояния покоя. При КОС = КОС3 > ККР состояние покоя неустойчиво, генератор возбудится, и величина Im1 установится соответствующей точке А. При увеличении КОС величина первой гармоники выходного тока будет плавно расти и при КОС = КОС4 установится в точке Б. При уменьшении КОС амплитуда колебаний будет уменьшаться по той же кривой и колебания сорвутся при коэффициенте обратной связи КОС = КОС2

В качестве выводов можно отметить следующие особенности мягкого режима самовозбуждения:

    для возбуждения не требуется большой величины коэффициента обратной связи КОС;

    возбуждение и срыв колебаний происходят при одном и том же значении коэффициента обратной связи ККР;

    возможна плавная регулировка амплитуды стационарных колебаний путем изменения величины коэффициента обратной связи КОС;

    как недостаток следует отметить большое значение постоянной составляющей коллекторного тока, что приводит к малому значению КПД.

Жесткий режим.

Если рабочая точка находится на участке характеристики iK = f (uБЭ) с малой крутизной S

Рисунок 3. Жесткий режим самовозбуждения

Возбуждение автогенератора произойдет, когда коэффициент обратной связи превысит величину КОС3 = КОСКР. Дальнейшее увеличение КОС приводит к небольшому увеличению амплитуды первой гармоники выходного (коллекторного) тока Im1 по пути В-Г-Д. Уменьшение КОС до КОС1 не приводит к срыву колебаний, так как точки В и Б устойчивы, а точка А устойчива справа. Колебания срываются в точке А, т. е. при КОС

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:

    для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи КОС;

    возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи КОС;

    амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;

    постоянная составляющая коллекторного тока меньше, чем в мягком режиме, следовательно, значительно выше КПД.

Сравнивая положительные и отрицательные стороны рассмотренных режимов самовозбуждения, приходим к общему выводу: надежное самовозбуждение генератора обеспечивает мягкий режим, а экономичную работу, высокий КПД и более стабильную амплитуду колебаний – жесткий режим.

Стремление объединить эти преимущества привело к идее использования автоматического смещения, когда генератор возбуждается при мягком режиме самовозбуждения, а его работа происходит в жестком режиме. Сущность автоматического смещения рассмотрена ниже.

Автоматическое смещение.

Сущность режима заключается в том, что для обеспечения возбуждения автогенератора в мягком режиме исходное положение рабочей точки выбирается на линейном участке проходной характеристики с максимальной крутизной. Эквивалентное сопротивление контура выбирается таким, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. В процессе нарастания амплитуды колебаний режим по постоянному току автоматически изменяется и в стационарном состоянии устанавливается режим работы с отсечкой выходного тока (тока коллектора), т. е. автогенератор работает в жестком режиме самовозбуждения на участке проходной характеристики с малой крутизной (рис. 4).

Рисунок 4. Принцип автоматического смещения автогенератора

Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы путем включения в цепь базы цепочки R Б C Б (рис. 5).

Рисунок 5. Схема автоматического смещения за счет тока базы

Начальное напряжение смещения обеспечивается источником напряжения Е Б. При возрастании амплитуды колебаний увеличивается напряжение на резисторе R Б, создаваемое постоянной составляющей базового тока I Б0 . Результирующее напряжение смещения (Е Б - I Б0 R Б) при этом уменьшается, стремясь к Е Б С Т.

В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя R Б1 , R Б2 (рис. 6).

Рисунок 6. Автоматическое смещение с помощью базового делителя

В этой схеме начальное напряжение смещения

Е Б.НАЧ. =Е К -(I Д +I Б0)R Б2 ,

где I Д =Е К /(R Б1 +R Б2) – ток делителя.

При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы IБ 0 увеличивается и смещение ЕБ уменьшается по величине, достигая значения ЕБСТ в установившемся режиме. Конденсатор СБ предотвращает короткое замыкание резистора RБ1 по постоянному току.

Следует отметить, что введение в схему генератора цепи автоматического смещения может привести к явлению прерывистой генерации. Причиной ее возникновения является запаздывание напряжения автоматического смещения относительно нарастания амплитуды колебаний. При большой постоянной времени t = RБСБ (рис. 8.41) колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным – ЕБ.НАЧ. Далее смещение начинает изменяться и может оказаться меньше той критической величины, при которой еще выполняются условия стационарности, и колебания сорвутся. После срыва колебаний емкость СБ будет медленно разряжаться через RБ и смещение вновь будет стремиться к ЕБ.НАЧ. Как только крутизна станет достаточно большой, генератор снова возбудится. Далее процессы будут повторяться. Таким образом, колебания периодически будут возникать и снова срываться.

Прерывистые колебания, как правило, относятся к нежелательным явлениям. Поэтому очень важно расчет элементов цепи автоматического смещения проводить так, чтобы исключить возможность возникновения прерывистой генерации.

Для исключения прерывистой генерации в схеме (рис. 4) величину CБ выбирают из равенства

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 7).

Рисунок 7. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Назначение элементов схемы:

    транзистор VT p-n-p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;

    колебательный контур LKCKGЭ задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость GЭ характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;

    катушка LБ обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура LК (коэффициент взаимоиндукции М);

    источники питания ЕБ и ЕК обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

    конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;

    блокировочные конденсаторы СБ1 и СБ2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

1.3 Типы генераторов

В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы:

    LC-генераторы, использующие в качестве частотно-зависимой цепи колебательный контур. Время задающим параметром в них является период собственных колебаний колебательного контура;

    RC-генераторы, у которых частотно-зависимые цепи обратной связи представляют собой сочетание элементов R и С (мост Вина, двойной T-об­разный мост, сдвигающие RC-цепи др.). Время задающим параметром здесь служит время заряда, разряда или перезаряда конденсатора;

    генераторы с электромеханическими резонаторами (кварцевыми, магнитострикционными), в которых времязадающим параметром является период собственных колебаний резонирующего элемента.

1.3.1 RC-генераторы

RC-генераторы основаны на использовании частотно-избирательных RC-цепей и выполняются по структурной схеме, приведенной на рис.1.

Различают RC-генераторы с фазосдвигающими и мостовыми RC-це­пями.

1.3.2 Схема трёхзвенной RC-цепи

RC-генераторы с фазосдвигающей цепью представляют собой усили­тель с поворотом фазы на 180°, в котором для выполнения условия баланса фаз включена цепь обратной связи, изменяющая на частоте генерации фазу выходного сигнала также на 180°. В качестве фазосдвигающей цепи обратной связи обычно используются трехзвенные RC-цепи (реже четырех­звенные). Схема такой цепи приведена на рис.8.

Рисунок 8. Схема трёхзвенной RC-цепи

Фазосдвигающая цепь существенно уменьшает сигнал обратной связи, поступающий на вход усилителя. Поэтому для трехзвенных RC-цепей ко­эффициент усиления усилителя должен быть не менее 29. Тогда будет вы­полнено также второе условие возникновения колебаний - условие баланса амплитуд.

При одинаковых сопротивлениях резисторов R и емкостей конденсато­ров C колебаний генератора с фазосдвигающей цепью определяется фор­муле:

Для изменения частоты колебаний достаточно изменить сопротивление или емкость в фазосдвигающей RC-цепи.

1.3.3 Мост Вина

R 3

З мостовых частотно-избирательных RC-цепей наибольшее распро­странение получил мост Вина (рис.9.).

R 4

Рисунок 9. Мост Вина

Условие баланса фаз обеспечивается здесь при одной ча­стоте, на которой выходной сигнал моста совпадает по фазе с входным.

Частота генерации равна частоте настройки моста и определяется со­отношением:

Регулировка частоты в генераторе с мостом Вина проста и удобна, при­чем возможна в широком диапазоне частот. Ее осуществляют с помощью сдвоенного конденсатора переменной емкости или сдвоенного переменного резистора, включенного в схему вместо постоянных конденсаторов C или резисторов R.

Так как коэффициент передачи моста Вина на частоте генерации со­ставляет 1/3, то коэффициент усиления усилителя должен быть равен 3. То­гда в генераторе с мостом Вина возникает устойчивая генерация.

1.3.4 Схема двойного Т-образного моста

Кроме того, в RC-генераторах находит также применение двойной Т-образный мост (рис.10).

Рисунок 10. Схема двойного Т-образного моста

Для стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора ис­пользуются различные нелинейные элементы: терморезисторы, фоторези­сторы, лампы накаливания, диоды, светодиоды, стабилитроны, полевые транзисторы и др. Применяют также строго регулируемую обратную связь.

RC-генераторы характеризуются хорошей стабильностью, легко пере­страиваются и позволяют получать колебания с очень низкими частотами (от долей герц до нескольких килогерц). Стабильность частоты колебаний. RC-генераторов в большей степени зависит от качества R и С элементов, чем от структуры частотно-избирательной цепи и характеристик усилителя. Наилучшими показателями обладают RC-генераторы, в которых осуществ­ляется дополнительная стабилизация частоты колебаний с помощью квар­цевых резонаторов.

1.3.6 Схема генератора с мостом Вина на ОУ

На рисунке 6 показана схема с мостом Вина, одно плечо которого образовано резистивным делителем напряжения , , а другое – дифференцирующей , и интегрирующей , цепями. Коэффициент передачи с выхода фазозадающей цепи , , , на неинвертирующий вход ОУ на резонансной частоте равен 1/3. Для выполнения баланса амплитуд коэффициент передачи усилителя с выхода на неинвентирующий вход должен быть равен трем, т. е. необходимо выполнить условие =. Для выполнения баланса фаз постоянная вре­мени дифференцирующей цепи должна быть равна постоянной времени интегрирующей цепи, т. е. =.

Для улучшения самовозбуждения, стабилизации амплитуды колебаний и уменьшения нелинейных искажений в схеме необходимо использовать усилитель с регулируемым коэффициентом передачи или на выходе ОУ включить нелинейный ограничитель напряжения.

Рисунок 11. Схема генератора с мостом Вина на ОУ

1.4 Генератор LC-типа

Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур. Для создания ПОС используется трансформаторная связь между обмотками W1(имеющей индуктивность L) и W2 (рис. 12).

Рисунок 12. Генератор LC-типа

1.5 Мощные усилительные каскады.

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка и мощность рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков - сотен Вт. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными, рассчитывают по заданным значениям и . Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности .

Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах A, B или AB. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.

В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме A. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его частотные характеристики.

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей.

Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме B или АВ и включенных по схемам с ОК или ОЭ. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, либо транзисторов с разным типом электропроводности. Каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом электропроводности (p-n-p и n-p-n), называются каскады с дополнительной симметрией.

По способу подключения нагрузки различают две разновидности схем: спитанием от одного источника и с питанием от двух источников.

1.6 Классификация выходных усилителей мощности

Рассмотрю классификацию усилителей по режиму работы, т. е. по величине тока, протекающего через транзисторы усилителя в отсутствие сигнала.

1.6.1 Усилители класса А

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.

1.6.2 Усилители класса В

Если изменить смещение эмиттерного перехода так, что рабочая точка совпадает с точкой отсечки, то мы получим режим усиления класса В. Для этого на базу транзистора типа n-p-n нужно подать более отрицательное напряжение, чем в режиме класса А (для транзисторов типа p-n-p режим класса В обеспечивается подачей на базу более положительного напряжения, чем в режиме класса А). В любом случае для режима класса B прямое смещение эмиттерного перехода уменьшается и транзистор запирается.

Если усилительный каскад класса B включает лишь один транзистор, нелиней­ные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирую­щий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную полуволну входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для воссоздания на выходе сигнала, полностью сходного по форме с входным сигналом, можно использовать два транзистора (по одному на каждую полуволну входного сигнала), комбинируя их по так называемой двухтактной схеме.

Амплитуда напряжения выходного сигнала несколько меньше величины напряжения источника питания. Поскольку в режиме класса B ток протекает через транзистор лишь полпериода, появляется возможность увеличить вдвое (по сравнению с режимом класса А) коллекторный ток при той же средней мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Амплитуда выходного напряжения усилителя класса B равна двойной амплитуде выходного напряжения усилителя класса A. Таким образом, двухтактный транзисторный каскад в режиме класса B позволяет получить выходное напряжение, вдвое большее, чем в режиме класса А.

1.6.3 Усилители класса АВ

Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Класс AB является наиболее экономичным для УНЧ, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток. Это объясняется тем, что в рабочей точке транзисторы заперты и коллекторный ток протекает лишь при поступлении входного сигнала. Однако, усилители класса B искажают форму сигнала.

В реальном усилителе класса B транзистор при очень малых уровнях входного сигнала остается запертым (так как вблизи отсечки транзистор имеет весьма малый коэффициент усиления тока) и резко открывается с увеличением сигнала.

Нелинейные искажения можно уменьшить, если вместо режима класса B использовать класс АВ (или что то среднее между В и АВ). Для этого транзистор несколько отпирают, так чтобы в рабочей точке в коллекторной цепи протекал небольшой ток. Класс АВ менее экономичен, чем класс B, так как потребляет­ся большим ток от источника питания. Обычно класс АВ используют лишь в двухтактных схемах.

1.6.4 Усилители класса С

Режим класса C получают смещением транзистора в обратном направлении, значительно левее точки отсечки. Часть входного сигнала затрачивается для обеспечения прямого смещения эмиттерного перехода. В результате коллекторный ток протекает в течение лишь части одного полупериода входного напряжения. Отрицательная полуволна входного напряжения лежит в области глубокой отсечки транзистора. Так как коллекторный ток протекает лишь в течение некото­рой части положительного полупериода, то длительность импульса коллекторного тока существенно меньше полупериода входного сигнала

Очевидно, форма выходного сигнала отличается от входного и она не может быть восстановлена теми методами, которые используются в двухтактных усилителях классов B и АВ. По этой причине режим класса C применяется только тогда, когда искажения сигнала не имеют значения. Как правило, режим работы класса C используется в высокочастотных усилителях и не находит применения в УНЧ.

1.7 Схемотехнические решения мощных усилительных каскадов.

Усилители мощности на транзисторах одной проводимости.

При питании каскада от двух источников , и, имеющих общую точку, нагрузка включается между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов , и общей точкой источников питания. Режим работы транзисторов обеспечивается делителями , , и . Управление транзисторами осуществляется противофазными входными сигналами и, для получения которых предыдущий каскад должен быть фазоинверсным.

Принцип работы каскада по схеме рисунок 13 состоит в поочередном усилении полуволн входного сигнала. Если в первом такте отрицательную полуволну усиливает транзистор , при этом транзистор заперт положительной полуволной, то во втором такте вторая полуволна сигнала усиливается транзистором при закрытом транзисторе .

При питании каскада от одного источника , (рис. 14) нагрузка подключается через разделительный электролитический конденсатор достаточно большой емкости, а в остальном схема аналогична предыдущей.

Рисунок 13. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости

Принцип работы схемы заключается в следующем. При отсутствии и конденсатор заряжен до напряжения . Именно при таком напряжении на конденсаторе наступает режим покоя. В такте работы (открытого состояния) , по нагрузке течет ток , который дозаряжает конденсатор . В такте работы , конденсатор разряжается, и по нагрузке течет ток . Таким образом, на нагрузке реализуется биполярный сигнал.

В рассмотренных схемах транзисторы , и имеют разное включение: - по схеме OK, а - по схеме ОЭ. Поскольку при этих двух схемах включения транзисторы имеют различные коэффициенты усиления по напряжению, то без принятия дополнительных мер получается асимметрия выходного сигнала. Уменьшения асимметрии сигнала, в частности, можно достичь соответствующим выбором коэффициентов усиления по двум выходам предыдущего фазоинверсного каскада. Можно уменьшить асимметрию и применением отрицательной обратной связи, охватывающей выходной и предвыходной каскады.

Рисунок 14. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости c однополярным питанием

Усилители мощности на транзисторах разной проводимости, включенных по схеме с ОК.


Рисунок 15. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах разной проводимости

На рис. 15 изображена схема каскада с питанием от двух источников (возможна реализация схемы с однополярным питанием). При использовании в этой схеме комплементарных пар транзисторов типов n-p-n и p-n-p отпадает необходимость в подаче двух противофазных входных сигналов. При положительной полуволне сигнала открыт транзистор и закрыт , при отрицательной полуволне, наоборот, открыт и закрыт . В остальном работа схемы рис. 15 аналогична работе соответствующих схем рис. 14 и рис. 13. Отличительной особенностью рассмотренных схем является то, что коэффициент усиления каскада по напряжению всегда меньше 1, а выходной сигнал имеет меньшую асимметрию, так как оба транзистора включены по одинаковой схеме с ОК.

Для того что бы усилитель мощности перевести в режим АВ для снижения нелинейных искажения, базы разделяют между собой парой диодов, которые обеспечивают смещение для транзисторов, при котором в них течёт ток в режиме покоя (рис 16).

R 1

R 2

Рисунок 16. Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ

На рисунке 17 приведена схема бестрансформаторного усилителя мощности с двухтактным выходным каскадом на МДП – транзисторах с индуцированными каналами типа n (VT2) и типа p (VT3). Подложка обычно соединяется с истоком внутри мощных МДП – транзисторов. Полевые транзисторы вносят меньше нелинейных искажений и не подвержены тепловой неустойчивости. Пороговое напряжение стокозатворной характеристики современных мощных МДП – транзисторов с индуцированным каналом близко к нулю. Недостатком их являются повышенное остаточное напряжение и производственный разброс параметров, однако по мере совершенствования технологии они уменьшаются.

Рисунок 17. Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ на ПТ

    Выбор электрической схемы электронного устройства и её описание

Схема состоит их двух каскадов: первый каскад RC-генератор на мосте Вина, второй каскад – усилитель мощности класса АB.

Мост Вина подключён к неинвертирующему входу ОУ.

Пусть , тогда частота сигнала будет определятся по формуле:

Для того что бы в генераторе с мостом Вина установились колебания, усилитель должен иметь коэффициент усиления больше 3. Коэффициент усиления задаётся резисторами . Следовательно, должно выполнятся условие:

Диоды включённые параллельно служат для стабилизации амплитуды генерируемых сигналов (т.е вводят симметричную нелинейную обратную связь).

Достоинства RC-генератора с мостом Вина:

Основным недостатком является то, что выходное напряжение достигает напряжения шин питания, что вызывает насыщение выходных транзисторов ОУ и создаёт значительные искажения.

Второй каскад – двухтактный бестрансформаторный каскад с полевыми МДП - транзисторами разных типов проводимостей.

МДП – транзистор VT1 обладает n-типом проводимости, а транзистор VT2 – р - типом. Если между затворами и истоками транзисторов будет подано напряжение положительной полярности, то транзи­стор VT2 будет закрыт, а транзистор VT1 будет открыт, и ток поте­чёт по цепи от плюса источника питания E1 сток-исток транзисто­ра VT1, по нагрузке, к отрицательному полюсу источника питания E1. А если будет подано напряжение затвор-исток отрицательной полярности, то транзистор VT1 будет закрыт, а транзистор VT2 будет открыт, и ток потечёт по цепи от плюса источника питания E2 по нагрузке, исток-сток транзистора VT2, к отрицательному полюсу источника питания E2. Поступление на вход сигнала с напряжени­ем то положительной, то отрицательной полярностей приводит то к запиранию одного транзистора и отпиранию другого, то наоборот. Другими словами транзисторы функционируют в противофазе. Транзисторы VT1 и VT2 выбирают так, чтобы их параметры и ха­рактеристики в рабочей области были как можно более близкими.

Достоинства:

возможно получение высокого КПД, при правиль­ном выборе транзисторов нелинейные искажения малы;

каскад развивает большую максимальную выходную мощность, по сравнению с однотактным каскадом с таким же транзистором;

из-за отсутствия трансформаторов нет жестких ограничений на частотный диапазон усиливаемых сигналов;

кроме того, без громоздких и тяжелых трансформаторов получают малые массу, габариты и низкую стои­мость устройства.

Недостатки:

необходимость тщательного выбора транзисторов и стремительное их разрушение при перегрузке выходного каскада, в случае, если в нём не предусмотрена система защиты по току.

Рисунок 18. RC-генератор с мощным выходным каскадом

РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

3.1 Расчет усилителя мощности

где - амплитудное значение напряжения на сопротивлении нагрузки ;

Амплитудное значение тока на сопротивлении нагрузки ;

Мощность на нагрузке.

Напряжение источника питания одной половины выходного каскада при биполярном питании определяется исходя из амплитуды выходного сигнала, при этом величина напряжение выбирается минимум на n В больше , поскольку нужно учитывать остаточное напряжение, а у полевых транзисторов оно может достигать единицы вольт:

Максимальная мощность, рассеиваемая одним транзистором определяется:Так как транзисторы являются комплементарными, то достаточно рассчитать одно плечо усилителя. . Пусть

    соберём электронное устройство в MicroCap.

    измерим выходное напряжение,

    измерим выходной ток,

    определим частоту сигнала,

    определим мощность на нагрузке,

    сравним с условиями технического задания,

    сделаем вывод.

Схема подключения осциллографа:

Рисунок 4.1 Схема испытаний RC-генератора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы была рассмотрена методика разработки электронного устройства на примере RC-генератора с мостом Вина и мощным выходным каскадом. Полученное устройство удовлетворяет всем условиям технического задания.

Данное устройство может быть использовано как, RC-генератор с мощным выходным каскадом, частотой генерации мощность выходного каскада , сопротивление нагрузки электронным устройством на ... генератора : - RC - внешний RC генератор - INTOSC - внутренний RC генератор ...

  • Разработка электронного кодового замка

    Курсовая работа >> Коммуникации и связь

    Данном курсовом проекте осуществляется разработка электронного кодового замка для наружной... из требований, предъявленных к устройству выше, электронный кодовый замок должен включать... генератором рабочей частоты. Такое устройство не требует подачи на ...

  • Счетное устройство видеоимпульсов на ПЛИС

    Дипломная работа >> Физика

    Работа посвящена разработке электронного устройства считающего число... устройства на ПЛИС. По тактам генератора будет работать счетное устройство . Был выбран генератор ... производится линией RS , если RS = 0 ... 1. Вот пример широко распространенной последовательности...

  • Программно-аппаратный комплекс для проведения специальных комплексных проверок электронных устройств

    Дипломная работа >> Коммуникации и связь

    И их состояние. Пример выбора цепей и их... и генератора тактовых импульсов. Микроконтроллер реализован на микросхеме... согласно протоколу RS -232. Согласно... Разработка программно-аппаратного комплекса для проведения специальных проверок электронных устройств ...

    • RC -генератором называют генератор гармонических колебаний, в котором вместо колебательной системы, содержащей элементы L и С , применяется резистивно-емкостная цепь (RC -цепь), обладающая частотной избирательностью.

    Исключение из схемы катушек индуктивности позволяет существенно уменьшить габариты и массу генератора, особенно на низких частотах, так как с понижением частоты резко увеличиваются размеры катушек индуктивности. Важным достоинством RC -генераторов по сравнению с LC -генераторами является возможность их изготовления по интегральной технологии. Однако RC -генераторы имеют низкую стабильность частоты генерируемых колебаний, обусловленную низкой добротностью RC -цепей, а также плохую форму колебаний в силу плохой фильтрации высших гармоник в спектре выходного колебания.

    RC -генераторы могут работать в широком диапазоне частот (от долей герца до десятков мегагерц), однако нашли применение в аппаратуре связи и измерительной технике преимущественно на низких частотах.

    Основы теории RC -генераторов были разработаны советскими учеными В. П. Асеевым, К. Ф. Теодорчиком, Э. О. Сааковым, В. Г. Криксуновым и др.

    RC -генератор обычно включает в себя широкополосный усилитель, выполненный на лампе, транзисторе или интегральной схеме и RC -цепь обратной связи, обладающую избирательными свойствами и определяющую частоту колебаний. Усилитель компенсирует потери энергии в пассивных элементах и обеспечивает выполнение амплитудного условия самовозбуждения. Цепь обратной связи обеспечивает выполнение фазового условия самовозбуждения только на одной частоте. По виду цепи обратной связи RC -генераторы делятся на две группы:

      с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи;

      со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180.

    Для улучшения формы генерируемых колебаний в RC -генераторах применяют элементы, обладающие нелинейностью, которые ограничивают нарастание амплитуды колебаний. Параметры такого элемента изменяются в зависимости от амплитуды колебаний, а не от их мгновенных значений (терморезистор, сопротивление которого зависит от степени нагрева проходящим через него током). При таком ограничении форма колебаний не меняется, они остаются гармоническими и в стационарном режиме.

    Рассмотрим оба типа RC -автогенераторов.

    Автогенератор со сдвигом фазы на 180 в цепи обратной связи.

    Такой автогенератор еще называют автогенератором с трехзвенной цепью RC .

    В схемах RC -генераторов со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180 используются усилители, инвертирующие фазу входного напряжения. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с инвертирующим входом, однокаскадный усилитель или многокаскадный усилитель с нечетным числом инвертирующих каскадов.

    Для того, чтобы выполнялось уравнение баланса фаз, цепь обратной связи должна обеспечить фазовый сдвиг ОС = 180.

    Для обоснования структуры цепи обратной связи воспроизведем фазочастотные характеристики простейших RC -звеньев (рис. 3,4).

    Рис. 3 Вариант RC -звена и его ФЧХ

    Рис. 4 Вариант RC -звена и его ФЧХ

    Из графиков видно, что одно простейшее RC -звено вносит сдвиг фаз, не превышающий 90. Поэтому сдвиг по фазе величиной 180 можно осуществить путем каскадного соединения трех элементарных RC -звеньев (рис.5).

    Рис. 5 Схемы и ФЧХ трехзвенных RC -цепей

    Элементы RC -цепи рассчитываются так, чтобы на частоте генерации получить сдвиг фаз 180. Один из вариантов генератора с трехзвенной цепью RC показан на рисунке 6

    Рис. 6 Генератор с трехзвенной цепью RC

    Генератор состоит из резистивного усилителя на транзисторе и цепи обратной связи. Однокаскадный усилитель с общим эмиттером осуществляет сдвиг фазы между напряжением на коллекторе и базе К = 180. Следовательно, для выполнения баланса фаз цепь обратной связи должна обеспечивать на частоте генерируемых колебаний ОС = 180.

    Проведем анализ цепи обратной связи, для чего составим систему уравнений по методу контурных токов.

    Решая полученную систему относительно коэффициента обратной связи, получим выражение

    Из выражения следует, что фазовый сдвиг 180 получается в том случае, когда будет вещественной и отрицательной величиной, т. е.

    следовательно, генерация возможна на частоте

    На этой частоте модуль коэффициента обратной связи

    Это означает, что для возбуждения автоколебаний коэффициент усилителя должен быть больше 29.

    Выходное напряжение генератора обычно снимают с коллектора транзистора. Для получения колебаний гармонической формы в цепь эмиттера включен терморезистор R Т с положительным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении амплитуды колебаний сопротивление R Т возрастает и увеличивается глубина отрицательной обратной связи в усилителе по переменному току, соответственно, падает коэффициент усиления. Когда наступает стационарный режим колебаний (К = 1), усилитель остается линейным и искажения формы коллекторного тока не происходит.

    Автогенератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи.

    Характерной особенностью схем RC -генераторов с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи является использование в них усилителей, не инвертирующих фазу входного сигнала. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с неинвертирующим входом или многокаскадный усилитель с четным числом инвертирующих каскадов. Рассмотрим некоторые возможные варианты цепей обратной связи, обеспечивающих нулевой фазовый сдвиг (рис. 7).

    Рис. 7 Варианты цепей ОС, обеспечивающие нулевой фазовый сдвиг

    Они состоят из двух звеньев, одно из которых представляет RС -звено с положительным фазовым сдвигом, а второе – с отрицательным сдвигом фазы. В результате сложения ФЧХ на определенной частоте (частоте генерации) можно получить фазовый сдвиг, равный нулю.

    На практике наиболее часто в качестве избирательной цепи с нулевым фазовым сдвигом применяют фазобалансный мост, или по-другому мост Вина (рис. 7 в), применение которого показано в схеме RC -генератора с нулевым фазовым сдвигом, выполненного на операционном усилителе (рис. 8).

    Рис. 8 RC -генератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи ОС

    В этой схеме напряжение с выхода усилителя подается на его неинвертирующий вход через цепь обратной связи, образованную элементами моста Вина R 1 C 1 и R 2 C 2 . Резистивная цепочка RR Т образует еще одну обратную связь – отрицательную, которая предназначена для ограничения нарастания амплитуды колебаний и сохранения их гармонической формы. Напряжение отрицательной обратной связи поступает на инвертирующий вход операционного усилителя. Терморезистор R Т должен иметь отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

    Коэффициент передачи цепи обратной связи

    должен быть вещественной и положительной величиной, а это возможно при выполнении равенства

    Отсюда определяется частота генерируемых колебаний. Если R 1 = R 2 =R , C 1 = C 2 = C , то

    Амплитудное условие самовозбуждения на частоте 0 требует выполнения неравенства

    При равенстве R 1 = R 2 = R и C 1 = C 2 = C коэффициент усиления К > 3.

    Частоту колебаний можно изменять путем изменения сопротивлений R или емкостей конденсаторов С , входящих в состав моста Вина, а амплитуда колебаний регулируется сопротивлением R .

    Основное преимущество RC -генераторов перед LC -генераторами заключается в том, что первые легче реализовать для низких частот. Например, если в схеме генератора с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи (рис. 8) R 1 = R 2 = 1 МОм, C 1 = C 2 = 1 мкФ, то генерируемая частота

    .

    Чтобы получить такую же частоту в LC -генераторе, потребовалась бы индуктивность L = 10 16 Гн при С = 1 мкФ, что трудно осуществить.

    В RC -генераторах можно, изменяя одновременно величины емкостей С 1 и С 2 , получить более широкий диапазон перестройки частоты, чем это имеет место в LC -генераторах. Для LC -генераторов

    в то время как для RC -генераторов, при С 1 = С 2

    К недостаткам RC -генераторов следует отнести тот факт, что на относительно высоких частотах они труднее реализуются, чем LC -генераторы. Действительно, величину емкости нельзя снизить меньше емкости монтажа, а уменьшение сопротивлений резисторов приводит к падению коэффициента усиления, что затрудняет выполнение амплитудного условия самовозбуждения.

    Перечисленные достоинства и недостатки RC -генераторов обусловили их применение в низкочастотном диапазоне с большим коэффициентом перекрытия по частоте.

    Генераторы с колебательным контуром незаменимы как источники синусоидальных высокочастотных колебаний. Для генерирования колебаний с частотами меньше 15…20 кГц они неудобны, так как колебательный контур получается слишком громоздким.

    Другим недостатком низкочастотных LC – генераторов является трудность их перестройки в диапазоне частот. Все это обусловило широкое применение на указанных выше частотах RC- генераторов, в которых вместо колебательного контура используются частотные электрические RC-фильтры. Генераторы этого типа могут генерировать достаточно стабильные синусоидальные колебания в относительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Они имеют малые размеры и массу, причем эти преимущества RC- генераторов наиболее полно проявляются в области низких частот.

    4.2 Структурная схема rc-генератора

    Данная схема изображена на рис. № 7.

    Рис.№ 7. Структурная схема RC-автогенератора.

    Схема содержит усилитель 1, нагруженный резистором и получающий питание от источника постоянного напряжения 3. Для самовозбуждения усилителя, т.е. для получения незатухающих колебаний, необходимо подать на его вход часть выходного напряжения, превышающее входное (или равное ему) и совпадающее с ним по фазе. Иначе говоря, усилитель необходимо охватить положительной обратной связью, причем четырехполюсник обратной связи 2 должен иметь достаточный коэффициент передачи. Эта задача решается в том случае, когда четырехполюсник 2 содержит фазосдвигающую цепь, состоящую из резисторов и конденсаторов сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями 180 0 .

    4.3 Принцип работы фазосдвигающей цепи

    Схема которой показана на рис. № 8а, иллюстрируется с помощью векторной диаграммы рис. № 8б.

    Рис.8. Фазосдвигающие цепи: а- принципиальная схема; б- векторная диаграмма; в,г- трехзвенные цепи

    Пусть ко входу этой цепи RC подведено напряжение U1. Оно вызывает в цепи ток I, создающий падения напряжения на конденсаторе

    (где ω-частота напряжения U1) и на резисторе U R =IR, которое одновременно является выходным напряжением U2. При этом угол сдвига фаз между током I и напряжением Uс равен 90 0 , а между током I и напряжением U R – нулю. Вектор напряжения U1 равен геометрической сумме векторов U C и U R и составляет с вектором U2 угол φ. Чем меньше емкость конденсатора С, тем ближе угол φ к 90 0 .

    4.4 Условия самовозбуждения rc – автогенератора

    Наибольший угол φ, который можно получить при изменении значений элементов RC- цепи, близок к 90 0 . Практически элементы схемы R и C подбирают так. Чтобы угол φ=60 0 . Следовательно, для получения угла сдвига фаз φ=180 0 , необходимого для выполнения условия баланса фаз. Требуется последовательно включить три звена RC.

    На рис. № 8 в,г показаны два варианта схем трехзвенных фазосдвигающих цепей. Сдвиг фаз между выходным и входным напряжением на угол 180 0 при R1=R2=R3=R и C1=C2=C3=C обеспечивается на частотах: f 01 ≈(в схеме на рис. № 8в) и f 02 ≈(в схеме на рис. № 8г), где R выражено в омах, C- в фарадах, а f 0 - в герцах. Значения f 01 и f 02 одновременно частоту автоколебаний.

    Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя К ус не должен быть меньше коэффициента передачи цепи обратной связи К о.с. =. Расчеты показывают, что для приведенных схем К о.с =. Таким образом, автоколебания в RC- генераторах, содержащих трехзвенные фазосдвигающие цепи с одинаковыми звеньями, возможно лишь при выполнении условий

    f авт = f 01 (или f авт = f 02); К ус ≥29.

    Генераторы синусоидальных колебаний выполняют с колебательным LC-контуром и частотно-зависимыми RC-цепями. LC-генераторы предназначены для генерирования сигналов высокой частоты (свыше нескольких десятков килогерц), а RC-генераторы используются на низких частотах (вплоть до единиц герц).

    Генераторы LC-типа основаны на использовании избирательных LC-усилителей, обладающих узкой полосой пропускания. Условия для генерирования синусоидальных колебаний (8.1) и (8.2) создаются для частоты настройки f 0 колебательного контура, когда его сопротивление является чисто активным. Предпосылкой выполнения соотношения (8.1) для частоты f 0 служит изменение фазового сдвига j у , вносимого усилителем при отклонении частоты от резонансной, так как сопротивление резонансного контура перестает быть активным и приобретает реактивный (индуктивный или емкостный) характер. Справедливость соотношения (38) для резонансной частоты обусловливается максимальным значением коэффициента усиления на частоте f 0 .

    Схемная реализация LC-генераторов достаточно разнообразна. Они могут отличаться способами включения в усилитель колебательного LC-контура и создания положительной обратной связи. Одна из схем LC-генераторов приведена на рис. 8.2.

    Усилительный каскад выполнен на транзисторе VT , включенном по схеме ОЭ. Элементы R1, R2, R э, С э предназначены для задания режима покоя и температурной стабилизации. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора через разделительный конденсатор С р2 .

    Параметрами колебательного контура являются емкость конденсатора С и индуктивность первичной обмотки w 1 трансформатора. Сигнал обратной связи снимается с вторичной обмотки w 2 , индуктивно связанной с обмоткой w 1 , и через разделительный конденсатор С р1 подается на вход транзистора. Необходимая фазировка напряжения обратной связи достигается соответственным подключением концов вторичной обмотки. Соотношение чисел витков первичной и вторичной обмоток w 1 /w 2 >1.

    Если принять индуктивную связь М обмоток w 1 и w 2 идеальной, то для обеспечения баланса амплитуд необходимо, чтобы коэффициент передачи тока транзистора β в точке покоя удовлетворял соотношению β ≥ w 1 /w 2 .

    Частота f генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура

    Зависимость параметров L и С и параметров транзистора от температуры приводит к температурной зависимости частоты f . В условиях постоянства температуры нестабильность частоты вызвана изменением дифференциальных параметров транзистора от изменения положения точки покоя усилительного каскада.

    Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности d f = Df/f * 100 %, где Df – абсолютное отклонение частоты от номинального значения f . Коэффициент относительной нестабильности частоты транзисторных LC-генераторов без принятия специальных добавочных мер стабилизации составляет единицы процента. Наибольшая стабильность частоты с коэффициентом d f = (10 -3 ¸ 10 -5) % достигается при использовании в генераторах кварцевого резонатора.

    Генераторы LC-типа реализуют в виде гибридных интегральных микросхем, в которых реактивные элементы L и C применяют в качестве навесных.

    Генераторы на частоты ниже нескольких десятков килогерц строят с помощью частотно-зависимых RC-цепей. В качестве усилительного звена обычно используют операционные усилители в интегральном исполнении. Схемы генераторов на ОУ приведены на рис. 8.3.

    Принцип работы простейшего RC-генератора синусоидальных колебаний (рис. 8.3, а) заключается в том, что на определенной частоте фазовый сдвиг трех звеньев RC-цепи составляет j w = 180° .


    Если такую цепь включить между выходом и инвертирующим входом ОУ, то общий фазовый сдвиг будет равен 360°, т.е. образуется положительная обратная связь. Частоту f 0 , при которой угол j w = 180 °, называют квазирезонансной. С параметрами R и C (R1 = R2 = R3||R 0 = R , C1 = C2 = C3 = C ) она связана соотношением

    Такая цепочка ослабляет сигнал в 29 раз, поэтому для создания устойчивых колебаний необходимо, чтобы усилитель имел коэффициент усиления К ≥ 29. Тогда будет выполняться условие баланса амплитуд |Ќ||ẁ| ≥ 1 . Эту задачу решают выбором сопротивлений резисторов R 0 и R ос (К = R ос /R 0 ≥ 29 ).

    Из RC-цепей, не осуществляющих сдвига по фазе передаваемого сигнала на квазирезонансной частоте, наибольшее распространение получила схема моста Вина. Схема генератора синусоидальных колебаний на ОУ с мостом Вина показана на рис. 8.3, б. Звено частотно-зависимой обратной связи C1 , R1 , C2 , R2 (мост Вина) включено между выходом и прямым входом ОУ. Элементы R 0 и R ос предназначены для получения требуемого коэффициента усиления усилительного звена.

    На частоте генерации f 0 коэффициент передачи моста Вина w = 1/3, поэтому самовозбуждение генератора возможно при К > 3. Для неинвертирующего усилителя, который применяется в данной схеме, это соответствует выбору R ос /R 0 ≥ 3.