8. Генератор двухкаскадный

Колебания представляют собой периодический сигнал, повторяющийся с определенной частотой. Три типа колебаний показаны на рис. 8.1.

Генера­тором является схема, рассчитанная для создания таких колебаний. Сущест­вует множество типов генераторов, но мы разделим их на три категории:

Высокочастотные синусоидальные генераторы.

Низкочастотные синусоидальные генераторы.

Генераторы прямоугольных импульсов, или цифровые генераторы.

Рис.8.1

Первые два типа создают колебания синусоидальной формы (рис. 8.1 а) цифровые генераторы генерируют прямоугольные импульсы (рис. 8.1 б). Может показаться, что генератор - это схема, которая создает какие-то колебания из ничего - выходной сигнал существует при отсутствии входного, т. е. ничего, кроме мощности от источника питания постоянного тока, на схему не подается. Генератор полезных колебаний формирует сигнал специ­альной формы и определенной частоты, которой он может управлять. Генераторы синусоидальных колебаний используются для генерации тестовых сигна­лов, для получения частот радиопередатчиков и в радиоприемниках. Приме­ром может служить гетеродин радиоприемника. Генераторы прямоугольных импульсов часто служат источниками синхронизирующих сигналов, исполь­зуемых для синхронизации и управления работой цифровых схем и компьютеров.

Паразитные колебания (рис. 8.1 в) - это нежелательные, неуправляемые колебания, возникающие в схемах, не рассчитанных для работы в режиме генерации. Их форма не обязательно синусоидальная (рис. 8.1 в). Паразит­ные колебания наиболее часто возникают в усилителях с высоким коэффи­циентом усиления, и разработчики этих усилителей прилагают значительные усилия для их устранения. Например, двухкаскадный усилитель на биполярных транзис­торах, который имеет коэффициент усиления около 25 000, если пренебречь уменьше­нием за счет входной цепи. Если эта схема собрана в лаборатории, она будет почти наверняка генерировать и поэтому окажется бесполезной как усилитель. От инженеров часто можно слышать жалобы: «Если я собираю генератор, получается усилитель; если же я собираю усилитель, получается генератор».

Г енераторами называются электронные схемы, формирующие переменные напряжения требуемой формы. Генератор можно получить из усилителя, охватив его положительной ОС. Автогенераторами называют генераторами с независимым возбуждением.

Усиление – это процесс преобразования энергии источника питания по закону входного сигнала, а генераторы осуществляют преобразование энергии источника питания в переменное напряжение требуемой частоты.

Для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

баланс фаз – фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем и звеном ПОС должны быть кратны .

баланс амплитуд – произведение коэффициента усиления и коэффициента ОС , т.е. усилитель должен компенсировать все потери с цепи ОС.

К роме того, для получения сигнала неискаженной формы необходимо, чтобы . Если происходит затухание колебаний, если , то возникает прогрессирующее нарастание амплитуды сигнала на входе и выходе до ее ограничения, обусловленного напряжением источников питания и форма сигнала отлична от синусоидальной.

Равенство соответствует установившемуся режиму и возможно только при некотором соотношении коэффициентов ООС и ПОС.

Рассмотрим далее некоторые схемы на ОУ и на операционных усилителях.

Генератор синусоидальных колебаний на ОУ (рис.8.2)

Б аланс фаз означает, что колебания в замкнутой системе могут возобновляться только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы ОС и фаза входного напряжения совпадают. Баланс амплитуд означает, что для возбуждения генератора усилителю необходимо компенсировать потери в схеме ОС.

Регулируя , добиваемся равенства ПОС и ООС, что выражается в наличии на выходе незатухающих и неискаженных гармонических колебаний.

Рис.8.2 LC-генератор

Недостаток: большие масса и объем для частот ниже нескольких кГц.

Для получения колебаний низкой частоты (менее 1 кГц) приходится использовать большие значения L и C, что увеличивает габариты и массу устройства. Для этого используют LC-генератор с мостом Вина(рис8.3).

М ост Вина не осуществляет сдвига фаз на резонансной частоте. Для возникновения незатухающих колебаний необходимо выполнение следующих условий:

Рис.8.3 LC-генератор с мостом Вина

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается R3 (термистор) или увеличивается R4 (позистор).

С табильность такого генератора , а если необходима более высокая стабильность , используется кварцевый генератор(рис8.4).

Условие баланса амплитуд:

Рис.8.4 Кварцевый генератор

RC-генераторы

Д ля получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют RC-генераторы.

Представленная RС-цепь не осуществляет сдвига по фазе передаваемого сигнала на квазирезонансной частоте, т.е. .

Эта схема включается между выходом усилителя и неинвертирующим входом ОУ. Элементу и предназначены

для получения требуемого коэффициента

Рис.8.5 RC-генератор

усиления. В схеме возникают автоколебания при соотношении , частота которых определяется формулой Если и , то частоту автоколебаний определяют из соотношения , причем должно быть выполнено условие .

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление или увеличивается . Поэтому вместо включается миниатюрный полупроводниковый терморезистор или вместо - металлический терморезистор.

Д ругое представление схемы:

(рис.8.6).

Рис.8.6

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R₂Cln(1+ ), при R₃=R₄ t_и=t_п=R₂Cln3, период Рис.8.7Мультивибраторы: а), б)

повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q= . Изменяя =R₂C и величины R₃, R₄, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Предположим, что на выходе напряжение +12В, а на неинвертирующем входе +2В. Конденсатор заряжается через до +2В. Так как напряжение на инвертирующем входе становится больше, чем на неинвертирующем входе, происходит переброс триггера Шмита, на выходе устанавливается максимальное отрицательное напряжение (-12В), на неинвертирующем входе -2В. Конденсатор перезаряжается через до -2В и т.д.

LC-генераторы

Наиболее распространенный способ получения высокочастотных колебаний – это применение генератора, стабилизированного LC-контуром, в котором LC-контур, настроенный на определенную частоту, присоединен к усилителеподобной схеме для того, чтобы обеспечить усиление на его резонансной частоте.

Рис.8.8 Генератор Колпитца с малыми искажениями, частотой 20 МГц(а);

LC-генератор Хартли(б)

Охватывающая схему петля обратной связи применяется для поддержания колебаний на резонансной частоте LC-контура. Такая схема будет самозапускающейся.

На рис.8.8 показаны две часто используемые схемы. Первая-это настоящий генератор Колпитца: параллельный LC-контур на входе и петля положительной обратной связи c выхода на вход. Здесь используется полевой транзистор – прибор, искажения которого меньше -60дБ.Вторая схема – это генератор Хартли, построенный на n-p-n-транзисторе. Переменный конденсатор служит для регулировки частоты. В обеих схемах используется катушка связи, т.е. просто несколько витков провода, действующих как понижающий трансформатор. По историческим соображениям следовало бы рассмотреть генераторы близко родственные LC-генераторам, а именно камертонные генераторы. В этих генераторах высокодобротные колебания камертона задают частоту генератора в низкочастотном диапазоне (стабильность несколько миллионных долей при постоянной температуре); это соответствует стабильности наручных часов. Но кварцевые генераторы лучше, что рассмотрим далее.

Генераторы с кварцевыми резонаторами

От RC-генератора можно легко добиться стабильности порядка 0.1% при

начальной точности по частоте от 5 до 10 %. Это вполне удовлетворительно для многих применений, таких, например, как мультиплексный индикатор карманного калькулятора, где цифры многозначного числа подсвечиваются одна за другой с быстрым чередованием (обычная частота – 1кГц).В каждый момент времени горит только одна цифра, но глаз видит все число. Ясно, что точность здесь не очень важна. Несколько лучше стабильность LC-генераторов – порядка 0.01% в течение разумного промежутка времени. Этого вполне достаточно для гетеродинов радиоприемников и телевизоров.

Для получения по-настоящему устойчивых колебаний кристаллические генераторы незаменимы. В них используется кусок кварца (искусственного – двуокись кремния), вырезанный и отшлифованный таким образом, что они имеют определенную частоту колебаний. Кварц - пьезоэлектрик (его деформация вызывает появление электрического потенциала, и наоборот), поэтому упругие колебания кристалла могут быть вызваны приложением электрического поля, а эти колебания в свою очередь генерируют напряжения на гранях кристалла. Помещая на поверхности кристалла контакты, вы превращаете его в истинный схемный элемент ,эквивалентный некоторой RLC-схеме, заранее настроенной на некоторую частоту. Полная эквивалентная схема этого элемента содержит два конденсатора, дающих пару близко расположенных резонансных частот – последовательного и параллельного контура, отличающихся друг от друга не более, чем на 1%.Результат этого эффекта – резкое изменение реактивного сопротивления с частотой. Высокая добротность кварцевого кристалла (обычно около 10000) и хорошая стабильность делают естественным его применение как задающего элемента в генераторах и фильтрах с улучшенным параметрами.

В схемах с кварцевыми резонаторами, как и в LC- генераторах, вводят положительную обратную связь и обеспечивают усиление на резонансной частоте, что ведет к автоколебаниям.

На рис.8.9 показаны схемы некоторых кварцевых генераторов .

Рис.8.9 Схемы некоторых генераторов с кварцевыми резонаторами.

а – генератор Пирса, б – генератор Колпитца.

Однокаскадный генератор

Генераторы собран на одном транзисторе, в цепи ОС которого включен двойной Т-образный мост. Режим транзистора по постоянному току устанавливается с помощью таких же резисторов, что и RC-фильтр моста.

Рис.8.10 Однокаскадный генератор

В зависимости от параметров моста схема генерирует колебания с частотами от 20 Гц до 20 кГц. При указанных на схеме номиналах элементов частота генерации равна 1 кГц. В небольших пределах (меньше 20%) частоту колебаний можно регулировать с помощью резистора R4. Для подавления колебаний более высокой частоты, которые возникают совместно с колебаниями основной, следует включить резистор R5.Вспомогательные колебания возникают в основном в кремниевых транзисторах с большим коэффициентом передачи по току. Частота выходного сигнала определяется выражением где в герцах, в Омах, в микрофарадах.

Двухкаскадный генератор(рис.8.11)

П араметры схемы можно рассчитать по формулам.

Определяется минимальное возможное сопротивление резистора R4 из выражения R4> где - напряжение питания, I- максимально допустимый ток транзистора VТ2. Для выполнения условий возбуждения необходимо положить коэффициент (входит в выражение для определения R3 При определении сопротивления резистора R2 необходимо руководствоваться неравенством R2>R4,для определения

Рис.8.11 емкостей конденсаторов С1 и С2 – формулами и Для тех номиналов элементов, которые указаны на схеме , частота генерации равна 2кГц.Для уменьшения нелинейных искажений необходимо подобрать сопротивление резистора R4 и R3.

Генератор на полевом транзисторе (рис.8.12)

Рис.8.12

Генератор инфранизкой частоты имеет амплитуду выходного сигнала 12В. Частота колебания равна 1Гц.В генераторе применена ООС(резисторы R2 и R3 ), которая стабилизирует параметры выходного сигнала. Применение в мосте Вина резисторов больших сопротивлений значительно сократило бы габариты конденсаторов и тем самым уменьшило отклонение частоты от расчетного значения.

Генератор с отрицательным сопротивлением

Низкочастотный LC-генератор (рис.8.13а) собран на двух транзисторах, которые образуют устройство с отрицательным дифференциальным

сопротивлением (рис.б).Для установки рабочей точки на базе транзистораVT1 меняется напряжение . С помощью этого напряжения меняется амплитуда выходного сигнала. Частота сигнала 1 кГц, амплитуда сигнала около 1В.

Рис.8.13

Низкочастотный RC-генератор (8.14)

Генератор (рис.) собран на четырехзвенной фазосдвигающей цепочке. Частоту выходного сигнала можно рассчитать по формуле где R - в килоомах, С - в микрофарадах. Коэффициент нелинейных искажений менее 1%.Для надежного возбуждения генератора необходимо примерять транзисторы с коэффициентом передачи тока более 50.

Рис.8.14

Генератор с автоматической регулировкой амплитуды сигнала

Генератор (рис.8.15) собран на полевом транзисторе VT1 c двойным T-образным мостом в цепи ОС. Для стабилизации амплитуды выходного сигнала в коллекторах транзисторов VT2 и VT3 колебания выпрямляются детектором, собранным на элементах C6,C7,VD1,VD2.На выходе детектора формируется постоянное напряжение положительной полярности. Когда колебания в генераторе отсутствуют, через резистор R11 протекает ток, открывающий транзистор VT4.В цепь истока полевого транзистора включен резистор R8.Сопротивление этого резистора устанавливает такой ток через транзистор VT1, при котором крутизна его максимальна. При генерации напряжение с детектора подзапирает VT4, уменьшая крутизну VT1 и тем самым стабилизируя амплитуду генератора. Частота генерируемых колебаний 1кГц.Для увеличения или уменьшения частоты выходного сигнала необходимо пропорционально изменить номиналы элементов R1 - R3,C2 – C4.Меняя соотношение резисторов R10 и R11, можно менять амплитуду выходного сигнала.

Рис.8.15

Задание к лабораторной работе:

Рис. 8.16

1. Изучить теоретическую часть лабораторной работы.

2. Собрать усилитель по схеме, изображенной на рисунке 8.16

В отчет по этой работе внести таблицу с исходными данными (табл. 1)

Таблица 1

R16,кОМ	R17,кОМ	R18,кОМ	R19,кОМ	C13,мкФ	C14,мкФ
270	5.1	47	3	33	0.015

3. Запитав вход схемы генератора энергией источника питания, получить на выходе переменное напряжение.

4. Проверить выполнение двух условий генерации:

--Баланса фаз

--Баланса амплитуд

5. Изобразить выходной сигнал генератора.

Контрольные вопросы

1. На какие категории можно разделить генераторы?

2. Где применяются генераторы?

3. Что является помехой для работы генератора в режиме генерации?

4. Какие условия должны выполняться для возникновения генерации?

5. Какие генераторы целесообразно использовать для получения колебаний низкой частоты? Какие генераторы используются с целью получения высокой стабильности?

6. Объяснить принцип работы мультивибратора. Объяснить, почему мультивибратор работает без подачи входного сигнала?

7. В чем преимущество кварцевого генератора?

8. Принцип работы двухкаскадного генератора. Какие нужно подобрать сопротивления и в схеме двухкаскадного генератора? Каким должно быть соотношение и почему?