Автогенераторы типа rс. Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний Генератор низких частот rc типа как выглядит

T ремя основными типами электронных генераторов сигналов синусоидальной формы являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы.
LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соедененных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний. LC генераторы используют в основном, в диапазоне радиочастот. На низких(звуковых) частотах удобнее применять RC генераторы, в которых для задания частоты колебаний используются резистивно - емкостная цепь.

LC генераторы синусоидальных колебаний.

Основными типами LC генераторов являются генератор Хартли и генератор Колпитца.

Генератор Хартли.

В генераторе Хартли, или как еще называют эту схему - индуктивной трехточке положительная обратная связь, необходимая для возникновения колебаний берется с отвода катушки индуктивности(L1 - L2) колебательного контура.

Генератор Колпитца.

В генераторе Колпитца (емкостной трехточке) положительная обратная связь снимается с средней точки составной емкости(C1 - C2) колебательного контура. Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли и более часто используется. Когда требуется высокая стабильность, используют кварцевые генераторы.

Кварц - это материал, способный преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Если к кристаллу кварца приложить переменное напряжение, он начнет колебаться, в такт с его частотой. Каждый кристалл обладает собственной резонансной частотой, зависящей от его размеров и структуры. Чем ближе частота приложенного напряжения, к резонансной частоте, тем выше интенсивность колебаний. Для изготовления кварцевого резонатора на кристаллическую пластинку кварца наносят металлические электроды.

Схема кварцевого генератора Хартли с параллельной обратной связью.

Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура отклоняется от частоты кварца, волновое сопротивлние(импенданс) кварца увеличивается, уменьшая величину обратной связи с колебательным контуром. Колебательный контур возвращается на частоту кварца.

Генератор Пирса.

Очень популярная схема, поскольку в ней не используются катушки индуктивности.

Верхний предел резонанса кварца составляет 25 МГц. Если необходим стабильный генератор на более высокой частоте используют схему Батлера. Колебательный контур настраивается на частоту кварца или на частоту одной из его нечетных гармоник (третьей или пятой).

Использование каких - либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт

Применение генераторов с колебательными контурами для генерирования колебаний низких частот (ниже 10 кГц) затруднено из-за значительно увеличивающихся номиналов катушек индуктивности и конденсаторов, что влечет за собой увеличение размеров и стоимости генератора.

Поэтому в настоящее время для генерирования низких и инфранизких частот широко используются RC-генераторы, в которых вместо колебательного контура используются RC-фильтры.

RC-генераторы, работая в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до нескольких мегагерц, обеспечивают достаточную стабильность колебаний и имеют малые габариты и массу.

Применение полевых транзисторов в схемах RC-генераторов выгодно отличает их от биполярных транзисторов возможностью использования в цепи положительной обратной связи высокоомных резисторов, что в свою очередь позволяет использовать конденсаторы с меньшими номиналами, обладающие большей стабильностью.

Простейшие RC-генераторы на изображены на рис. 1. Как известно, условия возбуждения генератора требуют, чтобы цепь обратной связи изменяла на 180° (для однокаскадного генератора) фазу сигнала, поступающего со стоковой нагрузки в цепь затвора.

В схеме генератора, приведенной на рис. 1, а, это достигается выполнением цепи обратной связи из нескольких последовательно включенных простых RC-звеньев. Кроме того, ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи должно компенсироваться усилением каскада.

Для цепей с одинаковыми по значению элементами R и С условие баланса фаз на генерируемой частоте f 0 выполняется при следующих соотношениях :

для трёхзвенных f 0 =0,065/RC;

для четырёхзвенных f 0 =0,133/RC

Рис. 1. Схемы простейших RC-генераторов.

а - с фазирующей RC-цепочкой; б - с истоковым повторителем; в - с Т-образным RC-мостом.

Для трёхзвенной RC-цепи обратной связи требуемый коэффициент усиления каскада должен быть больше 29 , а в четырёхзвенной RC-цепи не менее 18,4.

Для повышения устойчивости работы генератора (из-за шунтирующего действия цепью обратной связи резистора нагрузки Rc) часто вводят дополнительный каскад - истоковый повторитель (рис. 1, б), имеющий высокое входное сопротивление.

Схема генератора с двойным Т-образным RC-фильтром (рис. 1, в), элементы которого выбраны следующим образом: С1=С2=С; С3=С/0,207; R1=R2=R; R3=0,207R - функционирует при условии, если коэффициент усиления каскада не менее 11. При этом частота колебаний

Рассмотренные простейшие RC-генераторы на ПТ не нашли широкого применения из-за присущих им недостатков.

Первый недостаток - это необходимость получения большого коэффициента усиления каскада, который у генератора с трёхзвенной цепью обратной связи должен быть не менее 29, Практическая реализация такого коэффициента усиления затруднительна из-за малого значения крутизны ПТ. Если учесть, что для улучшения формы генерируемых колебаний вводится отрицательная обратная связь, то коэффициент усиления каскада должен быть еще больше.

Второй недостаток - невозможность перестройки в широком диапазоне частот генераторов, выполненных по схеме с RC-цепочка-ми и Т-образным мостом в цепи обратной связи.

ГЕНЕРАТОРЫ, ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ

Наиболее широкое применение среди RC-генераторов нашла схема с фазовым RC-мостом (генератор на мосте Вина), принципиальная схема которого изображена на рис. 2. К достоинствам подобной схемы следует отнести малое затухание и нулевой сдвиг фаз в цепи обратной связи на частоте генерации.

Таким образом, при включении фазового RC-моста для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы усилитель генератора обеспечивал сдвиг фаз 360°.

Частота генерации при равенстве R1=R2=R и С1=С2=С определяется выражением

f 0 =1/2RCπ (1)

На этой частоте затухание фазового RС-моста минимально и равно 3. (Затухание β - величина ослабления, которое вносит фазовый RC-мост в проходящий сигнал в зависимости от расстройки Δf - определяется по выражению β=(9+(2Δf) 2 /f 0) 1/2) Отсюда следует, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, должно быть не менее 3. Благодаря малому значению требуемого усиления появляется возможность введения глубокой отрицательной обратной связи, что ведет к уменьшению уровня нелинейных искажений при работе в широком диапазоне частот.

В схеме рис. 2, а отрицательная обратная связь осуществляется за счет резистора в цепи истока транзистора T1 и введения цепочки R5C3. В качестве резистора R5 использовался малоинерционный термистор ТВД-4, резисторы R1, R2 - типа ПТМН, а конденсаторы С1 и С2 - типа КСО-Г. При указанных на схеме номиналах частота генерации f 0 =1500 Гц. При изменении температуры в диапазоне от 10 до 50° С была получена относительная нестабильность частоты

Δf/f=0,05% на 10° С.

Фазовый RC-мост имеет в своем составе всего по два одноименных элемента; следовательно, его можно перестраивать в широком диапазоне частот, изменяя значение только двух элементов R1, R2 или С1, С2), что делает перестройку генераторов с такими мостами конструктивно удобной.

На рис. 2, б приведена схема перестраиваемого генератора низкой частоты с фазовым RC-мостом. Частота генерируемых колебаний плавно перестраивается с помощью сдвоенного потенциометра R2, R3. Усилитель генератора двухкаскадный с непосредственной связью. Для стабилизации амплитуды колебаний генератора и его режима работы введена глубокая отрицательная обратная связь как по постоянному, так и переменному току (цепочка R8, R6, R5) Для перекрытия всего звукового диапазона следует ввести переключатель, который одновременно изменял бы емкости конденсаторов RC и С2 в обоих плечах моста.

Рис. 2. Принципиальные схемы генераторов с фазовым RС-мостом.

а - с двухкаскадным усилителем и ёмкостной связью; б - с двухкаскадным усилителем и непосредственной связью.

Рис. 3. Генератор, перестраиваемый в широком диапазоне

а - принципиальная схема; б - структурная схема.

Более сложная схема RС-генератора с использованием полевых транзисторов, позволяющая перестраивать частоту в декадном диапазоне, изображена на рис. 3. Для параметров, указанных на схеме, частота генератора лежит в диапазоне 500 кГц - 5 мГц; однако, изменив ёмкости конденсаторов, можно получить частоты в других диапазонах .

Два фазовращателя, фазоинвертор, усилитель и аттенюатор соединяются таким образом, что образуют петлю обратной связи. Схема будет генерировать колебания с частотой, при которой полный фазовый сдвиг составляет 360°. На этой частоте каждый из двух идентичных фазовращателей обеспечивает фазовый сдвиг на 90°.

Управляемый напряжением фазовращатель состоит из конденсатора C1 и транзистора Т2.

Транзисторы Т3, Т4 и конденсатор С3 образуют второй фазовращатель, который работает аналогично первому. Благодаря высокому сопротивлению фазовращателей отпадает необходимость в буферных каскадах. Затворы транзисторов Т2 и Т4 заземлены по переменному току и, следовательно, могут быть соединены. Транзистор Т5 предназначен для усиления сигнала.

Транзистор Т7 и резистор R6 образуют управляемый напряжением аттенюатор, при этом транзистор Т7 используется в качестве управляемого резистора.

Амплитудный детектор состоит из усилителя на транзисторе Т6, диодного детектора Д1 и фильтра R5C5. Когда амплитуда входного сигнала увеличивается, напряжение на затворе транзистора Т7 становится более отрицательным, при этом возрастает динамическое сопротивление транзистора и уменьшается коэффициент усиления в петле обратной связи.

СТАБИЛИЗАЦИЯ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ

Свойство полевого транзистора изменять сопротивление канала в зависимости от приложенного к затвору управляющего напряжения нашло достаточно широкое применение в генераторах для автоматической стабилизации уровня выходного сигнала.

На рис. 4, а приведена схема RC-генератора синусоидальных колебаний с регулируемой отрицательной обратной связью . Двухкаскадный усилитель на полевых транзисторах Т1 и Т3 охвачен положительной обратной связью через элементы R1-R4, С1, С3. Отрицательная обратная связь осуществляется через делитель, состоящий из резистора R6 и управляемого сопротивления канала полевого транзистора Т2 Установление стационарной амплитуды происходит за счет воздействия UВых (через детектор Д1 и его элементов R7, С5) на глубину отрицательной обратной связи и на режим питания транзистора Т1. Инерционность АРУ определяется в основном ёмкостью конденсатора С5 и сопротивлением резистора R7 . Такая автоматически регулируемая отрицательная обратная связь позволяет повысить стабильность характеристик генератора по сравнению с обычной схемой при изменении напряжений питания и температуры окружающей среды. При изменении питания от 18 до 10 В амплитуда выходного сигнала снижалась на 8%.

Рис. 4. Генераторы со стабилизацией амплитуды генерируемых колебаний.

а - RС-генератор с регулируемой ООС; б - LC-генератор с аттенюатором на ПТ.

Несколько иначе осуществляется автоматическая стабилизация уровня выходного сигнала генератора, принципиальная схема которого изображена на рис. 4, б . Напряжение сток - исток полевого транзистора Т1 регулируется переменным резистором R3, установленным в цепи затвора второго транзистора Т2. Часть выходного напряжения через трансформатор L1, L2 поступает на выпрямитель Д1 и фильтр R3C7. В зависимости от положения потенциометра R3 изменяется рабочая точка полевого транзистора, изменяется сопротивление его канала и соответственно амплитуда сигнала на выходе генератора. Потенциометром R3 устанавливают необходимую амплитуду выходного напряжения, которая в дальнейшем автоматически поддерживается на заданном уровне.

Как видно из приведённых выше примеров, использование полевых транзисторов в схемах автоматической стабилизации выходного напряжения генераторов позволяет значительно упростить подобные схемы и уменьшить необходимую мощность управления регулируемого элемента.

ЧМ ГЕНЕРАТОРЫ

В автоматике и телемеханике, измерительной технике возникает необходимость в широкополосной частотной модуляции при низкой несущей частоте. Так, например, в радиотелеметрии с частотным разделением каналов каждому- каналу отводится своя поднесущая частота. Генераторы поднесущих частот - это низкочастотные генераторы, частоты которых промодулированы сигналами от датчиков. Применение LC-генераторов в таких системах нежелательно из-за громоздкости выполнения в низкочастотном диапазоне. Поэтому в качестве задающего частотно-модулированного генератора поднесущей частоты используется RС-генератор.

Частота RС-генератора, как уже говорилось выше, определяется параметрами фазирующей RС-цепочки, изменяя которые определенным образом, осуществляют частотную модуляцию колебаний генератора. Для получения линейной модуляционной характеристики необходимо, чтобы одновременно по линейному закону изменялись отношения 1/R или 1/С фазирующей цепочки.

Рис. 5. ЧМ генератор на ПТ, а - принципиальная схема; б - модуляционная характеристика.

В качестве перестраиваемых напряжением ёмкостей применяются полупроводниковые диоды и транзисторы, используя зависимость ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Существенным недостатком подобного способа является большая нелинейность модуляционной характеристики ЧМ генератора из-за нелинейного изменения ёмкости от приложенного напряжения.

Полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы можно использовать и в качестве переменных сопротивлений. Однако такому способу получения ЧМ свойственны следующие недостатки : нелинейность модуляционной характеристики при больших девиациях частоты; большая амплитудная модуляция; плохая развязка источника модулирующего сигнала и автогенератора; значительная мощность, потребляемая управляющей цепью.

Перечисленных недостатков лишен способ осуществления ЧМ с помощью полевых транзисторов. Применение ПТ в качестве переменных сопротивлений в фазирующей цепи RС-генератора позволяет реализовать их важное достоинство - линейную зависимость проводимости канала от управляющего напряжения и высокое входное сопротивление частотного модулятора.

На рис. 5 изображена принципиальная схема ЧМ генератора с фазовым RС-мостом и его модуляционная характеристика для ПТ (Т{Г2) типа КП103Ж и КП103М, используемых в качестве переменных резисторов.

Резисторы R1 и R2 включены для уменьшения глубины девиации до необходимой; кроме того, используя резисторы с отрицательным ТКС, можно уменьшить влияние температурных изменений сопротивления канала ПТ на стабильность частоты генератора. С помощью источника смещения Eсм устанавливают необходимое значение сопротивления каналов ПТ при управляющем (модулирующем) сигнале UBX=0.

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Релаксационные генераторы низких частот имеют большую постоянную времени. В мультивибраторах, выполненных на биполярных транзисторах, для получения большой постоянной времени используются электролитические конденсаторы с большой ёмкостью, обладающие невысокой стабильностью. Высокое же входное сопротивление полевых транзисторов позволяет получать необходимую постоянную времени в релаксационных схемах без использования конденсаторов с большой ёмкостью. Поэтому в тех случаях, когда требуется реализовать постоянные времени примерно несколько секунд или минут, целесообразно использовать полевые транзисторы.

В схеме, изображенной на рис. 6, а, два полевых транзистора включены по схеме истоковых повторителей, а два биполярных транзистора являются переключателями. Принцип работы схемы аналогичен принципу работы обычного мультивибратора, причём комбинацию биполярного и полевого транзистора следует рассматривать как некоторый активный элемент. Таким образом, в схему вносится высокое входное сопротивление полевых транзисторов и одновременно обеспечивается большое полное усиление. Биполярные транзисторы не входят в состояние насыщения, так как напряжение их коллекторов питает стоки полевых транзисторов. В результате такого соединения мультивибратор устойчиво самовозбуждается; поскольку рабочие точки транзисторов смещены в линейную область, любое изменение входного тока вызывает изменение коллекторного напряжения. Эта схема хорошо работает и на высоких частотах.

Рис. 6. Схемы мультивибраторов на ПТ.

а - с ненасыщенными биполярными транзисторами; б - с насыщенными биполярными транзисторами.

Длительность пребывания мультивибратора в каждом из состояний определяется разрядом конденсатора С1 или С2 через резистор цепи затвора. Когда напряжение достигает значения, равного напряжению отсечки полевого транзистора, изменение тока истока заставляет схему перейти в другое состояние. Если ёмкость каждого конденсатора С1 и С2 равна 4 мкФ, то, изменяя R1 и R2 в сторону увеличения, можно повысить длительность периода мультивибратора от 8 мс до 6 мин. Если ёмкость каждого из конденсаторов выбрать равной 100 пФ, то частоту можно изменить от 100 Гц до 3 мГц

Несколько иначе выполнен мультивибратор, схема которого изображена на рис. 6, б . Рассмотрим принцип действия этой схемы. Допустим, что транзистор Т1 переходит в состояние насыщения, тогда на затворе Т4 появляется положительный потенциал и транзисторы Т4 и Т2 закрываются. Скачок напряжения на коллекторе Т2 приводит к надежному открыванию транзисторов Т1 и Т3. Ток смещения, текущий к затвору Т3 через резистор R2, поддерживает его в этом состоянии. Конденсатор С1 разряжаясь через резистор уменьшает напряжение смещения на затворе Т4. Когда напряжение Uзи транзистора Т4 уменьшается до напряжения отсечки, транзисторы Т4 и Т2 начинают проводить и быстро открываются, в то время как Т1 и Т3 закрываются. Длительность импульса мультивибратора определяется по формуле

(2)

где Ес - напряжение источника питания.

При номиналах деталей, указанных на схеме рис. 8, б, получена длительность импульса примерно 25 с.

ГЕНЕРАТОРЫ ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Используя источник неизменного тока на полевом транзисторе в генераторе пилообразного напряжения, можно получить пилу, линейность и наклон которой почти не зависят от случайных изменений управляющего напряжения. Кроме того, полевые транзисторы позволяют реализовать схемы генераторов развертки с такими значениями линейности и длительности, которых трудно достигнуть при использовании биполярных транзисторов.

Генератор пилообразного напряжения, изображенный на рис. 7, состоит из источника постоянного тока на полевом транзисторе T1, конденсатора переменной ёмкости С1 и однопереходного транзистора Т2. С помощью потенциометра R2 устанавливается значение постоянного тока стока полевого транзистора Т1, соответствующее термостабильной точке ПТ. Отрицательная обратная связь, создаваемая включенными в цепь истока резисторами R1 и R2 с большим сопротивлением, обеспечивает стабильный ток стока несмотря на наличие изменений напряжения питания. Этот ток линейно заряжает конденсатор переменной емкости С1 до напряжения запуска однопереходного транзистора Т2. Время заряда является функцией ёмкости конденсатора С1 .

Рис. 7. Схема генератора пилообразного напряжения.

Изменяя ёмкость конденсатора С1, можно регулировать частоту повторения выходного сигнала генератора в диапазоне от 500 Гц до 50 кГц. Накопительный конденсатор быстро разряжается через проводящий переключатель на транзисторе Т2. Пилообразное напряжение с конденсатора С1 подается на выход через эмиттерный повторитель на транзисторе Т3. Амплитуда выходного сигнала определяется положением движка потенциометра R4 и может регулироваться в пределах от 0 до 8 В . Во всём диапазоне частот нелинейность пилообразного напряжения в данной схеме не превышает 1%.

КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Одним из самых важных параметров генераторов является стабильность частоты генерируемых колебаний. Жёсткие требования к стабильности и воспроизводимости частоты в современных радиотехнических устройствах удается удовлетворить при использовании кварцевых генераторов.

Рис. 8. Схема кварцевого генератора.

Ламповые кварцевые генераторы в большинстве практических случаев являются неприемлемыми ввиду таких недостатков, как большая потребляемая мощность, большие габариты и масса. Кроме того, сама лампа является источником тепла, что затрудняет термостатирование генератора.

Ввиду малого входного сопротивления биполярных транзисторов кварцевый резонатор в автогенераторах включают только между базой и коллектором.

Полевые транзисторы, в которых отсутствуют перечисленные выше недостатки электронных ламп и биполярных транзисторов, в настоящее время достаточно часто используются в схемах кварцевых генераторов.

А.Г. Милехин

Литература:

1. Гозлинг В. Применение полевых транзисторов. М., «Энергия», 1970.
2. Барсуков Ф. И. Генераторы и селективные усилители низкой частоты. М., «Энергия», 1964.
3. Гоноровский И. С Радиотехнические цепи и сигналы. М., «Советское радио», 1971.
4. Ван дер Гиир. Перестройка RC-генератора в декадном диапазоне с помощью полевых транзисторов. - «Электроника», № 4, 1969.
5. Крисилов Ю. Д. Автоматическая регулировка и стабилизация усиления транзисторных схем. М., «Советское радио», 1972.
6. Проссер Л. Стабильные генераторы на полевых транзисторах. - «Электроника», 1966, № 20.
7. Ханус, Мартинес. Стабильный НЧ мультивибратор с двумя ПТ. - «Электроника», 1967, №1.
8. Илэд Л. Использование полевого транзистора для получения стабильного пилообразного напряжения. - «Электроника», 1966, № 16.
9. Экспресс-информация «ПЭА и ВТ», 1973, № 47.
10. Кинг Л. Стабильный кварцевый генератор на полевом транзисторе. - «Электроника», 1973, №13.
11. Игнатов А.Н. Применение полевых транзисторов типа КП103 в аппаратуре связи. - В книге: Тенденции развития активных радиокомпонентов малой мощности. Новосибирск, "Наука", 1971.

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 ...

Применение генераторов с колебательными контурами (типа LC) для генерирования колебаний с частотами меньше 15--20 кГц затруднено и неудобно из-за громоздкости контуров. В настоящее время для этих целей широко используются генераторы типа RC, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RС-фильтры. Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких частот.

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний типа RC приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5

Усилитель строится по обычной резистивной схеме. Для самовозбуждения усилителя, т. е. для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превышающую входное напряжение или равную ему по величине и совпадающую с ним по фазе, иными словами, охватить усилитель положительной обратной связью достаточной глубины. При непосредственном соединении выхода усилителя с его входом происходит самовозбуждение, однако форма генерируемых колебаний будет резко отличаться от синусоидальной, поскольку условия самовозбуждения будут одновременно выполняться для колебаний многих частот. Для получения синусоидальных колебаний необходимо, чтобы эти условия выполнялись только на одной определенной частоте и резко нарушались на всех других частотах.

Рис. 1.6

Эта задача решается с помощью фазовращающей цепочки, которая имеет несколько звеньев RC и служит для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180°. Изменение фазы зависит от числа звеньев п и равно

В связи с тем что одно звено RC изменяет фазу на угол < 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки п -- 3. В практических схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепочки.

На рис. 1.6 изображены два варианта таких цепочек, получивших название соответственно «R-параллель» и «С-параллель». Частота генерируемых синусоидальных колебаний для этих схем при условии R1 = R 2 = R 3 = R и C t = С 2 = С3 = С рассчитывается по следующим формулам: для схемы на рис. 1.6, а:

для схемы на рис. 4.6, б:

Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть равен затуханию, вносимому фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя, или превышать его.

Расчеты показывают, что для приведенных схем затухание

Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать синусоидальные колебания с частотой f 0 лишь в том случае, если коэффициент усиления усилителя превышает 29.

В фазовращающей цепи с одинаковыми звеньями каждое последующее звено оказывает шунтирующее действие на предыдущее. Для уменьшения шунтирующего действия звеньев и снижения затухания в фазовращающей цепи обратной связи могут применяться так называемые прогрессивные цепочки. В этом случае сопротивление резистора каждого последующего звена выбирается в tn раз больше сопротивления предыдущего звена, а емкости последующих звеньев во столько же раз уменьшаются:

Обычно величина т не превышает 4--5.

На рис. 1.7 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой.

С точки зрения обеспечения условия баланса фаз такой генератор можно было бы построить и на одном транзисторе (Т2) с общим эмиттером. Однако в этом случае цепочка обратной связи шунтирует резистор R K усилительного транзистора и снижает его усиление, а малое входное сопротивление транзистора резко увеличивает затухание в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т1.

Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся незатухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают.

Автогенераторы с фазовращающими цепями обычно применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне. Диапазонные автогенераторы типа RC строятся несколько иначе. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Если усилитель поворачивает фазу входного сигнала на 2? (например, усилитель, имеющий четное число каскадов), то при охвате положительной обратной связью достаточной глубины он может генерировать электрические колебания без включения специальной фазовращающей цепочки. Для выделения требуемой частоты синусоидальных колебаний из всего спектра частот, генерируемых такой схемой, необходимо обеспечить выполнение условий самовозбуждения только для одной частоты. С этой целью в цепь обратной связи может быть включена последовательно-параллельная избирательная цепочка, схема которой приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.7

Определим свойства этой цепочки, рассматривая ее как делитель напряжения.

Между выходным и входным напряжениями существует очевидная зависимость

Коэффициент передачи напряжения этой цепью

На квазирезонансной частоте w 0 коэффициент передачи напряжения должен быть равен действительному числу. Это возможно лишь в том случае, если сопротивления, выраженные соответствующей математической записью в числителе и знаменателе последней формулы, будут иметь одинаковый характер. Данное условие обеспечивается лишь в том случае, если действительная часть знаменателя равна нулю, т. е.

Отсюда частота квазирезонанса

Что же касается коэффициента передачи напряжения, то на квазирезонансной частоте он равен

Подставляя в эту формулу значение

Считая R1 = R 2 = R и C 1 = С 2 = С, найдем окончательные значения f 0

Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте, равно

Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть равен 3. Очевидно, что это требование выполнить достаточно легко. Реальный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее К о = 3. Поэтому целесообразно наряду с положительной обратной связью ввести в усилитель отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время существенно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого генератора приведена на рис. 1.9.

Схема транзисторного RC-генератора с перестройкой частоты

Терморезистор в цепи эмиттера транзистора Т1 предназначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Регулировка частоты осуществляется с помощью спаренного потенциометра R1R2.

В настоящее время дискретные элементы (транзисторы) достаточно редко используются для постоения генераторов. Чаще всего для этих целей применяют различные типы интегральных микросхем. Схемы, построенные на ОУ, перемножителях, компараторах и таймерах, отличаются простотой, стабильностью параметров, универсальностью. Гибкость и универсальность ОУ позволяют с минимальным количеством внешних компонентов создавать простые, но в то же время удобные при настройке и регулировке генераторы практически всех типов с удовлетворительными параметрами.

Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих RС-цепей.

Существуют и другие способы генерирования синусоидальных колебаний, например фильтрацией импульсов треугольной формы или выделением первой гармонической составляющей прямоугольных импульсов.

R-C генераторы синусоидальных колебаний

Сглаживающие RC фильтры

В схемах выпрямления малой мощности дроссель фильтра может быть заменён резистором R Ф. Такие типы фильтров называют RC фильтрами

Расчёт сглаживающего RC фильтра должен вестись с учётом следующих условий

Коэффициент сглаживания фильтра

Сопротивление резистора R Ф обычно задаются в пределах R Ф = (0,15…0,5)R H ; КПД резистивно-емкостного фильтра сравнительно мал и обычно составляет 0,6…0,8, причем при η ф = 0,8 R Ф = 0,25R H .

Преимущества резистивно-емкостных фильтров: малые габариты, масса и стоимость; недостаток – низкий КПД.

Простейшая схема RC -генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рис. 37а.

Рис. 37. RC-генератор синусоидальных колебаний

RC генераторы используют для задания частоты резисивно - емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью - это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.

Частота генератора рассчитывается по формуле.

R в этой формуле - значения сопротивлений R1,R2, (они одинаковые). C - это соответственно, любое из значений емкости С1 или С2 (также одинаковые)

Генератор на основе моста Вина – двухкаскадный усилитель с цепью опережения-запаздывания и делителем напряжения.

Резисторы R1 и R2 одинакового номинала(по сопротивлению), сопротивление резистора R3 примерно вполовину меньше. Емкость конденсаторов C1 и C2 равна, а конденсатора C3 - примерно в два раза больше.
Частота генерируемых колебаний определяется соотношением.

Где C - номинал конденсатора C1(C2), R номинал сопротивления - R1(R2).
При R1,R2 = 10KOm, R3=4,7KOm, C1,C2 =16нФ, C3=33нФ частота равняется, примерно - 1000гц.
Используя сдвоенный переменный резистор (в качестве R1 и R2) можно плавно изменять частоту колебаний в больших пределах.

Генератор синосуидальных колебаний имеющий несколько поддиапазонов, можно получить с помощью несложной коммутационной схемы, с помощью которой можно попеременно подключать конденсаторы различной емкости, в качестве С1, С2 и С3. Подобное устройство может быть очень полезным для радиолюбителя, в частности - для настройки различных усилительных каскадов.

Электронные генераторы синусоидальных колебаний (L,C –генератор)

LC-генераторы

Генераторы синусоидальных колебаний – это генераторы, которые генерируют напряжение синусоидальной формы.

Они классифицируются согласно их частотно-задающим компонентам. Тремя основными типами генераторов являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RCгенераторы.

LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний.

Кварцевые генераторы, подобны LC генераторам, но обеспечивают более высокую стабильность колебаний.

RC-генераторы используются на низких частотах, в них для задания частоты колебаний используется резистивно-емкостная цепь.