Generátor je samooscilační systém, který generuje impulsy elektrického proudu, ve kterém tranzistor hraje roli spínacího prvku. Původně, od vynálezu, byl tranzistor umístěn jako zesilovací prvek. Prezentace prvního tranzistoru se konala v roce 1947. K představení tranzistoru s efektem pole došlo o něco později - v roce 1953. V pulzních generátorech plní roli spínače a teprve u generátorů střídavého proudu realizuje své zesilovací vlastnosti, přičemž se současně podílí na vytváření kladných zpětná vazba pro podporu oscilačního procesu.
Vizuální ilustrace rozdělení frekvenčního rozsahu
Klasifikace
Tranzistorové generátory mají několik klasifikací:
- frekvenčním rozsahem výstupního signálu;
- podle typu výstupního signálu;
- podle principu jednání.
Frekvenční rozsah je subjektivní hodnota, ale pro standardizaci je akceptováno následující rozdělení frekvenčního rozsahu:
- 30 Hz až 300 kHz - nízká frekvence (LF);
- od 300 kHz do 3 MHz - střední frekvence (MF);
- 3 MHz až 300 MHz - vysokofrekvenční (HF);
- nad 300 MHz - ultra vysoká frekvence (SHF).
Jedná se o rozdělení frekvenčního rozsahu v oblasti rádiových vln. K dispozici je zvukový frekvenční rozsah (AF) - od 16 Hz do 22 kHz. Chceme-li tedy zdůraznit frekvenční rozsah generátoru, nazývá se například vysokofrekvenční nebo nízkofrekvenční generátor. Frekvence zvukového rozsahu se zase dělí na HF, MF a LF.
Podle typu výstupního signálu mohou být generátory:
- sinusový - pro generování sinusových signálů;
- funkční - pro vlastní kmitání signálů speciální formy. Speciálním případem je obdélníkový pulzní generátor;
- šumové generátory - generátory širokého frekvenčního spektra, u kterých je v daném frekvenčním rozsahu spektrum signálu rovnoměrné od spodní k horní části frekvenční charakteristiky.
Podle principu činnosti generátorů:
- RC generátory;
- LC generátory;
- Blokovací generátory - tvarovač krátkých pulzů.
Kvůli zásadním omezením se RC oscilátory obvykle používají v nízkých a zvukových rozsazích a LC oscilátory v KV frekvenčním rozsahu.
Obvody generátoru
RC a LC sinusové generátory
Generátor na tranzistoru je nejjednodušeji realizován v kapacitním tříbodovém zapojení - Kolpitzův generátor (obr. níže).
Obvod tranzistorového oscilátoru (Colpitzův generátor)
V Kolpitzově obvodu jsou prvky (C1), (C2), (L) frekvenčně nastavující. Zbývající prvky jsou standardní tranzistorové potrubí, které zajišťuje nezbytný stejnosměrný provoz. Stejný jednoduchý obvod má generátor sestavený podle indukčního tříbodového obvodu - Hartleyho generátor (obr. níže).
Schéma tříbodového generátoru s indukční vazbou (Hartleyův generátor)
V tomto obvodu je kmitočet oscilátoru určen paralelním obvodem, který obsahuje prvky (C), (La), (Lb). Kondenzátor (C) je potřebný k vytvoření kladné zpětné vazby na střídavý proud.
Praktická realizace takového generátoru je obtížnější, protože vyžaduje induktor s odbočkou.
Oba generátory vlastní oscilace se používají hlavně v rozsahu MF a HF jako generátory nosné frekvence, v obvodech lokálních oscilátorů s nastavením frekvence a tak dále. Rádiové regenerátory jsou také založeny na oscilátorech. Tato aplikace vyžaduje vysokou frekvenční stabilitu, proto je obvod téměř vždy doplněn quartzovým oscilačním rezonátorem.
Hlavní generátor proudu na bázi křemenného rezonátoru má vlastní oscilace s velmi vysokou přesností nastavení hodnoty frekvence RF generátoru. Miliardiny procenta jsou daleko od limitu. Rádiové regenerátory používají pouze křemennou frekvenční stabilizaci.
Provoz generátorů v oblasti nízkofrekvenčního proudu a zvukové frekvence je spojen s obtížemi při realizaci vysokých hodnot indukčnosti. Přesněji řečeno v rozměrech potřebné tlumivky.
Obvod Pierceova oscilátoru je modifikací Kolpitzova obvodu, realizovaný bez použití indukčnosti (obr. níže).
Propíchněte obvod generátoru bez použití indukčnosti
V Pierceově zapojení je indukčnost nahrazena křemenným rezonátorem, což umožnilo zbavit se pracné a objemné tlumivky a zároveň omezit horní rozsah kmitů.
Kondenzátor (C3) nepřenáší stejnosměrnou složku základního předpětí tranzistoru do křemenného rezonátoru. Takový generátor může generovat oscilace až do 25 MHz, včetně audio frekvence.
Činnost všech výše uvedených generátorů je založena na rezonančních vlastnostech oscilačního systému složeného z kapacity a indukčnosti. V souladu s tím je frekvence oscilací určena hodnotami těchto prvků.
RC generátory proudu využívají principu fázového posunu v RC obvodu. Nejčastěji používaný obvod s řetězem fázového posunu (obr. níže).
Schéma RC oscilátoru s řetězem fázového posunu
Prvky (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) provádějí fázový posun, aby získaly kladnou zpětnou vazbu nezbytnou pro vznik vlastních oscilací. Ke generování dochází při frekvencích, pro které je fázový posun optimální (180 stupňů). Obvod s fázovým posunem zavádí silný útlum signálu, takže takový obvod má zvýšené požadavky na zesílení tranzistoru. Obvod Wienova můstku je méně náročný na parametry tranzistoru (obr. níže).
Schéma RC generátoru s vídeňským mostem
Wien dvojitý T-můstek se skládá z prvků (C1), (C2), (R3) a (R1), (R2), (C3) a jedná se o úzkopásmový vrubový filtr naladěný na generační frekvenci. Pro všechny ostatní frekvence je tranzistor pokryt hlubokým záporným spojením.
Funkční generátory proudu
Funkční generátory jsou navrženy tak, aby generovaly posloupnost impulsů určitého tvaru (formulář popisuje určitou funkci – odtud název). Nejběžnější generátory jsou obdélníkové (pokud je poměr trvání pulsu k periodě oscilace ½, pak se taková sekvence nazývá „meandr“), trojúhelníkové a pilové pulsy. Nejjednodušší pravoúhlý generátor pulsů - multivibrátor, slouží jako první okruh pro začínající radioamatéry k sestavení vlastníma rukama (obr. níže).
Schéma multivibrátoru - generátoru obdélníkových impulsů
Charakteristickým rysem multivibrátoru je, že v něm lze použít téměř jakýkoli tranzistor. Doba trvání impulsů a pauz mezi nimi je určena hodnotami kondenzátorů a rezistorů v základních obvodech tranzistorů (Rb1), Cb1) a (Rb2), (Cb2).
Frekvence vlastní oscilace proudu se může lišit od jednotek hertzů až po desítky kilohertzů. Na multivibrátoru není možné implementovat HF vlastní oscilace.
Trojúhelníkové (pilové) pulzní generátory jsou obvykle stavěny na bázi obdélníkových pulzních generátorů (master oscilátor) přidáním korekčního řetězce (obr. níže).
Obvod generátoru trojúhelníkových impulzů
Tvar pulsů, blízký trojúhelníku, je určen nabíjecím a vybíjecím napětím na deskách kondenzátoru C.
Blokovací generátor
Účelem blokovacích generátorů je generovat silné proudové impulsy se strmými čely a nízkým pracovním cyklem. Trvání pauz mezi pulzy je mnohem delší než trvání samotných pulzů. Blokovací oscilátory se používají ve formovačích pulsů, komparátorech, ale hlavní oblastí použití je hlavní oscilátor line-scan v zařízeních pro zobrazování informací na bázi katodových trubic. Blokovací generátory se také úspěšně používají v zařízeních pro konverzi energie.
FET generátory
Charakteristickým rysem tranzistorů s efektem pole je velmi vysoký vstupní odpor, jehož řád je úměrný odporu elektronek. Výše uvedená obvodová řešení jsou univerzální, jsou jednoduše přizpůsobena použití různých typů aktivních prvků. Colpitz, Hartley a další generátory vyrobené na tranzistoru s efektem pole se liší pouze v hodnocení prvků.
Obvody pro nastavení frekvence mají stejné poměry. Pro generování vysokofrekvenčních oscilací je poněkud výhodnější jednoduchý generátor vyrobený na tranzistoru s efektem pole podle indukčního tříbodového obvodu. Faktem je, že tranzistor s efektem pole, který má vysoký vstupní odpor, prakticky nemá bočníkový účinek na indukčnost, a proto bude vysokofrekvenční generátor pracovat stabilněji.
Generátory hluku
Charakteristickým rysem generátorů šumu je rovnoměrnost frekvenční odezvy v určitém rozsahu, to znamená, že amplituda oscilací všech frekvencí v daném rozsahu je stejná. Pro posouzení frekvenčních charakteristik testované cesty se v měřicích zařízeních používají generátory šumu. Zvukové generátory zvukového pásma jsou často doplněny ekvalizérem frekvenční odezvy pro přizpůsobení subjektivní hlasitosti lidskému sluchu. Takový hluk se nazývá „šedý“.
Video
Až dosud existuje několik oblastí, ve kterých je použití tranzistorů obtížné. Jedná se o výkonné generátory mikrovlnného dosahu v radaru a tam, kde je vyžadován příjem zvláště výkonných vysokofrekvenčních impulsů. Dosud nebyly vyvinuty výkonné mikrovlnné tranzistory. Ve všech ostatních oblastech je naprostá většina generátorů vyrobena výhradně na tranzistorech. Důvodů je několik. Za prvé, rozměry. Za druhé, spotřeba energie. Za třetí, spolehlivost. Kromě toho lze tranzistory, vzhledem ke zvláštnostem jejich struktury, velmi snadno miniaturizovat.
Použití generátorů s oscilačními obvody (např LC) generování oscilací s frekvencemi menšími než 15--20 kHz je obtížné a nepohodlné kvůli objemnosti obvodů. V současné době se pro tento účel široce používají generátory tohoto typu. rc, ve kterém jsou místo oscilačního obvodu použity selektivní RC filtry. Generátory typů RC může generovat velmi stabilní sinusové oscilace v relativně širokém frekvenčním rozsahu od zlomků hertzů až po stovky kilohertzů. Kromě toho jsou malé velikosti a hmotnosti. Nejúplnější výhody typových generátorů RC se objeví v oblasti nízké frekvence.
Strukturní schéma generátoru sinusových kmitů typu RC znázorněno na Obr. 1.5.
Rýže. 1.5
Zesilovač je postaven podle obvyklého odporového obvodu. Pro samobuzení zesilovače, tedy pro přeměnu prvotně vzniklých kmitů na netlumené, je nutné přivést na vstup zesilovače část výstupního napětí, která převyšuje vstupní napětí nebo má stejnou velikost a shoduje se s ním ve fázi, jinými slovy, aby pokryl zesilovač s kladnou zpětnou vazbou dostatečné hloubky . Při přímém připojení výstupu zesilovače na jeho vstup dochází k samobuzení, tvar generovaných kmitů se však bude výrazně lišit od sinusového, protože podmínky pro samobuzení budou současně splněny pro kmity mnoha frekvencí. Pro získání sinusových kmitů je nutné, aby tyto podmínky byly splněny pouze na jedné konkrétní frekvenci a na všech ostatních frekvencích byly prudce porušeny.
Rýže. 1.6
Tento úkol je řešen pomocí řetěz fázového posunu, který má několik odkazů RC a slouží k otočení fáze výstupního napětí zesilovače o 180°. Změna fáze závisí na počtu odkazů P a rovné
Vzhledem k tomu, že jeden odkaz RC mění fázi o úhel< 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки P -- 3. V praktických obvodech generátorů se obvykle používají tříčlánkové řetězy s fázovým posunem.
Na Obr. 1.6 ukazuje dvě varianty takových řetězců, nazvané "R-paralelní" a "C-paralelní". Frekvence generovaných sinusových kmitů pro tyto obvody za předpokladu R1 = R 2 = R 3 = R A C t = C 2 = C3 = C se vypočítá podle následujících vzorců: pro obvod na Obr. 1.6, a:
pro obvod na obr. 4,6, b:
Aby bylo zajištěno vyvážení amplitud, musí se zesílení zesilovače rovnat útlumu zavedenému obvodem fázového posunu, přes který napětí z výstupu vstupuje na vstup zesilovače, nebo jej překračovat.
Výpočty ukazují, že pro dané obvody je útlum
Proto obvody používající tříčlánkové řetězy s fázovým posunem se stejnými články mohou generovat sinusové oscilace s frekvencí F 0 pouze pokud je zesílení zesilovače větší než 29.
V obvodu s fázovým posunem s identickými články má každý následující článek posunovací účinek na předchozí. Aby se snížilo přemísťování spojů a snížil se útlum ve zpětnovazebním obvodu s fázovým posunem, tzv. progresivnířetězy. V tomto případě je zvolen odpor rezistoru každého následujícího článku tn krát větší než odpor předchozího článku a kapacita následujících článků se sníží o stejnou hodnotu:
Obvykle hodnota T nepřesahuje 4-5.
Na Obr. 1.7 ukazuje jedno z možných schémat autogenerátoru typu RC s fázovým posunovačem.
Z hlediska zajištění stavu fázové rovnováhy by mohl být takový generátor postaven na jediném tranzistoru (T2) se společným emitorem. V tomto případě však obvod zpětné vazby odpojí odpor R K zesilovací tranzistor a snižuje jeho zesílení a nízký vstupní odpor tranzistoru prudce zvyšuje útlum ve zpětnovazebním obvodu. Proto je vhodné oddělit výstup obvodu fázového posunu a vstup zesilovače pomocí emitorového sledovače namontovaného na tranzistoru T1.
Provoz oscilátoru začíná v okamžiku zapnutí zdroje napájení. Výsledný kolektorový proudový impuls obsahuje široké a spojité frekvenční spektrum, které nutně zahrnuje požadovanou generační frekvenci. Splněním podmínek samobuzení se kmity této frekvence netlumí, zatímco oscilace všech ostatních frekvencí, pro které není splněna podmínka fázové rovnováhy, rychle utichnou.
Ke generování sinusových oscilací o pevné frekvenci se obvykle používají autogenerátory s obvody fázového posunu. To je způsobeno obtížností ladění frekvence v širokém rozsahu. Rozsahové oscilátory tohoto typu RC postavený trochu jinak. Zvažme tuto otázku podrobněji.
Pokud zesilovač otočí fázi vstupního signálu o 2? (například zesilovač se sudým počtem kaskád), pak když je pokrytý dostatečnou hloubkou kladné zpětné vazby, může generovat elektrické oscilace bez zahrnutí speciálního řetězce fázového posunu. Pro izolaci potřebné frekvence sinusových kmitů od celého spektra frekvencí generovaných takovým obvodem je nutné zajistit, aby podmínky samobuzení byly splněny pouze pro jednu frekvenci. Za tímto účelem lze do zpětnovazebního obvodu zařadit sérioparalelní selektivní řetězec, jehož schéma je na Obr. 1.8.
Rýže. 1.7
Definujme vlastnosti tohoto obvodu, uvažujme jej jako dělič napětí.
Mezi výstupním a vstupním napětím je zřejmý vztah.
Koeficient přenosu napětí tohoto obvodu
Při kvazi-rezonanční frekvenci w 0 musí být koeficient přenosu napětí roven reálnému číslu. To je možné pouze v případě, že odpory vyjádřené odpovídajícím matematickým zápisem v čitateli a jmenovateli posledního vzorce budou mít stejný charakter. Tato podmínka je poskytnuta pouze v případě, že reálná část jmenovatele je rovna nule, tzn.
Odtud kvazi-rezonanční frekvence
Co se týče koeficientu přenosu napětí, tak při kvazi-rezonanční frekvenci je roven
Dosazením hodnoty do tohoto vzorce
Za předpokladu, že R1 = R 2 = R A C 1 = С 2 = С, najdeme konečné hodnoty f 0
Útlum zavedený uvažovaným selektivním řetězcem na kvazi-rezonanční frekvenci je roven
To znamená, že minimální faktor zesílení, při kterém je splněna podmínka amplitudového vyvážení, musí být také roven 3. Je zřejmé, že tento požadavek lze celkem snadno splnit. Skutečný tranzistorový zesilovač mající dva stupně (nejmenší sudé číslo) umožňuje napěťové zesílení mnohem větší než NA Ó = 3. Proto je vhodné spolu s kladnou zpětnou vazbou zavést do zesilovače i zpětnou zpětnou vazbu negativní, která při snížení zisku zároveň výrazně omezí případné nelineární zkreslení generovaných kmitů. Schematický diagram takového generátoru je znázorněn na Obr. 1.9.
Frekvenčně laditelný tranzistorový RC oscilátorový obvod
Termistor v emitorovém obvodu tranzistoru T1 je navržen tak, aby stabilizoval amplitudu výstupního napětí při změně teploty. Nastavení frekvence se provádí pomocí spárovaného potenciometru R1R2.
V současnosti se diskrétní prvky (tranzistory) pro stavbu generátorů používají jen zřídka. Nejčastěji se pro tyto účely používají různé typy integrovaných obvodů. Obvody postavené na operačních zesilovačích, multiplikátorech, komparátorech a časovačích se vyznačují jednoduchostí, stabilitou parametrů a všestranností. Flexibilita a všestrannost operačního zesilovače umožňuje vytvořit s minimálním počtem externích komponent jednoduché, ale zároveň pohodlné pro nastavení a seřízení generátorů téměř všech typů s vyhovujícími parametry.
Princip činnosti takových generátorů je založen na použití fázově posuvných nebo rezonančních prvků v obvodech OS: Wienův můstek, dvojitý můstek ve tvaru T, posuvné RC obvody.
Existují další způsoby, jak generovat sinusové oscilace, jako je filtrování trojúhelníkových pulzů nebo extrahování první harmonické složky obdélníkových pulzů.
Zvažovali jsme jednu z odrůd generátorů využívajících oscilační obvod. Takové generátory se používají hlavně pouze při vysokých frekvencích, ale použití LC generátoru může být obtížné generovat při nižších frekvencích. Proč? Zapamatujme si vzorec: frekvence generátoru KC se vypočítá podle vzorce
To znamená: pro snížení generační frekvence je nutné zvýšit kapacitu hlavního kondenzátoru a indukčnost induktoru, což samozřejmě povede ke zvětšení velikosti.
Proto, aby se generovaly relativně nízké frekvence, RC generátory
princip fungování, o kterém budeme uvažovat.
Schéma nejjednoduššího RC generátoru(nazývá se také třífázový fázový obvod), je znázorněn na obrázku:
Diagram ukazuje, že se jedná pouze o zesilovač. Navíc je pokryt pozitivní zpětnou vazbou (POS): jeho vstup je spojen s výstupem, a proto je neustále v samobuzení. A frekvence RC generátoru je řízena tzv. řetězcem fázového posunu, který se skládá z prvků C1R1, C2R2, C3R3.
Pomocí jednoho řetězce rezistoru a kondenzátoru lze dosáhnout fázového posunu maximálně 90º. Ve skutečnosti se posun blíží 60º. Proto, aby bylo dosaženo fázového posunu 180º, musí být nastaveny tři řetězce. Z výstupu posledního RC obvodu je signál přiveden na bázi tranzistoru.
Provoz začíná okamžikem zapnutí napájení. V tomto případě vznikající kolektorový proudový impuls obsahuje široké a spojité frekvenční spektrum, ve kterém nezbytně bude požadovaná generační frekvence. V tomto případě se oscilace frekvence, na kterou je naladěn obvod fázového posunu, netlumí. Frekvence kmitání je určena vzorcem:
V tomto případě musí být splněna následující podmínka:
R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C
Takové generátory mohou pracovat pouze s pevnou frekvencí.
Kromě použití obvodu s fázovým posunem existuje další, běžnější možnost. Generátor je také postaven na tranzistorovém zesilovači, ale místo řetězce s fázovým posunem je použit tzv. Vin-Robinsonův můstek (Vinovo příjmení se píše s jedním „H“ !!). Takhle to vypadá:
Levá strana obvodu je pasivní pásmový RC filtr, v bodě A je výstupní napětí odstraněno.
Pravá strana je jako frekvenčně nezávislý dělič.
Obecně se uznává, že R1=R2=R, C1=C2=C. Potom bude rezonanční frekvence určena následujícím výrazem:
V tomto případě je modul zesílení maximální a rovný 1/3 a fázový posun je nulový. Pokud je zisk děliče roven zesílení pásmové propusti, pak na rezonanční frekvenci bude napětí mezi body A a B nulové a PFC na rezonanční frekvenci vyskočí z -90º na +90º. Obecně musí být splněna následující podmínka:
R3 = 2R4
Ale je tu jen jeden problém: to vše lze uvažovat pouze za ideálních podmínek. Ve skutečnosti není vše tak jednoduché: sebemenší odchylka od podmínky R3 = 2R4 povede buď k poruše generace, nebo k saturaci zesilovače. Aby to bylo jasnější, připojíme vídeňský můstek k operačnímu zesilovači:
Obecně nelze toto schéma použít tímto způsobem, protože v každém případě dojde k rozpětí parametrů mostu. Proto je místo rezistoru R4 zaveden jakýsi nelineární nebo řízený odpor.
Například nelineární rezistor: řízený odpor pomocí tranzistorů. Nebo můžete také vyměnit rezistor R4 za mikrovýkonovou žárovku, jejíž dynamický odpor se zvyšuje s rostoucí amplitudou proudu. Vlákno má dostatečně velkou tepelnou setrvačnost a při frekvencích několika set hertzů prakticky neovlivňuje činnost obvodu během jedné periody.
Oscilátory Wien bridge mají jednu dobrou vlastnost: pokud budou R1 a R2 nahrazeny proměnnými (ale pouze zdvojenými), pak bude možné regulovat frekvenci generování v určitých mezích.
Kapacity C1 a C2 je možné rozdělit na sekce, pak bude možné přepínat rozsahy a plynule upravovat frekvenci v rozsazích dvojitým proměnným rezistorem R1R2.
Téměř praktický obvod RC oscilátoru s Wienovým můstkem na obrázku níže:
Zde: přepínačem SA1 můžete přepínat rozsah a dvojitým rezistorem R1 upravovat frekvenci. Zesilovač DA2 se používá k přizpůsobení generátoru zátěži.
Harmonický oscilátor nazývá se zařízení, které vytváří střídavé sinusové napětí při absenci vstupních signálů. Obvody generátoru vždy používají kladnou zpětnou vazbu.
Výkyvy se nazývají volný, uvolnit(nebo vlastní), pokud jsou prováděny na úkor původně dokonalé energie s následnou absencí vnějších vlivů na oscilační systém (systém, který kmitá). Nejjednodušším typem kmitů jsou kmity harmonické - kmity, při kterých se kmitající hodnota v čase mění podle sinusového (kosinového) zákona.
Generátory jsou nedílnou součástí mnoha měřicích přístrojů a nejdůležitějších bloků automatických systémů.
Existují analogové a digitální generátory. U analogových generátorů harmonických kmitů je důležitým problémem automatická stabilizace amplitudy výstupního napětí. Pokud obvod neposkytuje automatická stabilizační zařízení, nebude stabilní provoz generátoru možný. V tomto případě se po výskytu oscilací začne amplituda výstupního napětí neustále zvyšovat, což povede k tomu, že aktivní prvek generátoru (například operační zesilovač) vstoupí do režimu saturace. . V důsledku toho se výstupní napětí bude lišit od harmonického. Schémata pro automatickou stabilizaci amplitudy jsou poměrně složitá.
Strukturální obvod generátoru zobrazeno na obrázku níže:
IE - zdroj energie,
UE - zesilovač,
POS - obvod kladné zpětné vazby,
OOS - obvod záporné zpětné vazby,
FK - oscilační tvarovač (LC-obvod nebo fázovací RC-obvod).
Podle způsob, jak získat vibrace generátory se dělí do dvou skupin: generátory s vnější buzení a generátory s sebebuzení. Generátor s vnějším buzením je výkonový zesilovač, na jehož vstup jsou přiváděny elektrické signály ze zdroje kmitání. Generátory s vlastním buzením obsahují generátory vibrací; takové generátory se často nazývají oscilátory .
Princip činnosti autogenerátoru.
Je založen na automatickém doplňování energie, kterou oscilační tvarovač vydává.
Přitom je třeba dodržovat následující:
-pravidlo amplitudové rovnováhy- součin zesílení a faktoru zpětné vazby by se měl rovnat 1.
-pravidlo fázové rovnováhy- to znamená, že oscilace se vyskytují na přesně definované frekvenci, při které dochází k fázové koincidenci.
Pokud jsou splněny obě podmínky, oscilace vznikají plynule nebo náhle a jsou automaticky udržovány v daném rozsahu. Při velkém fázovém posunu se oscilace navzájem vyruší a následně úplně zmizí.
Existuje mnoho druhů obvodů generátoru sinusových vln. Generátory pro frekvence od několika desítek kilohertzů a vyšší obsahují LC obvody a generátory pro nízké frekvence, zpravidla, RC filtry .
Schémata LC generátorů harmonických kmitů.
V generátorech s LC obrysy jsou použity indukční cívky a vysoce kvalitní kondenzátory. Auto-oscilátor - oscilátor - je jeden nebo více zesilovacích stupňů s pozitivními frekvenčně závislými zpětnovazebními obvody; zpětnovazební obvody obsahují oscilační obvody. Existují různé možnosti zapnutí oscilačního obvodu vzhledem k RE elektrodám: pouze na vstupu, pouze na výstupu nebo současně v několika úsecích obvodu. Podle způsobů spojení LC prvků s elektrodami zesilovacích prvků se rozlišuje transformátorové zapojení a tzv. tříbodové zapojení - indukční nebo kapacitní. Oscilátor spojený s transformátorem je znázorněn na Obr. 1.
Rýže. 1. Autogenerátor-tvarovač sinusových kmitů s připojením transformátoru.
Oscilační obvod, sestávající z Lk cívky a kondenzátoru C, je zátěží kolektoru tranzistoru V1 Indukční spojení mezi výstupem a vstupem zesilovače zajišťuje Lb cívka připojená k bázi tranzistoru. Prvky R1, R2, Re, Se jsou navrženy tak, aby poskytovaly potřebný režim provozu pro stejnosměrný proud a jeho tepelnou stabilizaci.
Díky kondenzátoru C1, který má při generační frekvenci nízký odpor, je vytvořen obvod pro proměnnou proudovou složku mezi bází a emitorem tranzistoru. Tečky označují začátek vinutí Lb a Lk, protože je nutné dodržet podmínku fázové rovnováhy. Stav fázového vyvážení pozorováno, pokud příliv energie nastává synchronně se změnou znaménka napětí na obvodu; např. v kaskádě s tranzistorem zapojeným podle obvodu OE jsou fáze vstupního a výstupního signálu vzájemně posunuty o 180 ° C. Proto je třeba konce Lb cívky spojit tak, aby oscilace vstupu a výstupu jsou ve fázi. Podmínka vyvážení amplitudy spočívá v tom, že ztráty v obvodu a zátěži jsou průběžně doplňovány napájecím zdrojem.
Rýže. 1a. Práce generátoru. Přechodové procesy.
Provoz antogenerátoru(obr. 1a) se spustí při zapnutí zdroje Ek. Počáteční proudový impuls budí kmitání v obvodu LkC s frekvencí 
, který by se mohl zastavit v důsledku ztrát tepelné energie v aktivním odporu cívky a kondenzátoru. Ale protože mezi cívkami Lb a Lk existuje indukční spojení se vzájemným koeficientem indukčnosti M, objeví se v základním obvodu střídavý proud, shodující se ve fázi s proudem kolektorového obvodu (podmínka fázové rovnováhy je zajištěna racionálním zahrnutím konců vinutí Lb). Zesílené kmity jsou přenášeny z obvodu zpět do základního obvodu a amplituda kmitů se postupně zvyšuje, až dosáhne předem stanovené hodnoty.
Rýže. 2. Tvarovače sinusových kmitů založené na oscilačním obvodu sestaveném podle tříbodového indukčního (a) a kapacitního (b) obvodu.
Autogenerátor sestavený podle tříbodový vzor, je znázorněno na Obr. 2, a. Oscilační obvod sestávající z dělené cívky Lk a kondenzátoru Sk je zátěží tranzistoru V1. Cívka Lk je rozdělena na dvě části: jeden výstup je připojen ke kolektoru, druhý - k bázi tranzistoru; energie je dodávána do jednoho ze středních závitů této cívky. Toto zahrnutí zajišťuje implementaci fázové rovnováhy a vyznačuje se velkou jednoduchostí a spolehlivostí. Pracovní režim tranzistoru ve stejnosměrném proudu a jeho tepelná stabilizace jsou prováděny stejnými prvky jako v obvodu transformátorového generátoru (viz obr. 1). Kapacitní tříbodový obvod (obr. 2b) obsahuje v kapacitní větvi oscilačního obvodu dva kondenzátory, mezi nimiž je středový bod připojen k emitoru tranzistoru V1. Oscilační obvod je zapojen do série mezi zdrojem energie a RE. Napětí na kondenzátorech mají opačnou polaritu vzhledem ke společnému bodu, což zajišťuje splnění podmínky fázové vyváženosti.
Schémata RC-generátorů harmonických kmitů.
RC oscilátory se používají ke generování nízkofrekvenčních a nízkofrekvenčních oscilací (od zlomků hertzů až po několik desítek kilohertzů); RC oscilátory mohou generovat oscilace vyšších frekvencí, nicméně nízkofrekvenční oscilace jsou stabilnější.
Rýže. 3. Samooscilátory sinusových kmitů s terčem z RC-článků ve tvaru L (a) a můstkového typu (b).
RC oscilátor se skládá ze zesilovače (jednostupňového nebo vícestupňového) a frekvenčně závislého zpětnovazebního obvodu. Zpětnovazební obvody jsou vyrobeny ve formě "žebříkových" (obr. 3, a) nebo můstkových (obr. 3, b) RC obvodů.
RC oscilátor s multilink Obvod zpětné vazby RC je znázorněn na Obr. 3, a. Tři sériově zapojené fáze R1C1-R3C3, zapojené mezi výstup a vstup zesilovacího stupně, tvoří obvod s kladnou zpětnou vazbou s filtračními vlastnostmi. Podporuje oscilační proces pouze na jedné konkrétní frekvenci; bez RC prvků by měl jednostupňový zesilovač negativní napěťovou zpětnou vazbu. Stav fázového vyvážení Spočívá v tom, že každý z RC spojů otočí fázi signálu o úhel 60° a celkový úhel posunu je 180°. Podmínka amplitudového vyvážení je splněna výběrem vhodného stupně zesílení.
Auto oscilátor s RC filtrem typ mostu znázorněno na Obr. 3b. Dvě ramena můstku - spojky R1C1 a R2C2 - jsou připojeny k neinvertujícímu vstupu zesilovače 2 (číslo uvnitř trojúhelníku znamená počet stupňů). Tyto články tvoří POS řetězec. Na invertující vstup téhož zesilovače je připojena další úhlopříčka, tvořená nelineárními prvky R3 a r, která vytváří řetězec OOS. V tomto obvodu má můstek selektivní vlastnost a podmínka fázového vyvážení je zajištěna při jedné frekvenci (při které je výstupní signál můstku ve fázi se vstupním signálem). Nastavení frekvence v tomto autogenerátoru je jednoduché a pohodlné a je možné ve velmi širokém frekvenčním rozsahu. Provádí se změnou buď odporů obou rezistorů, nebo kapacit obou můstkových kondenzátorů.
Společnou nevýhodou všech generátorů je citlivost generované frekvence na změny napájecího napětí, teploty a „stárnutí“ prvků obvodu.
RC-generátor je generátor harmonických kmitů, ve kterém místo oscilačního systému obsahuje prvky L A S je použit odporově kapacitní obvod ( RC-obvod) s frekvenční selektivitou.
Vyloučení induktorů z obvodu umožňuje výrazně snížit rozměry a hmotnost generátoru, zejména při nízkých frekvencích, protože rozměry induktorů se s klesající frekvencí prudce zvětšují. Důležitá výhoda RC-generátory ve srovnání s LC-generátorů je možnost jejich výroby integrovanou technologií. nicméně RC-generátory mají nízkou frekvenční stabilitu generovaných kmitů z důvodu nízkého činitele jakosti RC-obvody, stejně jako špatný tvar kmitů v důsledku špatného filtrování vyšších harmonických ve spektru výstupního kmitání.
RC-generátory mohou pracovat v širokém frekvenčním rozsahu (od zlomků hertzů až po desítky megahertzů), v komunikačních zařízeních a měřicí technice však našly uplatnění především na nízkých frekvencích.
Základy teorie RC generátory vyvinuli sovětští vědci V. P. Aseev, K. F. Teodorčik, E. O. Saakov, V. G. Kriksunov a další.
RC-oscilátor obvykle obsahuje širokopásmový zesilovač, vyrobený na elektronce, tranzistoru nebo integrovaném obvodu a RC-obvod zpětné vazby, který má selektivní vlastnosti a určuje frekvenci kmitů. Zesilovač kompenzuje energetické ztráty v pasivních prvcích a zajišťuje splnění podmínky amplitudy samobuzení. Zpětnovazební obvod zajišťuje, že fázová podmínka samobuzení je splněna pouze na jedné frekvenci. Typ zpětné vazby RC Generátory jsou rozděleny do dvou skupin:
s nulovým fázovým posunem ve zpětnovazebním obvodu;
s fázovým posunem ve zpětnovazebním obvodu o 180.
Pro zlepšení tvaru generovaných oscilací v RC generátory používají prvky, které mají nelinearitu, která omezuje nárůst amplitudy kmitů. Parametry takového prvku se mění v závislosti na amplitudě kmitů, a nikoli na jejich okamžitých hodnotách (termistor, jehož odpor závisí na stupni zahřívání proudem, který jím prochází). Při takovém omezení se forma kmitů nemění, zůstávají harmonické i ve stacionárním režimu.
Zvažte oba typy RC-autogenerátory.
Auto-oscilátor s fázovým posunem 180 ve zpětnovazebním obvodu.
Takový oscilátor se také nazývá oscilátor s tříčlánkovým řetězem. RC.
Ve schématech RC-generátory s fázovým posunem ve zpětnovazebním obvodu o 180 využívají zesilovače, které invertují fázi vstupního napětí. Takovým zesilovačem může být například operační zesilovač s invertujícím vstupem, jednostupňový zesilovač nebo vícestupňový zesilovač s lichým počtem invertujících stupňů.
Aby byla splněna rovnice fázové rovnováhy, musí obvod zpětné vazby zajistit fázový posun OS = 180.
Abychom ospravedlnili strukturu zpětnovazebního obvodu, reprodukujeme fázově-frekvenční charakteristiky nejjednodušších RC-linky (obr. 3.4).
Rýže. 3 možnost RC-link a jeho PFC
Rýže. 4 Možnost RC-link a jeho PFC
Z grafů je vidět, že jeden z nejjednodušších RC-link zavádí fázový posun nepřesahující 90. Proto lze fázového posunu 180 dosáhnout kaskádováním tří elementárních RC- odkazy (obr. 5).
Rýže. 5 Schémata a PFC tříčlánkových RC- řetězy
Elementy RC-obvody jsou vypočítány tak, aby bylo dosaženo fázového posunu 180 při generační frekvenci. Jedna z možností generátoru s tříčlánkovým obvodem RC zobrazeno na obrázku 6
Rýže. 6 Tříčlánkový generátor RC
Generátor se skládá z odporového tranzistorového zesilovače a zpětnovazebního obvodu. Jednostupňový zesilovač se společným emitorem provádí fázový posun mezi napětím na kolektoru a základnou K \u003d 180. Proto, aby se fáze vyrovnaly, musí zpětnovazební obvod poskytovat OS \u003d 180 na frekvenci generované oscilace.
Rozebereme zpětnovazební obvod, pro který sestavíme soustavu rovnic metodou smyčkových proudů.
Řešením výsledného systému s ohledem na koeficient zpětné vazby získáme výraz
Z výrazu vyplývá, že fázový posun 180 se získá, když se jedná o skutečnou a zápornou hodnotu, tzn.
proto je generování možné s frekvencí
Při této frekvenci je modul zpětnovazebního koeficientu
To znamená, že pro vybuzení vlastních oscilací musí být koeficient zesilovače větší než 29.
Výstupní napětí generátoru je obvykle odebíráno z kolektoru tranzistoru. Pro získání kmitů harmonického tvaru je v obvodu emitoru zahrnut termistor R T s kladným teplotním koeficientem odporu. S nárůstem amplitudy kmitů odpor R T se zvyšuje a hloubka záporné zpětné vazby ve střídavém zesilovači se zvyšuje, respektive se snižuje zisk. Když nastane stacionární režim oscilací ( NA= 1), zesilovač zůstává lineární a nedochází k žádnému zkreslení průběhu kolektorového proudu.
Vlastní oscilátor s nulovým fázovým posunem ve zpětnovazebním obvodu.
Charakteristický rys schémat RC-generátory s nulovým fázovým posunem ve zpětnovazebním obvodu je použití zesilovačů v nich, které neinvertují fázi vstupního signálu. Takovým zesilovačem může být například operační zesilovač s neinvertujícím vstupem nebo vícestupňový zesilovač se sudým počtem invertujících stupňů. Uvažujme některé možné varianty zpětnovazebních obvodů, které poskytují nulový fázový posun (obr. 7).
Rýže. 7 Varianty obvodů OS poskytující nulový fázový posun
Skládají se ze dvou částí, z nichž jedna je RC-spojení s kladným fázovým posunem a druhé - s negativním fázovým posunem. V důsledku přidání PFC na určité frekvenci (generační frekvence) můžete získat fázový posun rovný nule.
V praxi se nejčastěji jako selektivní obvod s nulovým fázovým posunem používá fázově vyrovnávající můstek nebo jiným způsobem Wienův můstek (obr. 7 c), jehož použití je znázorněno na schématu Obr. RC-oscilátor s nulovým fázovým posunem, vyrobený na operačním zesilovači (obr. 8).
Rýže. 8 RC-generátor s nulovým fázovým posunem v obvodu OS
V tomto obvodu je napětí z výstupu zesilovače přiváděno na jeho neinvertující vstup přes zpětnovazební obvod tvořený prvky Wienova můstku R 1 C 1 a R 2 C 2. Odporový řetěz RR T tvoří další zpětnou vazbu - negativní, která je určena k omezení nárůstu amplitudy kmitů a zachování jejich harmonického tvaru. Napětí záporné zpětné vazby je přivedeno na invertující vstup operačního zesilovače. Termistor R T musí mít záporný teplotní koeficient odporu.
Zisk zpětné vazby
musí být skutečnou a pozitivní hodnotou, a to je možné, když je rovnost
Odtud se určuje frekvence generovaných kmitů. Li R 1 = R 2 =R, C 1 = C 2 = C, Že
Amplitudová podmínka pro samobuzení na frekvenci 0 vyžaduje splnění nerovnosti
Pokud se rovná R 1 = R 2 = R A C 1 = C 2 = C získat NA > 3.
Frekvenci kmitání lze měnit změnou odporů R nebo kapacity kondenzátorů S, které jsou součástí vídeňského můstku, a amplituda kmitů je řízena odporem R.
Hlavní výhoda RC- dříve generátory LC-oscilátory spočívá v tom, že první se snáze implementují pro nízké frekvence. Pokud je například v obvodu generátoru s nulovým fázovým posunem v obvodu zpětné vazby (obr. 8) R 1 = R 2 = 1 MΩ, C 1 = C 2 = 1 uF, pak generovaná frekvence
.
Chcete-li získat stejnou frekvenci LC generátor by vyžadoval indukčnost L= 1016 H at S= 1 uF, což je obtížné realizovat.
V RC-generátory mohou, současnou změnou hodnot kapacit S 1 a S 2, získáte širší rozsah ladění frekvence, než je tomu v případě LC-generátory. Pro LC-generátory
zatímco pro RC- generátory, at S 1 = S 2
K nevýhodám RC-generátorům je třeba přičíst skutečnost, že při relativně vysokých frekvencích je jejich implementace obtížnější než LC-generátory. Hodnotu kapacity skutečně nelze snížit pod montážní kapacitu a snížení odporu rezistorů vede k poklesu zesílení, což znesnadňuje splnění podmínky amplitudového samobuzení.
Vyjmenované výhody a nevýhody RC-generátory vedly k jejich použití v nízkofrekvenčním rozsahu s velkým poměrem překrytí frekvencí.
