Generator jest układem samooscylacyjnym generującym impulsy prądu elektrycznego, w którym tranzystor pełni rolę elementu przełączającego. Początkowo, od czasu wynalezienia, tranzystor był pozycjonowany jako element wzmacniający. Prezentacja pierwszego tranzystora miała miejsce w 1947 roku. Prezentacja tranzystora polowego miała miejsce nieco później – w 1953 r. W generatorach impulsów pełni on rolę przełącznika, a dopiero w generatorach prądu przemiennego realizuje swoje właściwości wzmacniające, uczestnicząc jednocześnie w tworzeniu dodatniego sprzężenie zwrotne wspierające proces oscylacyjny.
Wizualna ilustracja podziału zakresu częstotliwości
Klasyfikacja
Generatory tranzystorowe mają kilka klasyfikacji:
- według zakresu częstotliwości sygnału wyjściowego;
- według rodzaju sygnału wyjściowego;
- zgodnie z zasadą działania.
Zakres częstotliwości jest wartością subiektywną, jednak dla standaryzacji przyjmuje się następujący podział zakresu częstotliwości:
- 30 Hz do 300 kHz - niska częstotliwość (LF);
- od 300 kHz do 3 MHz - częstotliwość średnia (MF);
- 3 MHz do 300 MHz – wysoka częstotliwość (HF);
- powyżej 300 MHz - ultrawysoka częstotliwość (SHF).
Jest to podział zakresu częstotliwości w polu fal radiowych. Istnieje zakres częstotliwości audio (AF) - od 16 Hz do 22 kHz. Chcąc więc podkreślić zakres częstotliwości generatora, nazywa się go np. generatorem wysokiej lub niskiej częstotliwości. Z kolei częstotliwości zakresu dźwięku są również podzielone na HF, MF i LF.
W zależności od rodzaju sygnału wyjściowego generatory mogą być:
- sinusoidalny – do generowania sygnałów sinusoidalnych;
- funkcjonalny - do samooscylacji sygnałów o specjalnej formie. Szczególnym przypadkiem jest prostokątny generator impulsów;
- generatory szumu - generatory o szerokim spektrum częstotliwości, w których w danym zakresie częstotliwości widmo sygnału jest jednolite od dolnej do górnej części odpowiedzi częstotliwościowej.
Zgodnie z zasadą działania generatorów:
- Generatory RC;
- generatory LC;
- Generatory blokujące - układ kształtujący krótkie impulsy.
Ze względu na podstawowe ograniczenia, oscylatory RC są zwykle stosowane w zakresie niskich częstotliwości i audio, a oscylatory LC w zakresie częstotliwości HF.
Obwód generatora
Generatory fal sinusoidalnych RC i LC
Generator na tranzystorze najprościej jest zaimplementowany w pojemnościowym obwodzie trzypunktowym - generatorze Kolpitza (ryc. poniżej).
Obwód oscylatora tranzystorowego (generator Colpitza)
W obwodzie Kolpitza elementy (C1), (C2), (L) regulują częstotliwość. Pozostałe elementy to standardowe orurowanie tranzystorowe zapewniające niezbędne działanie prądu stałego. Ten sam prosty obwód ma generator zmontowany zgodnie z indukcyjnym obwodem trzypunktowym - generator Hartleya (ryc. poniżej).
Schemat generatora trzypunktowego ze sprzężeniem indukcyjnym (generator Hartleya)
W tym obwodzie częstotliwość oscylatora jest określana przez obwód równoległy, który zawiera elementy (C), (La), (Lb). Kondensator (C) jest potrzebny do wytworzenia dodatniego sprzężenia zwrotnego na prądzie przemiennym.
Praktyczna realizacja takiego generatora jest trudniejsza, ponieważ wymaga cewki indukcyjnej z kranem.
Obydwa generatory samooscylacyjne są stosowane głównie w zakresach MF i HF jako generatory częstotliwości nośnej, w obwodach lokalnych oscylatorów ustalających częstotliwość i tak dalej. Regeneratory radiowe również opierają się na oscylatorach. To zastosowanie wymaga stabilności wysokiej częstotliwości, dlatego obwód prawie zawsze jest uzupełniany rezonatorem oscylacyjnym kwarcowym.
Główny generator prądu oparty na rezonatorze kwarcowym charakteryzuje się samooscylacjami z bardzo dużą dokładnością w zadawaniu wartości częstotliwości generatora RF. Miliardowe części procenta są dalekie od limitu. Regeneratory radiowe wykorzystują wyłącznie kwarcową stabilizację częstotliwości.
Praca generatorów w obszarze prądu o niskiej częstotliwości i częstotliwości akustycznej wiąże się z trudnościami w realizacji dużych wartości indukcyjności. Mówiąc dokładniej, w wymiarach wymaganej cewki indukcyjnej.
Obwód oscylatora Pierce'a jest modyfikacją obwodu Kolpitza, zrealizowaną bez użycia indukcyjności (rys. poniżej).
Przebij obwód generatora bez użycia indukcyjności
W obwodzie Pierce'a indukcyjność zastąpiono rezonatorem kwarcowym, co pozwoliło pozbyć się pracochłonnej i nieporęcznej cewki indukcyjnej, a jednocześnie ograniczyło górny zakres oscylacji.
Kondensator (C3) nie przekazuje składowej stałej polaryzacji bazy tranzystora do rezonatora kwarcowego. Taki generator może generować oscylacje do 25 MHz, łącznie z częstotliwością akustyczną.
Działanie wszystkich powyższych generatorów opiera się na właściwościach rezonansowych układu oscylacyjnego złożonego z pojemności i indukcyjności. Odpowiednio częstotliwość oscylacji jest określona przez wartości tych elementów.
Generatory prądu RC wykorzystują zasadę przesunięcia fazowego w obwodzie RC. Najczęściej stosowany obwód z łańcuchem przesuwającym fazę (ryc. poniżej).
Schemat oscylatora RC z łańcuchem przesunięcia fazowego
Elementy (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) dokonują przesunięcia fazowego w celu uzyskania dodatniego sprzężenia zwrotnego niezbędnego do wystąpienia samooscylacji. Generowanie odbywa się przy częstotliwościach, dla których przesunięcie fazowe jest optymalne (180 stopni). Obwód z przesunięciem fazowym wprowadza silne tłumienie sygnału, dlatego taki obwód ma zwiększone wymagania dotyczące wzmocnienia tranzystora. Obwód mostka Wiena jest mniej wymagający pod względem parametrów tranzystora (ryc. poniżej).
Schemat generatora RC z mostkiem Wiedeńskim
Podwójny mostek T Wiena składa się z elementów (C1), (C2), (R3) i (R1), (R2), (C3) i jest wąskopasmowym filtrem wycinającym dostrojonym do częstotliwości generacji. Dla wszystkich innych częstotliwości tranzystor jest objęty głębokim połączeniem ujemnym.
Funkcjonalne generatory prądu
Generatory funkcyjne służą do generowania ciągu impulsów o określonym kształcie (forma opisuje określoną funkcję - stąd nazwa). Najpopularniejsze generatory to impulsy prostokątne (jeśli stosunek czasu trwania impulsu do okresu oscylacji wynosi ½, wówczas taka sekwencja nazywana jest „meanderem”), impulsy trójkątne i piłokształtne. Najprostszy prostokątny generator impulsów - multiwibrator, służy jako pierwszy obwód dla początkujących radioamatorów do samodzielnego montażu (ryc. poniżej).
Schemat multiwibratora - generatora impulsów prostokątnych
Cechą multiwibratora jest to, że można w nim zastosować prawie każdy tranzystor. Czas trwania impulsów i przerw między nimi zależy od wartości kondensatorów i rezystorów w obwodach podstawowych tranzystorów (Rb1), Cb1) i (Rb2), (Cb2).
Częstotliwość samooscylacji prądu może wahać się od jednostek herców do dziesiątek kiloherców. Niemożliwe jest zaimplementowanie samooscylacji HF na multiwibratorze.
Generatory impulsów trójkątnych (piłokształtnych) budowane są zwykle na bazie generatorów impulsów prostokątnych (oscylator główny) poprzez dodanie łańcucha korekcyjnego (rys. poniżej).
Trójkątny obwód generatora impulsów
Kształt impulsów, zbliżony do trójkątnego, zależy od napięcia ładowania i rozładowania na płytkach kondensatora C.
Generator blokujący
Celem generatorów blokujących jest generowanie silnych impulsów prądowych o stromych frontach i niskim cyklu pracy. Czas trwania przerw pomiędzy impulsami jest znacznie dłuższy niż czas trwania samych impulsów. Oscylatory blokujące są stosowane w układach kształtujących impulsy, komparatorach, ale głównym obszarem zastosowania jest oscylator główny ze skanowaniem liniowym w urządzeniach wyświetlających informacje opartych na lampach elektronopromieniowych. Generatory blokujące z powodzeniem stosowane są także w urządzeniach przetwarzających energię.
Generatory FET
Cechą tranzystorów polowych jest bardzo duża rezystancja wejściowa, której rząd jest proporcjonalny do rezystancji lamp elektronicznych. Wymienione powyżej rozwiązania obwodów są uniwersalne, są po prostu przystosowane do zastosowania różnego rodzaju elementów aktywnych. Colpitz, Hartley i inne generatory wykonane na tranzystorze polowym różnią się jedynie wartościami znamionowymi elementów.
Obwody zadawania częstotliwości mają te same współczynniki. Aby wygenerować oscylacje o wysokiej częstotliwości, nieco preferowany jest prosty generator wykonany na tranzystorze polowym zgodnie z indukcyjnym obwodem trzypunktowym. Faktem jest, że tranzystor polowy, mający wysoką rezystancję wejściową, praktycznie nie ma wpływu bocznikowego na indukcyjność, dlatego generator wysokiej częstotliwości będzie działał bardziej stabilnie.
Generatory hałasu
Cechą generatorów szumu jest jednorodność odpowiedzi częstotliwościowej w pewnym zakresie, to znaczy amplituda oscylacji wszystkich częstotliwości w danym zakresie jest taka sama. Generatory szumu stosowane są w urządzeniach pomiarowych do oceny charakterystyk częstotliwościowych badanego toru. Generatory szumu pasma audio są często uzupełniane korektorem odpowiedzi częstotliwościowej, aby dostosować się do subiektywnej głośności ludzkiego słuchu. Taki hałas nazywany jest „szarym”.
Wideo
Jak dotąd istnieje kilka obszarów, w których zastosowanie tranzystorów jest trudne. Są to potężne generatory zasięgu mikrofal w radarach i tam, gdzie wymagane jest odbieranie szczególnie silnych impulsów o wysokiej częstotliwości. Jak dotąd nie opracowano potężnych tranzystorów mikrofalowych. We wszystkich innych obszarach zdecydowana większość generatorów jest wykonana wyłącznie na tranzystorach. Jest tego kilka powodów. Po pierwsze wymiary. Po drugie, zużycie energii. Po trzecie niezawodność. Ponadto tranzystory, ze względu na specyfikę swojej budowy, są bardzo łatwe w miniaturyzacji.
Stosowanie generatorów z obwodami oscylacyjnymi (np LC) generowanie oscylacji o częstotliwościach mniejszych niż 15–20 kHz jest trudne i niewygodne ze względu na masę obwodów. Obecnie powszechnie stosuje się do tego celu generatory tego typu. RC, w którym zamiast obwodu oscylacyjnego zastosowano selektywne filtry RC. Generatory typu RC może generować bardzo stabilne oscylacje sinusoidalne w stosunkowo szerokim zakresie częstotliwości od ułamków herca do setek kiloherców. Ponadto charakteryzują się niewielkimi rozmiarami i wagą. Najbardziej kompletne zalety generatorów typów RC pojawiają się w obszarze niskich częstotliwości.
Schemat konstrukcyjny generatora drgań sinusoidalnych typu RC pokazany na ryc. 1,5.
Ryż. 1,5
Wzmacniacz zbudowany jest w oparciu o zwykły obwód rezystancyjny. W celu samowzbudzenia wzmacniacza, czyli przekształcenia początkowo występujących oscylacji w nietłumione, należy podać na wejście wzmacniacza część napięcia wyjściowego, która przekracza napięcie wejściowe lub jest równa co do wielkości i pokrywa się z nim w fazie, innymi słowy, aby pokryć wzmacniacz dodatnim sprzężeniem zwrotnym o wystarczającej głębokości. Gdy wyjście wzmacniacza zostanie bezpośrednio podłączone do jego wejścia, następuje samowzbudzenie, jednakże kształt generowanych oscylacji będzie znacznie różnił się od sinusoidalnego, ponieważ warunki samowzbudzenia będą spełnione jednocześnie dla oscylacji wielu częstotliwości. Aby uzyskać oscylacje sinusoidalne, konieczne jest, aby warunki te były spełnione tylko przy jednej określonej częstotliwości i były gwałtownie naruszane przy wszystkich innych częstotliwościach.
Ryż. 1.6
To zadanie rozwiązuje się za pomocą łańcuch przesunięcia fazowego, który ma kilka linków RC i służy do obrócenia fazy napięcia wyjściowego wzmacniacza o 180 °. Zmiana fazy zależy od liczby ogniw P i równe
Z uwagi na to, że jedno łącze RC zmienia fazę o kąt< 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки P -- 3. W praktycznych obwodach generatorów zwykle stosuje się trójogniwowe łańcuchy z przesunięciem fazowym.
Na ryc. 1.6 pokazuje dwa warianty takich łańcuchów, zwane odpowiednio „R-równoległym” i „C-równoległym”. Częstotliwość generowanych oscylacji sinusoidalnych dla tych obwodów, pod warunkiem, że R1 = R 2 = R 3 = R I C T = C 2 = C3 = C oblicza się według następujących wzorów: dla obwodu na rys. 1.6, za:
dla obwodu z rys. 4,6, B:
Aby zapewnić równowagę amplitud, wzmocnienie wzmacniacza musi być równe tłumieniu wprowadzonemu przez obwód przesuwający fazę, przez który napięcie z wyjścia wchodzi na wejście wzmacniacza lub je przekracza.
Obliczenia pokazują, że dla danych obwodów tłumienie
Dlatego obwody wykorzystujące trójogniwowe łańcuchy z przesunięciem fazowym posiadające te same ogniwa mogą generować oscylacje sinusoidalne z częstotliwością F 0 tylko wtedy, gdy wzmocnienie wzmacniacza jest większe niż 29.
W obwodzie z przesunięciem fazowym z identycznymi ogniwami każde kolejne łącze ma działanie manewrujące w stosunku do poprzedniego. Aby zmniejszyć działanie bocznikowe łączy i zmniejszyć tłumienie w obwodzie sprzężenia zwrotnego z przesunięciem fazowym, tzw. progresywny więzy. W takim przypadku wybiera się rezystancję rezystora każdego kolejnego łącza tn razy większa od rezystancji poprzedniego ogniwa, a pojemność kolejnych ogniw maleje o tę samą wartość:
Zwykle wartość T nie przekracza 4-5.
Na ryc. 1.7 pokazuje jeden z możliwych schematów autogeneratora tego typu RC z przesuwnikiem fazowym.
Z punktu widzenia zapewnienia stanu równowagi fazowej taki generator mógłby być zbudowany na pojedynczym tranzystorze (T2) ze wspólnym emiterem. Jednak w tym przypadku obwód sprzężenia zwrotnego bocznikuje rezystor R K wzmacniający tranzystor i zmniejsza jego wzmocnienie, a niska rezystancja wejściowa tranzystora gwałtownie zwiększa tłumienie w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Dlatego wskazane jest oddzielenie wyjścia układu przesuwania fazowego od wejścia wzmacniacza za pomocą wtórnika emitera zamontowanego na tranzystorze T1.
Działanie oscylatora rozpoczyna się w momencie włączenia źródła zasilania. Powstały impuls prądu kolektora zawiera szerokie i ciągłe widmo częstotliwości, które koniecznie obejmuje wymaganą częstotliwość generowania. Dzięki spełnieniu warunków samowzbudzenia oscylacje tej częstotliwości stają się niewytłumione, natomiast oscylacje wszystkich pozostałych częstotliwości, dla których nie jest spełniony warunek równowagi fazowej, szybko zanikają.
Autogeneratory z obwodami przesuwającymi fazę są zwykle używane do generowania oscylacji sinusoidalnych o stałej częstotliwości. Wynika to z trudności w dostrajaniu częstotliwości w szerokim zakresie. Oscylatory zakresu tego typu RC zbudowany trochę inaczej. Rozważmy to pytanie bardziej szczegółowo.
Jeżeli wzmacniacz obróci fazę sygnału wejściowego o 2? (na przykład wzmacniacz z parzystą liczbą kaskad), to po pokryciu go odpowiednią głębokością dodatniego sprzężenia zwrotnego może generować oscylacje elektryczne bez konieczności stosowania specjalnego łańcucha przesuwającego fazę. Aby wyizolować wymaganą częstotliwość drgań sinusoidalnych z całego spektrum częstotliwości generowanych przez taki obwód, należy zadbać o to, aby warunki samowzbudzenia były spełnione tylko dla jednej częstotliwości. W tym celu w obwodzie sprzężenia zwrotnego można włączyć szeregowo-równoległy łańcuch selektywny, którego schemat pokazano na ryc. 1.8.
Ryż. 1.7
Zdefiniujmy właściwości tego obwodu, traktując go jako dzielnik napięcia.
Istnieje oczywista zależność pomiędzy napięciem wyjściowym i wejściowym.
Współczynnik przenoszenia napięcia tego obwodu
Przy częstotliwości quasi-rezonansowej w 0 współczynnik przenoszenia napięcia musi być równy liczbie rzeczywistej. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy opory wyrażone odpowiednim zapisem matematycznym w liczniku i mianowniku ostatniego wzoru będą miały ten sam charakter. Warunek ten jest spełniony tylko wtedy, gdy część rzeczywista mianownika jest równa zeru, tj.
Stąd częstotliwość quasi-rezonansowa
Jeśli chodzi o współczynnik przenoszenia napięcia, to przy częstotliwości quasi-rezonansowej jest on równy
Podstawiając do tego wzoru wartość
Zakładając, że R1 = R 2 = R I C 1 = С 2 = С, znajdujemy końcowe wartości f 0
Tłumienie wprowadzone przez rozważany łańcuch selektywny przy częstotliwości quasi-rezonansowej jest równe
Oznacza to, że minimalny współczynnik wzmocnienia, przy którym spełniony jest warunek równowagi amplitud, również musi wynosić 3. Oczywiste jest, że wymaganie to jest dość łatwe do spełnienia. Prawdziwy wzmacniacz tranzystorowy posiadający dwa stopnie (najmniejszą parzystą liczbę) pozwala na uzyskanie wzmocnienia napięciowego znacznie większego niż DO O = 3. Dlatego też, wraz z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, wskazane jest wprowadzenie do wzmacniacza ujemnego sprzężenia zwrotnego, co zmniejszając wzmocnienie, jednocześnie znacznie zmniejsza ewentualne nieliniowe zniekształcenia generowanych oscylacji. Schemat ideowy takiego generatora pokazano na ryc. 1.9.
Obwód oscylatora RC z tranzystorem przestrajalnym częstotliwości
Termistor w obwodzie emitera tranzystora T1 ma za zadanie stabilizować amplitudę napięcia wyjściowego przy zmianie temperatury. Regulacja częstotliwości odbywa się za pomocą sparowanego potencjometru R1R2.
Obecnie do budowy generatorów rzadko wykorzystuje się elementy dyskretne (tranzystory). Najczęściej do tych celów wykorzystuje się różnego rodzaju układy scalone. Obwody zbudowane na wzmacniaczach operacyjnych, mnożnikach, komparatorach i timerach wyróżniają się prostotą, stabilnością parametrów i wszechstronnością. Elastyczność i wszechstronność wzmacniacza operacyjnego pozwala stworzyć przy minimalnej liczbie komponentów zewnętrznych proste, ale jednocześnie wygodne w konfiguracji i regulacji generatory niemal wszystkich typów o zadowalających parametrach.
Zasada działania takich generatorów opiera się na zastosowaniu w obwodach OS elementów przesuwających fazę lub rezonansowych: mostka Wiena, mostka podwójnego T, przesuwających obwodów RC.
Istnieją inne sposoby generowania oscylacji sinusoidalnych, takie jak filtrowanie impulsów trójkątnych lub wyodrębnianie pierwszej składowej harmonicznej impulsów prostokątnych.
Rozważaliśmy jedną z odmian generatorów wykorzystujących obwód oscylacyjny. Takie generatory są używane głównie tylko przy wysokich częstotliwościach, ale użycie generatora LC może być trudne do wygenerowania przy niższych częstotliwościach. Dlaczego? Pamiętajmy o wzorze: częstotliwość generatora KC oblicza się ze wzoru
Oznacza to, że aby zmniejszyć częstotliwość generowania, konieczne jest zwiększenie pojemności kondensatora głównego i indukcyjności cewki indukcyjnej, a to oczywiście pociągnie za sobą zwiększenie rozmiaru.
Dlatego, aby wygenerować stosunkowo niskie częstotliwości, Generatory RC
zasadę działania, którą rozważymy.
Schemat najprostszego generatora RC(nazywany jest również trójfazowym obwodem fazowym), pokazano na rysunku:
Na schemacie widać, że to tylko wzmacniacz. Co więcej, jest objęty dodatnim sprzężeniem zwrotnym (POS): jego wejście jest połączone z wyjściem i dlatego jest stale w stanie samowzbudzenia. A częstotliwość generatora RC jest kontrolowana przez tzw. Łańcuch przesunięcia fazowego, który składa się z elementów C1R1, C2R2, C3R3.
Za pomocą jednego łańcucha rezystora i kondensatora można uzyskać przesunięcie fazowe nie większe niż 90°. W rzeczywistości przesunięcie jest bliskie 60°. Zatem aby uzyskać przesunięcie fazowe o 180° należy ustawić trzy łańcuchy. Z wyjścia ostatniego obwodu RC sygnał jest podawany na bazę tranzystora.
Praca rozpoczyna się w momencie włączenia zasilania. Impuls prądu kolektora powstający w tym przypadku zawiera szerokie i ciągłe widmo częstotliwości, w którym koniecznie będzie wymagana częstotliwość generowania. W takim przypadku oscylacje częstotliwości, do której dostrojony jest obwód przesuwania fazy, nie zostaną wytłumione. Częstotliwość oscylacji określa się ze wzoru:
W takim przypadku musi być spełniony następujący warunek:
R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C
Takie generatory mogą pracować tylko ze stałą częstotliwością.
Oprócz zastosowania obwodu z przesunięciem fazowym istnieje inna, bardziej powszechna opcja. Generator również zbudowany jest na wzmacniaczu tranzystorowym, jednak zamiast łańcucha przesuwającego fazę zastosowano tzw. mostek Vin-Robinsona (nazwisko Vin pisane jest przez jedno „H”!!). Oto jak to wygląda:
Lewa strona obwodu to pasywny filtr środkowoprzepustowy RC, w punkcie A napięcie wyjściowe jest usunięte.
Prawa strona przypomina dzielnik niezależny od częstotliwości.
Ogólnie przyjmuje się, że R1=R2=R, C1=C2=C. Następnie częstotliwość rezonansowa zostanie określona za pomocą następującego wyrażenia:
W tym przypadku moduł wzmocnienia jest maksymalny i równy 1/3, a przesunięcie fazowe wynosi zero. Jeżeli wzmocnienie dzielnika jest równe wzmocnieniu filtra środkowoprzepustowego, wówczas przy częstotliwości rezonansowej napięcie między punktami A i B będzie wynosić zero, a PFC przy częstotliwości rezonansowej skacze z -90° do +90°. Generalnie musi być spełniony następujący warunek:
R3=2R4
Ale jest tylko jeden problem: wszystko to można wziąć pod uwagę tylko w przypadku idealnych warunków. W rzeczywistości wszystko nie jest takie proste: najmniejsze odchylenie od warunku R3 = 2R4 doprowadzi albo do awarii generacji, albo do nasycenia wzmacniacza. Aby było jaśniej, podłączmy mostek Wien do wzmacniacza operacyjnego:
Ogólnie rzecz biorąc, tego schematu nie można zastosować w ten sposób, ponieważ w każdym przypadku nastąpi rozbieżność parametrów mostu. Dlatego zamiast rezystora R4 wprowadza się jakiś rodzaj nieliniowej lub kontrolowanej rezystancji.
Na przykład rezystor nieliniowy: rezystancja kontrolowana za pomocą tranzystorów. Można też zastąpić rezystor R4 żarówką mikromocową, której rezystancja dynamiczna wzrasta wraz ze wzrostem amplitudy prądu. Żarnik ma wystarczająco dużą bezwładność cieplną, a przy częstotliwościach kilkuset herców praktycznie nie wpływa na działanie obwodu w ciągu jednego okresu.
Oscylatory mostkowe Wiena mają jedną dobrą właściwość: jeśli R1 i R2 zostaną zastąpione zmiennymi (ale tylko podwojonymi), wówczas możliwa będzie regulacja częstotliwości generowania w pewnych granicach.
Możliwe jest podzielenie pojemności C1 i C2 na sekcje, wówczas możliwe będzie przełączanie zakresów i płynna regulacja częstotliwości w zakresach za pomocą podwójnego rezystora zmiennego R1R2.
Prawie praktyczny obwód oscylatora RC z mostkiem Wiena na poniższym rysunku:
Tutaj: przełącznikiem SA1 można przełączać zakres, a podwójnym rezystorem R1 można regulować częstotliwość. Wzmacniacz DA2 służy do dopasowania generatora do obciążenia.
Oscylator harmoniczny zwane urządzeniem wytwarzającym zmienne napięcie sinusoidalne przy braku sygnałów wejściowych. Obwody generatora zawsze korzystają z dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Fluktuacje nazywane są bezpłatny(lub własne), jeśli są wykonywane kosztem początkowo doskonałej energii z późniejszym brakiem wpływów zewnętrznych na układ oscylacyjny (układ, który oscyluje). Najprostszym rodzajem oscylacji są oscylacje harmoniczne – oscylacje, w których wartość oscylacyjna zmienia się w czasie zgodnie z prawem sinus (cosinus).
Generatory stanowią integralną część wielu przyrządów pomiarowych i najważniejsze bloki układów automatyki.
Istnieją generatory analogowe i cyfrowe. W przypadku analogowych generatorów oscylacji harmonicznych istotnym problemem jest automatyczna stabilizacja amplitudy napięcia wyjściowego. Jeżeli obwód nie zapewnia urządzeń automatycznej stabilizacji, stabilna praca generatora będzie niemożliwa. W takim przypadku po wystąpieniu oscylacji amplituda napięcia wyjściowego zacznie stale rosnąć, co doprowadzi do tego, że aktywny element generatora (na przykład wzmacniacz operacyjny) przejdzie w tryb nasycenia . W rezultacie napięcie wyjściowe będzie różnić się od harmonicznych. Schematy automatycznej stabilizacji amplitudy są dość złożone.
Strukturalny obwód generatora pokazano na poniższym rysunku:
Tj. – źródło energii,
UE - wzmacniacz,
POS - obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego,
OOS - obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego,
FK - układ kształtujący oscylacje (obwód LC lub obwód fazujący RC).
Przez sposób na wibracje generatory dzielą się na dwie grupy: generatory z wzbudzenie zewnętrzne i generatory z samowzbudzenie. Generator ze wzbudzeniem zewnętrznym to wzmacniacz mocy, na którego wejście podawane są sygnały elektryczne ze źródła oscylacji. Generatory samowzbudne zawierają generatory drgań; takie generatory są często nazywane oscylatory .
Zasada działania autogeneratora.
Polega na automatycznym uzupełnianiu energii zużywanej przez kształtownik oscylacyjny.
Należy przy tym przestrzegać następujących zasad:
-reguła równowagi amplitudy- iloczyn wzmocnienia i współczynnika sprzężenia zwrotnego powinien być równy 1.
-zasada równowagi fazowej- oznacza to, że oscylacje występują z dobrze określoną częstotliwością, przy której następuje zbieżność faz.
Jeżeli oba warunki są spełnione, oscylacje powstają płynnie lub gwałtownie i automatycznie utrzymują się w zadanym zakresie. Przy dużym przesunięciu fazowym oscylacje znoszą się wzajemnie, a następnie całkowicie zanikają.
Istnieje wiele odmian obwodów generatorów fal sinusoidalnych. Zawierają generatory częstotliwości od kilkudziesięciu kiloherców i wyższych Obwody LC i generatory niskich częstotliwości z reguły Filtry RC .
Schematy generatorów LC oscylacji harmonicznych.
W generatorach z Kontury LC zastosowano cewki indukcyjne i wysokiej jakości kondensatory. Auto-oscylator - kształtownik oscylacji - to jeden lub więcej stopni wzmacniających z dodatnimi obwodami sprzężenia zwrotnego zależnymi od częstotliwości; obwody sprzężenia zwrotnego zawierają obwody oscylacyjne. Istnieją różne możliwości włączenia obwodu oscylacyjnego względem elektrod RE: tylko na wejściu, tylko na wyjściu lub jednocześnie w kilku odcinkach obwodu. Ze względu na sposoby łączenia elementów LC z elektrodami elementów wzmacniających wyróżnia się połączenie transformatorowe oraz tzw. połączenie trójpunktowe – indukcyjne lub pojemnościowe. Oscylator sprzężony z transformatorem pokazano na ryc. 1.
Ryż. 1. Autogenerator-kształtujący oscylacje sinusoidalne z podłączeniem transformatora.
Obwód oscylacyjny, składający się z cewki Lk i kondensatora C, jest obciążeniem kolektora tranzystora V1. Połączenie indukcyjne pomiędzy wyjściem a wejściem wzmacniacza zapewnia cewka Lb połączona z bazą tranzystora. Elementy R1, R2, Re, Se mają na celu zapewnienie niezbędnego trybu pracy dla prądu stałego i jego stabilizacji termicznej.
Dzięki kondensatorowi C1, który ma niską rezystancję przy częstotliwości generowania, tworzony jest obwód dla składowej zmiennej prądu pomiędzy bazą a emiterem tranzystora. Kropki wskazują początek uzwojeń Lb i Lk, ponieważ konieczne jest przestrzeganie warunku równowagi faz. Stan równowagi fazowej obserwowane, jeśli napływ energii następuje synchronicznie ze zmianą znaku napięcia w obwodzie; np. w kaskadzie z tranzystorem podłączonym zgodnie z obwodem OE fazy sygnałów wejściowych i wyjściowych są wzajemnie przesunięte o 180°C. Dlatego końce cewki Lb należy połączyć tak, aby oscylacje wejściowe i wyjściowe są w fazie. Warunek równowagi amplitudy polega na tym, że straty w obwodzie i obciążeniu są w sposób ciągły uzupełniane przez źródło prądu.
Ryż. 1a. Praca generatora. Procesy przejściowe.
Działanie antogeneratora(Rys. 1a) rozpoczyna się po włączeniu źródła Ek. Początkowy impuls prądowy wzbudza oscylacje w obwodzie LkC z określoną częstotliwością 
, który mógłby się zatrzymać z powodu strat energii cieplnej w rezystancji czynnej cewki i kondensatora. Ale ponieważ istnieje połączenie indukcyjne między cewkami Lb i Lk o wzajemnym współczynniku indukcyjności M, w obwodzie podstawowym pojawi się prąd przemienny, pokrywający się w fazie z prądem obwodu kolektora (stan równowagi fazowej zapewnia racjonalne włączenie końcówek uzwojenia Lb). Wzmocnione oscylacje są przesyłane z obwodu z powrotem do obwodu podstawowego, a amplituda oscylacji stopniowo wzrasta, osiągając określoną wartość.
Ryż. 2. Kształtowniki oscylacji sinusoidalnych oparte na obwodzie oscylacyjnym zmontowanym według trójpunktowego obwodu indukcyjnego (a) i pojemnościowego (b).
Autogenerator zmontowany wg wzór trzypunktowy, pokazano na ryc. 2, za. Obwód oscylacyjny, składający się z podzielonej cewki Lk i kondensatora Sk, jest obciążeniem tranzystora V1. Cewka Lk jest podzielona na dwie części: jedno wyjście jest podłączone do kolektora, drugie - do podstawy tranzystora; energia jest dostarczana do jednego ze środkowych zwojów tej cewki. Włączenie to zapewnia realizację równowagi fazowej i charakteryzuje się dużą prostotą i niezawodnością. Tryb pracy tranzystora w prądzie stałym i jego stabilizacja termiczna realizowane są przez te same elementy, co w obwodzie generatora transformatorowego (patrz ryc. 1). Pojemnościowy obwód trójpunktowy (ryc. 2b) zawiera dwa kondensatory w gałęzi pojemnościowej obwodu oscylacyjnego, których punkt środkowy jest połączony z emiterem tranzystora V1. Obwód oscylacyjny jest połączony szeregowo pomiędzy źródłem energii a RE. Napięcia na kondensatorach mają przeciwną polaryzację względem punktu wspólnego, co zapewnia spełnienie warunku równowagi fazowej.
Schematy generatorów RC oscylacji harmonicznych.
Oscylatory RC służą do generowania oscylacji w zakresie podczerwieni i niskich częstotliwości (od ułamków herca do kilkudziesięciu kiloherców); Oscylatory RC mogą generować oscylacje o wyższych częstotliwościach, jednak oscylacje o niskiej częstotliwości są bardziej stabilne.
Ryż. 3. Samooscylatory o drganiach sinusoidalnych z tarczą w postaci ogniw RC w kształcie litery L (a) i typu mostka (b).
Oscylator RC składa się ze wzmacniacza (jedno lub wielostopniowego) i obwodu sprzężenia zwrotnego zależnego od częstotliwości. Obwody sprzężenia zwrotnego wykonane są w postaci „drabiny” (ryc. 3, a) lub mostka (ryc. 3, b) obwodów RC.
Oscylator RC z łącze wielokrotne Obwód sprzężenia zwrotnego RC pokazano na ryc. 3, A. Trzy połączone szeregowo wyrównania fazowe R1C1-R3C3, podłączone pomiędzy wyjściem i wejściem stopnia wzmacniającego, tworzą obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego o właściwościach filtrujących. Wspiera proces oscylacyjny tylko na jednej określonej częstotliwości; bez elementów RC wzmacniacz jednostopniowy miałby ujemne sprzężenie zwrotne napięciowe. Stan równowagi fazowej Polega to na tym, że każde z łączy RC obraca fazę sygnału o kąt 60°, a całkowity kąt przesunięcia wynosi 180°. Warunek równowagi amplitud jest spełniony poprzez dobór odpowiedniego wzmocnienia stopnia.
Automatyczny oscylator z filtrem RC typ mostu pokazany na ryc. 3b. Obydwa ramiona mostka - ogniwa R1C1 i R2C2 - są podłączone do nieodwracającego wejścia wzmacniacza 2 (liczba w trójkącie oznacza liczbę stopni). Linki te tworzą łańcuch POS. Kolejna przekątna jest podłączona do wejścia odwracającego tego samego wzmacniacza, składającego się z elementów nieliniowych R3 i R, który tworzy łańcuch OOS. W tym obwodzie mostek ma właściwość selektywną i warunek równowagi fazowej jest zapewniony przy jednej częstotliwości (przy której sygnał wyjściowy mostka jest w fazie z sygnałem wejściowym). Regulacja częstotliwości w tym autogeneratorze jest prosta i wygodna i możliwa w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Odbywa się to poprzez zmianę rezystancji obu rezystorów lub pojemności obu kondensatorów mostkowych.
Wspólną wadą wszystkich generatorów jest wrażliwość generowanej częstotliwości na zmiany napięć zasilania, temperatury i „starzenia się” elementów obwodu.
RC-generator to generator oscylacji harmonicznych, w którym zamiast układu oscylacyjnego znajdują się elementy L I Z, stosowany jest obwód rezystancyjno-pojemnościowy ( RC-obwód) z selektywnością częstotliwości.
Wyłączenie cewek z obwodu pozwala znacznie zmniejszyć wymiary i masę generatora, szczególnie przy niskich częstotliwościach, ponieważ wymiary cewek gwałtownie rosną wraz ze spadkiem częstotliwości. Ważna zaleta RC-generatory w porównaniu do LC-generatory to możliwość ich wytwarzania w technologii zintegrowanej. Jednakże RC-generatory charakteryzują się niską częstotliwością generowanych oscylacji ze względu na niski współczynnik jakości RC-obwodów, a także zły kształt oscylacji na skutek słabego filtrowania wyższych harmonicznych w widmie oscylacji wyjściowych.
RC-generatory mogą pracować w szerokim zakresie częstotliwości (od ułamków herca do kilkudziesięciu megaherców), jednakże znalazły zastosowanie w sprzęcie komunikacyjnym i technice pomiarowej głównie w zakresie niskich częstotliwości.
Podstawy teorii RC generatory opracowali radzieccy naukowcy V. P. Aseev, K. F. Teodorchik, E. O. Saakov, V. G. Kriksunov i inni.
RC-oscylator zwykle zawiera wzmacniacz szerokopasmowy, wykonany na lampie, tranzystorze lub układzie scalonym RC-obwód sprzężenia zwrotnego, który ma właściwości selektywne i określa częstotliwość oscylacji. Wzmacniacz kompensuje straty energii w elementach pasywnych i zapewnia spełnienie warunku amplitudy samowzbudzenia. Obwód sprzężenia zwrotnego zapewnia spełnienie warunku fazowego samowzbudzenia tylko przy jednej częstotliwości. Rodzaj pętli sprzężenia zwrotnego RC Generatory dzielą się na dwie grupy:
z zerowym przesunięciem fazowym w obwodzie sprzężenia zwrotnego;
z przesunięciem fazowym w obwodzie sprzężenia zwrotnego o 180.
Aby poprawić kształt generowanych oscylacji w RC generatory wykorzystują elementy charakteryzujące się nieliniowością, która ogranicza wzrost amplitudy oscylacji. Parametry takiego elementu zmieniają się w zależności od amplitudy oscylacji, a nie od ich wartości chwilowych (termistor, którego rezystancja zależy od stopnia nagrzania przez przepływający przez niego prąd). Przy takim ograniczeniu postać oscylacji nie zmienia się, pozostają one harmoniczne nawet w reżimie stacjonarnym.
Rozważ oba typy RC-autogeneratory.
Auto-oscylator z przesunięciem fazowym 180 w obwodzie sprzężenia zwrotnego.
Taki oscylator nazywany jest również oscylatorem z łańcuchem trójogniwowym. RC.
W schematach RC-generatory z przesunięciem fazowym w obwodzie sprzężenia zwrotnego o 180° wykorzystują wzmacniacze odwracające fazę napięcia wejściowego. Takim wzmacniaczem może być na przykład wzmacniacz operacyjny z wejściem odwracającym, wzmacniacz jednostopniowy lub wzmacniacz wielostopniowy z nieparzystą liczbą stopni odwracających.
Aby równanie równowagi faz było spełnione, obwód sprzężenia zwrotnego musi zapewniać przesunięcie fazowe OS = 180.
Aby uzasadnić strukturę obwodu sprzężenia zwrotnego, odtwarzamy charakterystykę częstotliwości fazowej najprostszej RC-linki (ryc. 3.4).
Ryż. 3 opcja RC-link i jego PFC
Ryż. 4 Opcja RC-link i jego PFC
Z wykresów widać, że jeden z najprostszych RC-link wprowadza przesunięcie fazowe nieprzekraczające 90. Dlatego przesunięcie fazowe 180 można osiągnąć poprzez kaskadowanie trzech elementarnych RC- linki (ryc. 5).
Ryż. 5 Schematy i PFC trzech ogniw RC-więzy
Elementy RC-obwody są obliczane tak, aby przy częstotliwości generacji uzyskać przesunięcie fazowe 180. Jedna z opcji generatora z obwodem trójprzewodowym RC pokazano na rysunku 6
Ryż. 6 Generator trójogniwowy RC
Generator składa się z rezystancyjnego wzmacniacza tranzystorowego i obwodu sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacz jednostopniowy ze wspólnym emiterem wykonuje przesunięcie fazowe między napięciem na kolektorze a podstawą K \u003d 180. Dlatego w celu zrównoważenia faz obwód sprzężenia zwrotnego musi zapewniać OS \u003d 180 przy częstotliwości generowane oscylacje.
Przeanalizujemy obwód sprzężenia zwrotnego, dla którego ułożymy układ równań metodą prądów pętlowych.
Rozwiązując powstały układ ze względu na współczynnik sprzężenia zwrotnego, otrzymujemy wyrażenie
Z wyrażenia wynika, że przesunięcie fazowe 180 uzyskuje się, gdy jest to wartość rzeczywista i ujemna, tj.
dlatego możliwe jest generowanie z częstotliwością
Przy tej częstotliwości moduł współczynnika sprzężenia zwrotnego
Oznacza to, że aby wzbudzić samooscylacje, współczynnik wzmacniacza musi być większy niż 29.
Napięcie wyjściowe generatora jest zwykle pobierane z kolektora tranzystora. Aby uzyskać oscylacje w formie harmonicznej, w obwodzie emitera znajduje się termistor R T z dodatnim współczynnikiem temperaturowym rezystancji. Wraz ze wzrostem amplitudy oscylacji rezystancja R T wzrasta, a głębokość ujemnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu prądu przemiennego odpowiednio wzrasta, wzmocnienie maleje. Kiedy ustala się stacjonarny reżim oscylacji ( DO= 1), wzmacniacz pozostaje liniowy i nie ma zniekształceń przebiegu prądu kolektora.
Self-oscylator z zerowym przesunięciem fazowym w obwodzie sprzężenia zwrotnego.
Charakterystyczna cecha schematów RC-generatory z zerowym przesunięciem fazowym w obwodzie sprzężenia zwrotnego polegają na zastosowaniu w nich wzmacniaczy, które nie odwracają fazy sygnału wejściowego. Takim wzmacniaczem może być np. wzmacniacz operacyjny z wejściem nieodwracającym lub wzmacniacz wielostopniowy z parzystą liczbą stopni odwracających. Rozważmy kilka możliwych opcji obwodów sprzężenia zwrotnego, które zapewniają zerowe przesunięcie fazowe (ryc. 7).
Ryż. 7 wariantów obwodów OS zapewniających zerowe przesunięcie fazowe
Składają się z dwóch części, z których jedna jest RC-link z dodatnim przesunięciem fazowym, a drugi - z ujemnym przesunięciem fazowym. W wyniku dodania PFC przy określonej częstotliwości (częstotliwości generacji) można uzyskać przesunięcie fazowe równe zeru.
W praktyce najczęściej jako obwód selektywny z zerowym przesunięciem fazowym stosuje się mostek równoważący fazę lub w inny sposób mostek Wiedeński (ryc. 7 c), którego zastosowanie pokazano na schemacie RC-oscylator z zerowym przesunięciem fazowym, wykonany na wzmacniaczu operacyjnym (rys. 8).
Ryż. 8 RC-generator z zerowym przesunięciem fazowym w obwodzie OS
W tym obwodzie napięcie z wyjścia wzmacniacza podawane jest na jego nieodwracające wejście poprzez obwód sprzężenia zwrotnego utworzony przez elementy mostka Wiena R 1 C 1 i R 2 C 2. Łańcuch rezystancyjny RR T tworzy kolejne sprzężenie zwrotne - ujemne, które ma na celu ograniczenie wzrostu amplitudy oscylacji i zachowanie ich harmonicznego kształtu. Napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego podawane jest na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego. Termistor R T musi mieć ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji.
Wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego
musi być wartością rzeczywistą i dodatnią, a jest to możliwe przy równości
Stąd wyznaczana jest częstotliwość generowanych oscylacji. Jeśli R 1 = R 2 =R, C 1 = C 2 = C, To
Warunek amplitudy samowzbudzenia przy częstotliwości 0 wymaga spełnienia nierówności
Jeśli równe R 1 = R 2 = R I C 1 = C 2 = C osiągać DO > 3.
Częstotliwość oscylacji można zmienić zmieniając rezystancję R lub pojemności kondensatorów Z, które są częścią mostu wiedeńskiego, a amplituda oscylacji jest kontrolowana przez opór R.
Główna zaleta RC-generatory wcześniej LC-oscylatory polegają na tym, że te pierwsze są łatwiejsze do wdrożenia w przypadku niskich częstotliwości. Na przykład, jeśli w obwodzie generatora z zerowym przesunięciem fazowym w obwodzie sprzężenia zwrotnego (ryc. 8) R 1 = R 2 = 1 MΩ, C 1 = C 2 = 1 uF, następnie wygenerowana częstotliwość
.
Aby uzyskać tę samą częstotliwość LC generator wymagałby indukcyjności L= 10 16 H Z= 1 uF, co jest trudne do wdrożenia.
W RC-generatory mogą, jednocześnie zmieniając wartości pojemności Z 1 i Z 2, uzyskaj szerszy zakres strojenia częstotliwości niż ma to miejsce w przypadku LC-generatory. Dla LC-generatory
podczas gdy dla RC- generatory, godz Z 1 = Z 2
Do wad RC-generatory należy przypisać temu, że przy stosunkowo wysokich częstotliwościach są one trudniejsze do wdrożenia niż LC-generatory. Rzeczywiście, wartości pojemności nie można zmniejszyć poniżej pojemności montażowej, a zmniejszenie rezystancji rezystorów prowadzi do spadku wzmocnienia, co utrudnia spełnienie warunku samowzbudzenia amplitudowego.
Wymienione zalety i wady RC-generatory doprowadziły do ich zastosowania w zakresie niskich częstotliwości przy dużym współczynniku nakładania się częstotliwości.
