Генератор – це автоколивальна система, що формує імпульси електричного струму, в якій транзистор відіграє роль комутувального елемента. Спочатку з моменту винаходу транзистор позиціонувався як підсилювальний елемент. Презентація першого транзистора відбулася 1947 року. Презентація польового транзистора відбулася трохи пізніше – в 1953 р. У генераторах імпульсів він грає роль перемикача і лише у генераторах змінного струму він реалізує свої підсилювальні властивості, одночасно беручи участь у створенні позитивного зворотний зв'язок підтримки коливального процесу.
Наочна ілюстрація поділу частотного діапазону
Класифікація
Транзисторні генератори мають кілька класифікацій:
- діапазону частот вихідного сигналу;
- за типом вихідного сигналу;
- за принципом дії.
Діапазон частот – величина суб'єктивна, але для стандартизації прийнято такий поділ частотного діапазону:
- від 30 Гц до 300 кГц – низька частота (НЧ);
- від 300 кГц до 3 МГц – середня частота (СЧ);
- від 3 МГц до 300 МГц – найвища частота (ВЧ);
- вище 300 МГц - надвисока частота (НВЧ).
Такий поділ частотного діапазону в області радіохвиль. Існує звуковий діапазон частот (ЗЧ) – від 16 до 22 кГц. Таким чином, бажаючи підкреслити діапазон частот генератора, його називають, наприклад, ВЧ або НЧ генератором. Частоти звукового діапазону своєю чергою також поділяються на ВЧ, СЧ і НЧ.
За типом вихідного сигналу генератори можуть бути:
- синусоїдальні – для генерації синусоїдальних сигналів;
- функціональні – для автоколивання сигналів спеціальної форми. Частковий випадок - генератор прямокутних імпульсів;
- генератори шуму – генератори широкого спектра частот, які мають у заданому діапазоні частот спектр сигналу рівномірний від нижнього до верхнього ділянки частотної характеристики.
За принципом дії генераторів:
- RC-генератори;
- LC-генератори;
- Блокінг-генератори – формувач коротких імпульсів.
Зважаючи на важливі обмеження зазвичай RC-генератори використовуються в НЧ і звуковому діапазоні, а LC-генератори в ВЧ діапазоні частот.
Схемотехніка генераторів
RC та LC генератори синусоїдальні
Найбільш просто реалізується генератор на транзисторі у схемі ємнісної триточки – генератор Колпітца (рис. нижче).
Схема генератора на транзисторі (генератор Колпітца)
У схемі Колпітца елементи (C1), (C2), (L) є частотоздатними. Інші елементи є стандартною обв'язкою транзистора для забезпечення необхідного режиму роботи по постійному струму. Таку ж просту схемотехніку має генератор, зібраний за схемою індуктивної триточки – генератор Хартлі (рис. нижче).
Схема триточкового генератора з індуктивним зв'язком (генератор Хартлі)
У цій схемі частота генератора визначається паралельним контуром, який входять елементи (C), (La), (Lb). Конденсатор (С) необхідний для утворення позитивного зворотного зв'язку змінного струму.
Практична реалізація такого генератора більш скрутна, оскільки вимагає наявності індуктивності з відведенням.
І той і інший генератори автоколивання знаходять переважно застосування в СЧ і ВЧ діапазонах в якості генераторів несучих частот, в ланцюгах ланцюга гетеродинів і так далі. Регенератори радіоприймачів також ґрунтуються на генераторах коливань. Вказане застосування вимагає високої стабільності частоти, тому практично завжди схема доповнюється кварцовим резонатором коливань.
генератор струму, що задає, на основі кварцового резонатора має автоколивання з дуже високою точністю установки значення частоти ВЧ генератора. Мільярдні частки відсотка далеко не межа. Регенератори радіостанцій використовують лише кварцову стабілізацію частоти.
Робота генераторів у галузі низькочастотного струму та звукової частоти пов'язана з труднощами реалізації високих значень індуктивності. Якщо точніше, то в габаритах необхідної котушки індуктивності.
Схема генератора Пірса є модифікацією схеми Колпітца, реалізованої без застосування індуктивності (мал. нижче).
Схема генератора Пірсу без застосування індуктивності
У схемі Пірса індуктивність замінена кварцовим резонатором, що дозволило позбавитися трудомісткої і громіздкої котушки індуктивності і, в той же час, обмежило верхній діапазон коливань.
Конденсатор (С3) не пропускає постійну складову базового усунення транзистора на кварцовий резонатор. Такий генератор може формувати коливання до 25 МГц, зокрема звукової частоти.
Робота всіх перерахованих вище генераторів заснована на резонансних властивостях коливальної системи, складеної з ємності та індуктивності. Відповідно, частота коливань визначається номіналами цих елементів.
RC генератори струму використовують принцип фазового зсуву в резистивно-ємнісному ланцюгу. Найчастіше застосовується схема з фазозсувним ланцюжком (рис. нижче).
Схема RC генератора з фазозсувним ланцюжком
Елементи (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) виконують зсув фази для отримання позитивного зворотного зв'язку, необхідної для виникнення автоколивань. Генерація виникає на частотах, для яких фазовий зсув є оптимальним (180 гр). Фазозсувний ланцюг вносить сильне ослаблення сигналу, тому така схема має підвищені вимоги до коефіцієнта посилення транзистора. Менш вимоглива до параметрів транзистора схема з мостом Вина (мал. нижче).
Схема RC генератора з мостом Вина
Подвійний Т-подібний міст Вина складається з елементів (C1), (C2), (R3) та (R1), (R2), (C3) і являє собою вузькосмуговий фільтр, що загороджує, налаштований на частоту генерації. Для решти частот транзистор охоплений глибоким негативним зв'язком.
Функціональні генератори струму
Функціональні генератори призначені на формування послідовності імпульсів певної форми (форму визначає певна функція – звідси й назва). Найчастіше зустрічаються генератори прямокутних (якщо відношення тривалості імпульсу до періоду коливань становить?, то така послідовність називається «меандр»), трикутних і пилкоподібних імпульсів. Найпростіший генератор прямокутних імпульсів - мультивібратор, подається як перша схема радіоаматорів-початківців для складання своїми руками (рис. нижче).
Схема мультивібратора – генератора прямокутних імпульсів
Особливістю мультивібратора є те, що в ньому можна використовувати практично будь-які транзистори. Тривалість імпульсів і пауз між ними визначається номіналами конденсаторів та резисторів у базових ланцюгах транзисторів (Rb1), Cb1) та (Rb2), (Cb2).
Частота автоколивання струму може змінюватися від одиниць до десятків кілогерц. ВЧ автоколивання на мультивібраторі реалізувати неможливо.
Генератори трикутних (пилкоподібних) імпульсів, як правило, будуються на основі генераторів прямокутних імпульсів (що задає генератор) шляхом додавання коригувального ланцюжка (рис. нижче).
Схема генератора трикутних імпульсів
Форма імпульсів, близька до трикутної, визначається напругою заряду-розряду на обкладинках конденсатора.
Блокінг-генератор
Призначення блокінг-генераторів полягає у формуванні потужних імпульсів струму, що мають круті фронти та малу шпаруватість. Тривалість пауз між імпульсами набагато більша за тривалість самих імпульсів. Блокінг-генератори знаходять застосування у формувачах імпульсів, порівнюючих пристроях, але основна сфера застосування – генератор рядкової розгортки, що задає, в пристроях відображення інформації на основі електронно-променевих трубок. Також блокінг-генератори успішно застосовуються в пристроях перетворення електроенергії.
Генератори на польових транзисторах
Особливістю польових транзисторів є дуже високий вхідний опір, порядок якого можна порівняти з опором електронних ламп. Перераховані вище схемотехнічні рішення універсальні, вони адаптовані під використання різних типів активних елементів. Генератори Колпітца, Хартлі та інші, виконані на польовому транзисторі, відрізняються лише номіналами елементів.
Частотозадаючі ланцюги мають ті ж співвідношення. Для генерування ВЧ коливань трохи краще простий генератор, виконаний на польовому транзисторі за схемою індуктивної триточки. Справа в тому, що польовий транзистор, маючи високий вхідний опір, практично не чинить шунтувальну дію на індуктивність, а, отже, працювати високочастотний генератор буде стабільніше.
Генератори шуму
Особливістю генераторів шуму є рівномірність частотної характеристики певному діапазоні, тобто амплітуда коливань всіх частот, що входять в заданий діапазон, є однаковою. Генератори шуму знаходять застосування у вимірювальній апаратурі для оцінки частотних характеристик тракту, що перевіряється. Генератори шуму звукового діапазону часто доповнюються коректором частотної характеристики для адаптації під суб'єктивну гучність для людського слуху. Такий шум називається сірим.
Відео
До цього часу існує кілька областей, у яких застосування транзисторів утруднено. Це потужні генератори НВЧ діапазону радіолокації, і там, де потрібно отримання особливо потужних імпульсів високої частоти. Поки що ще не розроблені потужні транзистори НВЧ діапазону. У всіх інших областях переважна більшість генераторів виконується виключно на транзисторах. Причин тому кілька. По-перше, габарити. По-друге, споживана потужність. По-третє, надійність. На додачу, транзистори через особливості своєї структури дуже просто піддаються мініатюризації.
RC-генератором називають генератор гармонійних коливань, в якому замість коливальної системи, що містить елементи Lі З, застосовується резистивно-ємнісний ланцюг ( RC-ланцюг), що володіє частотною вибірковістю.
Виняток із схеми котушок індуктивності дозволяє істотно зменшити габарити та масу генератора, особливо на низьких частотах, оскільки зі зниженням частоти різко збільшуються розміри котушок індуктивності. Важливою перевагою RC-генераторів у порівнянні з LC-генераторами є можливість їх виготовлення за інтегральною технологією Однак RC-генератори мають низьку стабільність частоти коливань, що генеруються, обумовлену низькою добротністю RC-ланцюгів, а також погану форму коливань через погану фільтрацію вищих гармонік у спектрі вихідного коливання.
RC-генератори можуть працювати в широкому діапазоні частот (від часток герца до десятків мегагерц), проте знайшли застосування в апаратурі зв'язку та вимірювальної техніки переважно на низьких частотах.
Основи теорії RC-генераторів були розроблені радянськими вченими В. П. Асеєвим, К. Ф. Теодорчиком, Е. О. Сааковим, В. Г. Криксуновим та ін.
RC-генератор зазвичай включає широкосмуговий підсилювач, виконаний на лампі, транзисторі або інтегральній схемі і RC-ланцюг зворотного зв'язку, що має вибіркові властивості і визначальну частоту коливань. Підсилювач компенсує втрати енергії в пасивних елементах та забезпечує виконання амплітудної умови самозбудження. Ланцюг зворотного зв'язку забезпечує виконання фазової умови самозбудження тільки на одній частоті. На вигляд ланцюга зворотного зв'язку RC-генератори поділяються на дві групи:
з нульовим фазовим зсувом ланцюга зворотного зв'язку;
зі зсувом фази ланцюга зворотний зв'язок на 180.
Для поліпшення форми генерованих коливань в RC-генераторах застосовують елементи, що мають нелінійність, які обмежують наростання амплітуди коливань. Параметри такого елемента змінюються в залежності від амплітуди коливань, а не від їх миттєвих значень (терморезистор, опір якого залежить від ступеня нагрівання струмом, що проходить через нього). За такого обмеження форма коливань не змінюється, вони залишаються гармонійними й у стаціонарному режимі.
Розглянемо обидва типи RC-Автогенераторів.
Автогенератор зі зсувом фази на 180 ланцюга зворотного зв'язку.
Такий автогенератор ще називають автогенератором із триланковим ланцюгом RC.
У схемах RC-генераторів зі зсувом фази в ланцюзі зворотного зв'язку на 180 використовуються підсилювачі, що інвертують фазу вхідної напруги В якості такого підсилювача може, наприклад, використовуватися операційний підсилювач з входом, що інвертує, однокаскадний підсилювач або багатокаскадний підсилювач з непарним числом інвертуючих каскадів.
Щоб виконувати рівняння балансу фаз, ланцюг зворотний зв'язок має забезпечити фазовий зсув ОС = 180.
Для обґрунтування структури ланцюга зворотного зв'язку відтворимо фазочастотні характеристики найпростіших RC-ланок (рис. 3,4).
Мал. 3 Варіант RC-ланки та його ФЧХ
Мал. 4 Варіант RC-ланки та його ФЧХ
З графіків видно, що одне найпростіше RC-ланка вносить зсув фаз, що не перевищує 90. Тому зсув по фазі величиною 180 можна здійснити шляхом каскадного з'єднання трьох елементарних RC-ланок (рис.5).
Мал. 5 Схеми та ФЧХ триланкових RC-ланцюгів
Елементи RC-ланцюги розраховуються так, щоб на частоті генерації отримати зсув фаз 180. Один з варіантів генератора з триланковим ланцюгом RCпоказано на малюнку 6
Мал. 6 Генератор з триланковим ланцюгом RC
Генератор складається з резистивного підсилювача на транзисторі та ланцюга зворотного зв'язку. Однокаскадний підсилювач із загальним емітером здійснює зсув фази між напругою на колекторі та базі К = 180. Отже, для виконання балансу фаз ланцюг зворотного зв'язку повинен забезпечувати на частоті коливань генерованих ОС = 180.
Проведемо аналіз ланцюга зворотний зв'язок, навіщо складемо систему рівнянь методом контурних струмів.
Вирішуючи отриману систему щодо коефіцієнта зворотного зв'язку, отримаємо вираз
З виразу випливає, що фазовий зсув 180 виходить у тому випадку, коли буде речовинною та негативною величиною, тобто.
отже, генерація можлива на частоті
На цій частоті модуль коефіцієнта зворотного зв'язку
Це означає, що для збудження автоколивань коефіцієнт підсилювача має бути більшим за 29.
Вихідну напругу генератора зазвичай знімають із колектора транзистора. Для отримання коливань гармонійної форми в ланцюг емітера включений терморезистор RТ із позитивним температурним коефіцієнтом опору. При збільшенні амплітуди коливань опір RТ зростає і збільшується глибина негативного зворотного зв'язку в підсилювачі змінного струму, відповідно, падає коефіцієнт посилення. Коли настає стаціонарний режим коливань ( До= 1), підсилювач залишається лінійним та спотворення форми колекторного струму не відбувається.
Автогенератор з нульовим фазовим зсувом ланцюга зворотного зв'язку.
Характерною рисою схем RC-генераторів з нульовим фазовим зсувом в ланцюзі зворотного зв'язку є використання в них підсилювачів, що не інвертують фазу вхідного сигналу Як такий підсилювач може, наприклад, використовуватися операційний підсилювач з неінвертуючим входом або багатокаскадний підсилювач з парним числом каскадів, що інвертують. Розглянемо деякі можливі варіанти ланцюгів зворотного зв'язку, що забезпечують нульовий фазовий зсув (рис. 7).
Мал. 7 Варіанти ланцюгів ОС, що забезпечують нульовий фазовий зсув
Вони складаються з двох ланок, одна з яких представляє RС-ланка з позитивним фазовим зсувом, а друга – з негативним зрушенням фази В результаті складання ФЧХ на певній частоті (частоті генерації) можна отримати фазовий зсув, що дорівнює нулю.
На практиці найчастіше як виборчий ланцюг з нульовим фазовим зсувом застосовують фазобалансний міст, або по-іншому міст Вина (рис. 7 в), застосування якого показано у схемі RC-генератора з нульовим фазовим зсувом, виконаного на операційному підсилювачі (рис. 8)
Мал. 8 RC-генератор з нульовим фазовим зсувом в ланцюзі ОС
У цій схемі напруга з виходу підсилювача подається на його неінвертуючий вхід через ланцюг зворотного зв'язку, утворений елементами моста. R 1 C 1 та R 2 C 2 . Резистивний ланцюжок RRТ утворює ще один зворотний зв'язок - негативний, який призначений для обмеження наростання амплітуди коливань і збереження їх гармонійної форми. Напруга негативного зворотного зв'язку надходить на вхід, що інвертує, операційного підсилювача. Терморезистор RТ повинен мати негативний температурний коефіцієнт опору.
Коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку
має бути речовинною та позитивною величиною, а це можливо при виконанні рівності
Звідси визначається частота коливань, що генеруються. Якщо R 1 = R 2 =R, C 1 = C 2 = C, то
Амплітудна умова самозбудження на частоті 0 вимагає виконання нерівності
При рівності R 1 = R 2 = Rі C 1 = C 2 = Cкоефіціент посилення До > 3.
Частоту коливань можна змінювати шляхом зміни опорів Rабо ємностей конденсаторів З, що входять до складу мосту Вина, а амплітуда коливань регулюється опором R.
Основна перевага RC-генераторів перед LC-генераторами полягає в тому, що перші легше реалізувати для низьких частот Наприклад, якщо у схемі генератора з нульовим фазовим зсувом у ланцюгу зворотного зв'язку (рис. 8) R 1 = R 2 = 1 МОм, C 1 = C 2 = 1 мкФ, то частота, що генерується
.
Щоб отримати таку ж частоту в LC-генераторі, знадобилася б індуктивність L= 10 16 Гн при З= 1 мкФ, що важко здійснити.
У RC-генераторах можна, змінюючи одночасно величини ємностей З 1 та З 2 , отримати ширший діапазон перебудови частоти, ніж це має місце в LC-генератори. Для LC-генераторів
у той час як для RC-генераторів, при З 1 = З 2
До недоліків RC-генераторів слід віднести той факт, що на відносно високих частотах вони важче реалізуються, ніж LC-генератори Дійсно, величину ємності не можна знизити менше ємності монтажу, а зменшення опорів резисторів призводить до падіння коефіцієнта посилення, що ускладнює виконання амплітудної умови самозбудження.
Перелічені переваги та недоліки RC-генераторів зумовили їх застосування низькочастотному діапазоні з великим коефіцієнтом перекриття по частоті.
RC-генератори відносяться до класу автоколивальних систем
релаксаційного типу. Основними елементами такого генератора є
підсилювач та аперіодичні ланки, складені з резисторів і
конденсаторів. Не маючи у своєму складі коливального контуру, такі
генератори, тим не менш, дозволяють отримувати коливання, близькі за формою до
гармонійним. Однак при сильній регенерації системи, коли використовуються
суттєво нелінійні області характеристики підсилювача, форма коливань,
через відсутність коливального контуру сильно спотворюється. Тому
генератор повинен працювати при незначному перевищенні порога
самозбудження.
Основними перевагами генераторів RC-типу є простота та
малі габарити. Ці переваги особливо яскраво виявляються при
генерування низьких частот Для генерування частот близько 100 Гц
LC-генераторах (генераторах Томсона) знадобилися б дуже великі
значення індуктивностей та ємностей
У попередньому розділі розглядалися LC-автогенератори. Вони використовуються на високих частотах. Якщо необхідно генерувати низькі частоти, застосування LС-генераторов стає скрутним. Чому? Все дуже просто. Оскільки формула для визначення частоти генерування коливань виглядає так:
то неважко помітити, що зменшення частоти необхідно збільшувати ємність і індуктивність контуру. А збільшення ємності та індуктивності безпосередньо тягне за собою збільшення габаритних розмірів. Іншими словами, розміри контуру будуть гігантськими. А зі стабілізацією частоти справа буде ще гірша.
Тому вигадали RC-автогенератори, які тут ми й розглянемо.
Найбільш простим RC-генератором є так звана схема з трифазним фазуючим ланцюжком, який ще називається схемою з реактивними елементами одного знака. Вона показана на рис. 1.
Мал. 1 - RC-автогенератор з фазообертальним ланцюжком
Зі схеми видно, що це всього лише підсилювач, між виходом і входом якого включений ланцюг, який перевертає фазу сигналу на 180º. Цей ланцюг називається фазообертальним. Фазовращающий ланцюжок складається з елементів С1R1, C2R2, C3R3. За допомогою одного ланцюжка з резика та кондера можна отримати зсув фаз не більше ніж на 90 º. Реально ж зсув виходить близьким до 60 º. Тому для отримання зсуву фази на 180 º доводиться ставити три ланцюжки. З виходу останнього RC-ланцюга сигнал подається на базу транзистора.
Робота починається у момент включення джерела живлення. При цьому імпульс колекторного струму містить широкий і безперервний спектр частот, в якому обов'язково буде і необхідна частота генерації. При цьому коливання частоти, на яку налаштований фазообертальний ланцюг, стануть незагасаючими. Для коливань інших частот умови самозбудження виконуватися нічого очікувати і вони, відповідно, швидко згасають. Частота коливань визначається за такою формулою:
При цьому має дотримуватися умова:
R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C
Такі генератори здатні працювати лише на фіксованій частоті.
Крім розглянутого генератора з використанням фазообертального ланцюга є ще цікавий, до речі, найбільш уживаний варіант. Подивимося на рис. 2.
Мал. 2 - Пасивний смуговий RC-фільтр із частотно-незалежним дільником
Так ось, ця сама конструкція є так званим містом Вина-Робінсона, хоча найчастіше зустрічається назва просто міст Вина. Ще деякі грамотеї пишуть міст Вина із двома "н".
Ліва частина ентою конструкції є пасивним смуговим RC-фільтром, в точці А знімається вихідна напруга. Права частина є не що інше, як частотно-незалежний дільник. Вважають, що R1=R2=R, C1=C2=C. Тоді резонансна частота визначатиметься таким виразом:
При цьому модуль коефіцієнта посилення максимальний і дорівнює 1/3 а фазовий зсув нульовий. Якщо коефіцієнт передачі дільника дорівнює коефіцієнту передачі смугового фільтра, то на резонансній частоті напруга між точками А і В дорівнює нулю, а ФЧХ на резонансній частоті робить стрибок від -90º до +90º. Взагалі ж має виконуватися умова:
Звичайно, все як звичайно розглядається в ідеальному або наближеному до ідеального випадку. Ну а реально справа, як завжди, трохи гірша. Оскільки кожен реальний елемент мосту Вина має певний розкид параметрів, навіть незначне недотримання умови R3=2R4 призведе або до наростання амплітуди коливань до насичення підсилювача, або до згасання коливань або повної їх неможливості.
Для того, щоб було зрозуміло, втулимо в міст Вина підсилювальний каскад. Для простоти встромимо операційний підсилювач (ОУ).
Мал. 3 - Найпростіший генератор з мостом Вина
Загалом саме так використовувати цю схему не вийде, оскільки в будь-якому випадку буде розкид параметрів моста. Тому замість резика R4 вводять якийсь нелінійний або керований опір. Наприклад, нелінійний резик, керований опір з допомогою транзисторів, як польових, і біполярних, та інша хрень. Дуже часто резик R4 у мості замінюють мікропотужною лампою розжарювання, динамічний опір якої зі зростанням амплітуди струму збільшується. Нитка розжарювання має досить велику теплову інерцію, і на частотах кілька сотень герц вже практично не впливає на роботу схеми в межах одного періоду.
Генератори з мостом Вина мають одну гарну властивість: якщо резики R1 і R2 замінити змінною, але тільки здвоєною, то можна буде регулювати в деяких межах частоту генерації. Можна і кондер С1 і С2 розбити на секції, тоді можна буде перемикати діапазони, а здвоєним змінним резиком плавно регулювати частоту в діапазонах. Для тих, хто в танку майже практична схема генератора з мостом Вина показана на малюнку 4.
Мал. 4 - RC-генератор з мостом Вина
Отже, міст Вина утворюють кондер С1-С8, здвоєний резик R1 і резики R2R3. Перемикачем SA1 здійснюється вибір діапазону, резиком R1 - плавне регулювання у вибраному діапазоні. ОУ DA2 є повторювачем напруги для узгодження з навантаженням.
R-C генератори синусоїдальних коливань
Фільтри, що згладжують RC
У схемах випрямлення малої потужності дросель фільтра може бути замінений резистором R Ф. Такі типи фільтрів називають RC фільтрами
Розрахунок фільтра, що згладжує RC, повинен вестися з урахуванням наступних умов
Коефіцієнт згладжування фільтра
Опір резистора R Ф зазвичай задаються в межах R Ф = (0,15 ... 0,5) R H; ККД резистивно-ємнісного фільтра порівняно малий і зазвичай становить 0,6 ... 0,8, причому при η ф = 0,8 R Ф = 0,25 R H .
Переваги резистивно-ємнісних фільтрів: малі габарити, маса та вартість; Недолік - низький ККД.
Найпростіша схема RC-генератора синусоїдальних коливань на операційному підсилювачі наведено на рис. 37а.
Мал. 37. RC-генератор синусоїдальних коливань
RC генератори використовують із завдання частоти резисивно - ємнісний зв'язок. Основні два види генераторів синусоїдальних коливань: генератор з фазозсувним ланцюгомта генератор на основі мосту Вина. Генератор з фазозсувним ланцюгом - це звичайний підсилювач з фазозсувним ланцюгом зворотного зв'язку. На комбінації ланцюжків мають місце втрати потужності, тому транзистор повинен мати досить високий коефіцієнт посилення.
Частота генератора розраховується за такою формулою.
R у цій формулі - значення опорів R1, R2 (вони однакові). C - це відповідно, будь-яке із значень ємності С1 або С2 (також однакові)
Генератор на основі мосту Вина– двокаскадний підсилювач з ланцюгом випередження-запізнювання та дільником напруги.
Резистори R1 і R2 однакового номіналу (за опором), опір резистора R3 приблизно наполовину менше. Місткість конденсаторів C1 і C2 дорівнює, а конденсатора C3 - приблизно вдвічі більше.
Частота коливань, що генеруються, визначається співвідношенням.
Де C - номінал конденсатора C1(C2), R номінал опору - R1(R2).
При R1, R2 = 10KOm, R3 = 4,7KOm, C1, C2 = 16нФ, C3 = 33нФ частота дорівнює приблизно - 1000гц.
Використовуючи здвоєний змінний резистор (як R1 і R2), можна плавно змінювати частоту коливань у великих межах.
Генератор синосуїдальних коливань має кілька піддіапазонів, можна отримати за допомогою нескладної комутаційної схеми, за допомогою якої можна поперемінно підключати конденсатори різної ємності, як С1, С2 і С3. Подібний пристрій може бути дуже корисним для радіоаматора, зокрема для налаштування різних підсилювальних каскадів.
Електронні генератори синусоїдальних коливань (L, C-генератор)
LC-генератори
Генератори синусоїдальних коливань – це генератори, які генерують напругу синусоїдальної форми.
Вони класифікуються відповідно до їх частотно-задаючих компонентів. Трьома основними типами генераторів є генератори LC, кварцові генератори і RCгенератори.
LC генератори використовують коливальний контур з конденсатора та котушки індуктивності, з'єднаних або паралельно, або послідовно, параметри яких визначають частоту коливань.
Кварцові генератори, подібні до LC генераторів, але забезпечують більш високу стабільність коливань.
RC-генератори використовують на низьких частотах, у яких завдання частоти коливань використовується резистивно-емкостная ланцюг.
1.1 Призначення та види генераторів.
Електронним генератором сигналів називають пристрій, за допомогою якого енергія сторонніх джерел живлення перетворюється на електричні коливання необхідної форми, частоти та потужності. Електронні генератори входять складовою в багато електронні прилади та системи. Так, наприклад, генератори гармонійних або інших форм коливань використовуються в універсальних вимірювальних приладах, осцилографах, мікропроцесорних системах, в різних технологічних установках та ін. У телевізорах генератори малої і кадрової розгорток використовуються для формування екрана, що світиться.
Класифікація генераторів виконується за низкою ознак: формі коливань, їх частоті, вихідної потужності, призначенню, типу використовуваного активного елемента, виду частотно-виборчого ланцюга зворотного зв'язку та ін За призначенням генератори ділять на технологічні, вимірювальні, медичні, зв'язкові. За формою коливань їх ділять на генератори гармонійних та негармонічних (імпульсних) сигналів.
По вихідний потужності генератора ділять на малопотужні (менше 1 Вт), середньої потужності (нижче 100 Вт) та потужні (понад 100 Вт). За частотою генератори можна розділити на такі групи: інфранізкочастотні (менше 10Гц), низькочастотні (від 10Гц до 100кГц), високочастотні (від 100кГц до 100МГц) та надвисокочастотні (вище 100МГц).
По активним елементам генератори ділять на лампові, транзисторні, на операційних підсилювачах, на тунельних діодах, або динисторах, а за типом частотно-виборчих ланцюгів зворотного зв'язку - на генератори LC-, RC- і ^L-типу. Крім того, зворотний зв'язок у генераторах може бути зовнішнім або внутрішнім.
1.2 Генератори синусоїдальних коливань
Дана група генераторів призначена для отримання коливань синусоїдальної форми необхідної частоти. Їхня робота заснована на принципі самозбудження підсилювача, охопленого позитивним зворотним зв'язком (рисунок 1). Коефіцієнт посилення і коефіцієнт передачі ланки зворотний зв'язок прийняті комплексними, тобто. враховується їхня залежність від частоти. При цьому вхідним сигналом для підсилювача у схемі рис.1.1 є частина його вихідної напруги, що передається ланкою зворотного зв'язку
Малюнок 1. Структурна схема генератора
Для порушення коливань у системі рисунок 1 необхідно виконання двох умов:
1.3 Режими самозбудження генератора
М'який режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики iK(uБЕ) з найбільшою крутістю, то режим самозбудження називається м'яким.
Простежимо зміни амплітуди струму першої гармоніки залежно від величини коефіцієнта зворотний зв'язок КОС. Зміна КОС призводить до зміни кута нахилу a прямого зворотного зв'язку (рис.2)
Малюнок 2. М'який режим самозбудження
При КОС = КОС1 стан спокою стійкий і генератор не збуджується, амплітуда коливань дорівнює нулю (рис. 2 б). Величина КОС = КОС2 = ККР є граничною (критичною) між стійкістю та нестійкістю стану спокою. При КОС = КОС3 > ККР стан спокою нестійкий, генератор збудиться, і величина Im1 встановиться відповідної точки А. При збільшенні КОС величина першої гармоніки вихідного струму буде плавно зростати і при КОС = КОС4 встановиться в точці Б. При зменшенні КОС амплітуда коливань буде зменшуватися тієї ж кривої та коливання зірвуться при коефіцієнті зворотного зв'язку КОС = КОС2
Як висновки можна відзначити такі особливості м'якого режиму самозбудження:
для збудження не потрібно великої величини коефіцієнта зворотний зв'язок КОС;
збудження та зрив коливань відбуваються при тому самому значенні коефіцієнта зворотного зв'язку ККР;
можливе плавне регулювання амплітуди стаціонарних коливань шляхом зміни величини коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
як недолік слід відзначити велике значення постійної складової колекторного струму, що призводить до малого значення ККД.
Жорсткий режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики iK = f (uБЕ) з малою крутістю S
Малюнок 3. Жорсткий режим самозбудження
Порушення автогенератора відбудеться, коли коефіцієнт зворотний зв'язок перевищить величину КОС3 = КОСКР. Подальше збільшення КОС призводить до невеликого збільшення амплітуди першої гармоніки вихідного (колекторного) струму Im1 шляхом В-Г-Д. Зменшення КОС до КОС1 не призводить до зриву коливань, оскільки точки В і Б є стійкими, а точка А стійка справа. Коливання зриваються у точці А, тобто при КОС
Таким чином, можна відзначити такі особливості роботи генератора при жорсткому режимі самозбудження:
для самозбудження потрібна велика величина коефіцієнта зворотний зв'язок КОС;
збудження та зрив коливань відбуваються ступінчасто при різних значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
амплітуда стаціонарних коливань у великих межах не може змінюватися;
постійна складова колекторного струму менше, ніж у м'якому режимі, отже, значно вище за ККД.
Порівнюючи позитивні та негативні сторони розглянутих режимів самозбудження, приходимо до загального висновку: надійне самозбудження генератора забезпечує м'який режим, а економічну роботу, високий ККД та стабільнішу амплітуду коливань – жорсткий режим.
Прагнення об'єднати ці переваги призвело до ідеї використання автоматичного усунення, коли генератор збуджується при м'якому режимі самозбудження, яке робота відбувається у жорсткому режимі. Сутність автоматичного усунення розглянута нижче.
Автоматичне зміщення.
Сутність режиму полягає в тому, що для забезпечення збудження автогенератора в м'якому режимі вихідне положення робочої точки вибирається на лінійній ділянці прохідної характеристики з максимальною крутизною. Еквівалентний опір контуру вибирається таким, щоб виконували умови самозбудження. В процесі наростання амплітуди коливань режим постійного струму автоматично змінюється і в стаціонарному стані встановлюється режим роботи з відсіканням вихідного струму (струму колектора), тобто автогенератор працює в жорсткому режимі самозбудження на ділянці прохідної характеристики з малою крутістю (рис. 4).
Рисунок 4. Принцип автоматичного усунення автогенератора
Напругу автоматичного усунення отримують зазвичай за рахунок струму бази шляхом включення в ланцюг бази ланцюжка R Б C Б (рис. 5).
Малюнок 5. Схема автоматичного усунення рахунок струму бази
Початкова напруга зміщення забезпечується джерелом напруги Е Б. При зростанні амплітуди коливань збільшується напруга на резисторі R Б, що створюється постійною складовою базового струму I Б0. Результуюча напруга усунення (Е Б - I Б0 R Б) при цьому зменшується, прагнучи ЕБ С Т.
У практичних схемах початкова напруга усунення забезпечується за допомогою базового дільника R Б1, R Б2 (рис. 6).
Малюнок 6. Автоматичне зміщення за допомогою базового дільника
У цій схемі початкова напруга зміщення
Е Б.НАЧ. =Е К - (I Д + I Б0) R Б2
де I Д = Е К / (R Б1 + R Б2) - Струм дільника.
При зростанні амплітуди коливань постійна складова струму бази IБ 0 збільшується і зсув ЕБ зменшується за величиною, досягаючи значення ЕБСТ в режимі, що встановився. Конденсатор СБ запобігає короткому замиканню резистора RБ1 по постійному струму.
Слід зазначити, що введення у схему генератора ланцюга автоматичного усунення може призвести до явища переривчастої генерації. Причиною її виникнення є запізнення напруги автоматичного усунення щодо наростання амплітуди коливань. За великої постійної часу t = RБСБ (рис. 8.41) коливання швидко наростають, а зсув залишається практично незмінним – ЕБ.НАЧ. Далі зсув починає змінюватися і може виявитися меншим від тієї критичної величини, за якої ще виконуються умови стаціонарності, і коливання зірвуться. Після зриву коливань ємність СБ буде повільно розряджатися через RБ і зміщення знову прагнутиме ЕБ.НАЧ. Як тільки крутість стане досить великою, генератор знову збудиться. Далі процеси повторюватимуться. Таким чином, коливання періодично виникатимуть і знову зриватимуться.
Уривчасті коливання, як правило, відносяться до небажаних явищ. Тому дуже важливо розрахунок елементів ланцюга автоматичного зміщення проводити так, щоб унеможливити виникнення переривчастої генерації.
Для виключення переривчастої генерації у схемі (рис. 4) величину CБ вибирають із рівності
Автогенератор з трансформаторним зворотним зв'язком
Розглянемо спрощену схему транзисторного автогенератора гармонійних коливань із трансформаторним зворотним зв'язком (рис. 7).
Малюнок 7. Автогенератор із трансформаторним зворотним зв'язком
Призначення елементів схеми:
транзистор VT p-n-p типу, що виконує роль підсилювального нелінійного елемента;
коливальний контур LKCKGЕ задає частоту коливань генератора і забезпечує їх гармонійну форму, речовинна провідність GЕ характеризує втрати енергії в самому контурі та у зовнішньому навантаженні, пов'язаному з контуром;
котушка LБ забезпечує позитивний зворотний зв'язок між колекторним (вихідним) і базовим (вхідним) ланцюгами, вона індуктивно пов'язана з котушкою контуру LК (коефіцієнт взаємоіндукції М);
джерела живлення ЕБ та ЄК забезпечують необхідну постійну напругу на переходах транзистора для забезпечення активного режиму його роботи;
конденсатор СР розділяє генератор та його навантаження по постійному струму;
блокувальні конденсатори СБ1 і СБ2 шунтують джерела живлення змінного струму, виключаючи марні втрати енергії на їх внутрішніх опорах.
1.3 Типи генераторів
Залежно від того, яким способом у генераторі забезпечується умова балансу фаз та амплітуд, розрізняють генератори:
LC-генератори, що використовують як частотно-залежний ланцюг коливальний контур. Час задаючим параметром у яких період власних коливань коливального контуру;
RC-генератори, у яких частотно-залежні ланцюги зворотного зв'язку є поєднанням елементів R і С (міст Вина, подвійний T-подібний міст, що зсувають RC-ланцюги ін.). Час задає тут служить час заряду, розряду або перезаряду конденсатора;
генератори з електромеханічними резонаторами (кварцовими, магнітострикційними), в яких параметром, що задає час, є період власних коливань резонуючого елемента.
1.3.1 RC-генератори
RC-генератори засновані на використанні частотно-виборчих RC-ланцюгів та виконуються за структурною схемою, наведеною на рис.1.
Розрізняють RC-генератори з фазозсувними та мостовими RC-ланцюгами.
1.3.2 Схема триланкового RC-ланцюга
RC-генератори з фазозсувним ланцюгом являють собою підсилювач з поворотом фази на 180°, в якому для виконання умови балансу фаз включена ланцюг зворотного зв'язку, що змінює на частоті генерації фазу вихідного сигналу також на 180°. Як фазозсувний ланцюг зворотного зв'язку зазвичай використовуються триланкові RC-ланцюги (рідше чотириланкові). Схема такого ланцюга наведено на рис.8.
Малюнок 8. Схема триланкового RC-ланцюга
Ланцюг, що фазозсуває, істотно зменшує сигнал зворотного зв'язку, що надходить на вхід підсилювача. Тому для триланкових RC-ланцюгів коефіцієнт посилення підсилювача має бути не менше 29. Тоді буде виконано також другу умову виникнення коливань - умову балансу амплітуд.
При однакових опорах резисторів R і ємностей конденсаторів C коливань генератора з фазозсувним ланцюгом визначається формулою:
Для зміни частоти коливань достатньо змінити опір або ємність у фазозсувному RC-ланцюзі.
1.3.3 Міст Вина
R 3
З мостових частотно-виборчих RC-ланцюгів найбільшого поширення набув міст Вина (рис.9.).
R 4
Малюнок 9. Міст Вина
Умова балансу фаз забезпечується тут за однієї частоти, де вихідний сигнал моста збігається по фазі з вхідним.
Частота генерації дорівнює частоті налаштування моста і визначається співвідношенням:
Регулювання частоти в генераторі з мостом Вина просте і зручне, причому можливе в широкому діапазоні частот. Її здійснюють за допомогою здвоєного конденсатора змінної ємності або здвоєного резистора змінного, включеного в схему замість постійних конденсаторів C або резисторів R.
Так як коефіцієнт передачі моста Вина на частоті генерації становить 1/3, то коефіцієнт посилення підсилювача повинен дорівнювати 3. Тоді в генераторі з мостом Вина виникає стійка генерація.
1.3.4 Схема подвійного Т-подібного моста
Крім того, в RC-генераторах знаходить застосування подвійний Т-подібний міст (рис.10).
Малюнок 10. Схема подвійного Т-подібного мосту
Для стабілізації амплітуди вихідного сигналу RC-генератора використовуються різні нелінійні елементи: терморезистори, фоторезистори, лампи розжарювання, діоди, світлодіоди, стабілітрони, польові транзистори та ін. Застосовують також строго регульований зворотний зв'язок.
RC-генератори характеризуються гарною стабільністю, легко перебудовуються і дозволяють отримувати коливання з дуже низькими частотами (від часток герц до кількох кілогерц). Стабільність частоти коливань. RC-генераторів більшою мірою залежить від якості R і С елементів, ніж від структури частотно-виборчого кола та характеристик підсилювача. Найкращі показники мають RC-генератори, в яких здійснюється додаткова стабілізація частоти коливань за допомогою кварцових резонаторів.
1.3.6 Схема генератора із мостом Вина на ОУ
На малюнку 6 показано схему з мостом Вина, одне плече якого утворене резистивним дільником напруги , , а інше – диференціюючої , і інтегруючої , ланцюгами. Коефіцієнт передачі з виходу фазозадавного ланцюга , , на неінвертуючий вхід ОУ на резонансній частоті дорівнює 1/3. Для виконання балансу амплітуд коефіцієнт передачі підсилювача з виходу на неінвентуючий вхід повинен дорівнювати трьом, тобто необхідно виконати умову =. Для виконання балансу фаз постійна часу диференціюючого ланцюга повинна дорівнювати постійному часу інтегруючого ланцюга, тобто =.
Для покращення самозбудження, стабілізації амплітуди коливань та зменшення нелінійних спотворень у схемі необхідно використовувати підсилювач з регульованим коефіцієнтом передачі або на виході ОУ включити нелінійний обмежувач напруги.
Малюнок 11. Схема генератора з мостом Вина на ОУ
1.4 Генератор LC-типу
Такий генератор будують на основі підсилювального каскаду на транзисторі, включаючи в колектор колючний LC-контур. Для створення ПІС використовується трансформаторний зв'язок між обмотками W1 (що має індуктивність L) і W2 (рис. 12).
Малюнок 12. Генератор LC-типу
1.5 Потужні підсилювальні каскади.
Під потужним каскадом розуміють такий підсилювальний каскад, для якого задаються навантаження і потужність, що розсіюється в цьому навантаженні. Зазвичай потужність має значення від кількох до десятків – сотень Вт. Тому потужні каскади, які, як правило, бувають вихідними, розраховують за заданими значеннями та . Щоб оцінити, яку потужність має давати каскад попереднього підсилення, доводиться оцінювати коефіцієнт підсилення каскаду за потужністю .
Потужний вихідний каскад є основним споживачем енергії. Він вносить основну частину нелінійних спотворень і займає обсяг, який можна порівняти з обсягом решти підсилювача. Тому при виборі та проектуванні вихідного каскаду основну увагу звертають на можливість отримання найбільшого ККД, малі нелінійні спотворення та габаритні розміри.
Вихідні каскади виконують однотактними та двотактними. Активні пристрої у підсилювачах потужності можуть працювати в режимах A, B або AB. Для створення потужних вихідних каскадів використовують схеми з ОЕ, ПРО та ОК.
В однотактних вихідних каскадах активні прилади працюють у режимі A. При створенні використовують три схеми включення транзисторів. Для узгодження навантаження з вихідним каскадом іноді застосовують трансформатори, які забезпечують отримання максимального коефіцієнта посилення потужності, але істотно погіршують його частотні характеристики.
Безтрансформаторні вихідні каскади набули переважного поширення. Вони дозволяють здійснити безпосередній зв'язок із навантаженням, що дає змогу обійтися без громіздких трансформаторів та розділових конденсаторів; мають хороші частотні та амплітудні характеристики; легко можуть бути виконані за інтегральною технологією. Крім того, у зв'язку з відсутністю частотно-залежних елементів у ланцюгах зв'язку між каскадами можна вводити глибокі загальні негативні ОС як змінного, так і постійного струмів, що істотно покращує характеристики перетворення всього пристрою. При цьому забезпечення стійкості підсилювального пристрою може бути досягнуто введенням найпростіших коригувальних ланцюгів.
Безтрансформаторні потужні вихідні каскади збирають в основному за двотактними схемами на транзисторах, що працюють в режимі B або АВ і включені за схемами з ОК або ОЕ. У цих схемах можливе поєднання в одному каскаді або однакових транзисторів або транзисторів з різним типом електропровідності. Каскади, у яких використані транзистори з різним типом електропровідності (p-n-p та n-p-n), називаються каскади з додатковою симетрією.
За способом підключення навантаження розрізняють два різновиди схем: живленням від одного джерела та живленням від двох джерел.
1.6 Класифікація вихідних підсилювачів потужності
Розгляну класифікацію підсилювачів за режимом роботи, тобто за величиною струму, що протікає через транзистори підсилювача без сигналу.
1.6.1 Підсилювачі класу А
Підсилювачі класу А працюють без відсічення сигналу найбільш лінійному ділянці вольтамперної характеристики підсилювальних елементів. Це забезпечує мінімум нелінійних спотворень (THD та IMD), причому як на номінальній потужності, так і на малих потужностях.
За цей мінімум доводиться розплачуватись значними споживаною потужністю, розмірами та масою. У середньому ККД підсилювача класу А становить 15-30%, а споживана потужність залежить від величини вихідної потужності. Потужність розсіювання максимальна за малих сигналів на виході.
1.6.2 Підсилювачі класу В
Якщо змінити зміщення емітерного переходу так, що робоча точка збігається з точкою відсічення, то ми отримаємо режим посилення класу В. Для цього на базу транзистора типу n-p-n потрібно подати більш негативну напругу, ніж у режимі класу А (для транзисторів типу p-n-p режим класу забезпечує подачею з урахуванням більш позитивного напруги, ніж у режимі класу А). У будь-якому випадку для режиму класу B пряме усунення емітерного переходу зменшується і транзистор замикається.
Якщо підсилювальний каскад класу B включає лише один транзистор, нелінійні спотворення сигналу будуть значними. Це тим, що результуючий колекторний струм формою повторює лише позитивну напівхвилю вхідного сигналу, а чи не весь сигнал, оскільки негативної напівхвилі транзистор залишається замкненим. Для відтворення на виході сигналу, повністю подібного формою з вхідним сигналом, можна використовувати два транзистори (по одному на кожну напівхвилю вхідного сигналу), комбінуючи їх за так званою двотактною схемою.
Амплітуда напруги вихідного сигналу трохи менше величини напруги джерела живлення. Оскільки в режимі класу B струм протікає через транзистор лише півперіоду, з'являється можливість збільшити вдвічі (порівняно з режимом класу А) колекторний струм за тієї ж середньої потужності, що розсіюється на колекторі транзистора.
Амплітуда вихідної напруги підсилювача класу B дорівнює подвійній амплітуді вихідної напруги підсилювача класу A. Таким чином, двотактний транзисторний каскад у режимі класу B дозволяє отримати вихідну напругу, удвічі більшу, ніж у режимі класу А.
1.6.3 Підсилювачі класу АВ
Як випливає з назви підсилювачі класу АВ – це спроба поєднати переваги підсилювачів А і класу, тобто. домогтися високого ККД та прийнятного рівня нелінійних спотворень. Щоб позбутися ступінчастого переходу при перемиканні підсилювальних елементів використовується кут відсічки більше 90 градусів, тобто. робоча точка вибирається на початку лінійної ділянки вольтамперної характеристики. За рахунок цього за відсутності сигналу на вході підсилювальні елементи не замикаються, і через них протікає деякий струм спокою, іноді значний. Через це зменшується коефіцієнт корисної дії та виникає незначна проблема стабілізації струму спокою, зате суттєво зменшуються нелінійні спотворення.
Клас AB є найбільш економічним для УНЧ, оскільки в цьому випадку підсилювач споживає від джерела живлення мінімальний струм. Це тим, що у робочої точці транзистори замкнені і колекторний струм протікає лише за вступі вхідного сигналу. Однак підсилювачі класу B спотворюють форму сигналу.
У реальному підсилювачі класу B транзистор при дуже малих рівнях вхідного сигналу залишається замкненим (оскільки відсікання транзистор має дуже малий коефіцієнт посилення струму) і різко відкривається зі збільшенням сигналу.
Нелінійні спотворення можна зменшити, якщо замість режиму класу B використовувати клас АВ (або щось середнє між В та АВ). Для цього транзистор дещо відмикають, так щоб у робочій точці колекторного ланцюга протікав невеликий струм. Клас АВ менш економічний, ніж клас B, оскільки споживається більшим струмом від джерела живлення. Зазвичай клас АВ використовують лише двотактних схемах.
1.6.4 Підсилювачі класу С
Режим класу C отримують зсувом транзистора у зворотному напрямку, значно лівіше від точки відсічення. Частина вхідного сигналу витрачається забезпечення прямого зміщення емітерного переходу. В результаті колекторний струм протікає протягом лише частини одного напівперіоду вхідної напруги. Негативна напівхвиля вхідної напруги лежить в області глибокого відсікання транзистора. Оскільки колекторний струм протікає лише протягом деякої частини позитивного напівперіоду, то тривалість імпульсу колекторного струму істотно менша за півперіод вхідного сигналу
Очевидно, форма вихідного сигналу відрізняється від вхідного і вона не може бути відновлена тими методами, що використовуються у двотактних підсилювачах класів B та АВ. Тому режим класу C застосовується тільки тоді, коли спотворення сигналу не мають значення. Як правило, режим роботи класу C використовується у високочастотних підсилювачах і не знаходить застосування в УНЧ.
1.7 Схемотехнічні рішення потужних підсилювальних каскадів.
Підсилювачі потужності на транзисторах однієї провідності.
При живленні каскаду від двох джерел і мають загальну точку навантаження включається між точкою з'єднання емітера і колектора транзисторів і загальною точкою джерел живлення. Режим роботи транзисторів забезпечується дільниками , , та . Управління транзисторами здійснюється протифазними вхідними сигналами і для отримання яких попередній каскад повинен бути фазоінверсним.
Принцип роботи каскаду за схемою рисунок 13 полягає у почерговому посиленні напівхвиль вхідного сигналу. Якщо в першому такті негативну напівхвилю посилює транзистор , при цьому транзистор замкнений позитивною напівхвильою, то в другому такті друга напівхвиля сигналу посилюється транзистором при закритому транзисторі .
При живленні каскаду від одного джерела (рис. 14) навантаження підключається через розділовий електролітичний конденсатор досить великої ємності, а в іншому схема аналогічна попередньої.
Рисунок 13. Вихідний каскад підсилювача потужності на транзисторах однієї провідності
Принцип роботи схеми ось у чому. За відсутності і конденсатор заряджений до напруги. Саме за такої напрузі на конденсаторі настає режим спокою. У такті роботи (відкритого стану) по навантаженню тече струм, який дозаряджає конденсатор. У такті роботи конденсатор розряджається і по навантаженню тече струм. Таким чином, на навантаженні реалізується біполярний сигнал.
У розглянутих схемах транзистори і мають різне включення: - за схемою OK, а - за схемою ОЕ. Оскільки при цих двох схемах включення транзистори мають різні коефіцієнти посилення по напрузі, без вживання додаткових заходів виходить асиметрія вихідного сигналу. Зменшення асиметрії сигналу, зокрема, можна досягти відповідним вибором коефіцієнтів посилення двома виходами попереднього фазоінверсного каскаду. Можна зменшити асиметрію і застосуванням негативного зворотного зв'язку, що охоплює вихідний та передвихідний каскади.
Рисунок 14. Вихідний каскад підсилювача потужності на транзисторах однієї провідності з однополярним живленням
Підсилювачі потужності на транзисторах різної провідності включені за схемою з ОК.
Рисунок 15. Вихідний каскад підсилювача потужності на транзисторах різної провідності
На рис. 15 зображено схему каскаду з живленням від двох джерел (можлива реалізація схеми з однополярним харчуванням). При використанні в цій схемі комплементарних пар транзисторів типів n-p-n і p-n-p відпадає необхідність подачі двох протифазних вхідних сигналів. При позитивній напівхвилі сигналу відкритий транзистор і закритий, при негативній напівхвилі, навпаки, відкритий і закритий. В іншому робота схеми рис. 15 аналогічна до роботи відповідних схем рис. 14 та рис. 13. Відмінною особливістю розглянутих схем є те, що коефіцієнт посилення каскаду по напрузі завжди менше 1, а вихідний сигнал має меншу асиметрію, так як обидва транзистори включені за однаковою схемою з ОК.
Для того щоб підсилювач потужності перевести в режим АВ для зниження нелінійних спотворення, бази поділяють між собою парою діодів, які забезпечують зміщення для транзисторів, при якому в них тече струм у режимі спокою (рис 16).
R 1
R 2
Рисунок 16. Вихідний каскад підсилювача потужності режимі АВ
На малюнку 17 наведено схему безтрансформаторного підсилювача потужності з двотактним вихідним каскадом на МДП – транзисторах з індукованими каналами типу n (VT2) та типу p (VT3). Підкладка зазвичай з'єднується з початком усередині потужних МДП – транзисторів. Польові транзистори вносять менше нелінійних спотворень і не схильні до теплової нестійкості. Порогова напруга стокозатворних характеристик сучасних потужних МДП - транзисторів з індукованим каналом близько до нуля. Недоліком їх є підвищена залишкова напруга та виробничий розкид параметрів, однак у міру вдосконалення технології вони зменшуються.
Малюнок 17. Вихідний каскад підсилювача потужності режимі АВ на ПТ
Вибір електричної схеми електронного пристрою та її опис
Схема складається з двох каскадів: перший каскад RC-генератор на мосту Вина, другий каскад – підсилювач потужності класу АB.
Міст Вина підключений до неінвертованого входу ОУ.
Нехай тоді частота сигналу буде визначатися за формулою:
Для того щоб у генераторі з мостом Вина встановилися коливання, підсилювач повинен мати коефіцієнт посилення більше 3. Коефіцієнт посилення задається резисторами . Отже, має виконуватися умова:
Діоди включені паралельно служать для стабілізації амплітуди сигналів, що генеруються (тобто вводять симетричну нелінійну зворотний зв'язок).
Переваги RC-генератора з мостом Вина:
Основним недоліком є те, що вихідна напруга досягає напруги шин живлення, що викликає насичення вихідних транзисторів ОУ та створює значні спотворення.
Другий каскад – двотактний безтрансформаторний каскад із польовими МДП – транзисторами різних типів провідностей.
МДП – транзистор VT1 має n-тип провідності, а транзистор VT2 – р - тип. Якщо між затворами та витоками транзисторів буде подано напругу позитивної полярності, то транзистор VT2 буде закритий, а транзистор VT1 буде відкритий, і струм потече по ланцюгу від плюса джерела живлення E1 сток-виток транзистора VT1, навантаження, до негативного полюса джерела живлення E1. А якщо буде подано напругу затвор-виток негативної полярності, то транзистор VT1 буде закритий, а транзистор VT2 буде відкритий, і струм потече по ланцюзі від плюса джерела живлення E2 по навантаженню, витік транзистора VT2, до негативного полюсу джерела живлення E2. Надходження на вхід сигналу з напругою то позитивної, то негативної полярностей призводить то до замикання одного транзистора та відмикання іншого, то навпаки. Тобто транзистори функціонують у протифазі. Транзистори VT1 і VT2 вибирають так, щоб їх параметри та характеристики в робочій області були якомога ближчими.
Переваги:
можливе одержання високого ККД, при правильному виборі транзисторів нелінійні спотворення малі;
каскад розвиває велику максимальну вихідну потужність, порівняно з однотактним каскадом з таким самим транзистором;
через відсутність трансформаторів немає жорстких обмежень на частотний діапазон сигналів, що посилюються;
крім того, без громіздких та важких трансформаторів отримують малі масу, габарити та низьку вартість пристрою.
Недоліки:
необхідність ретельного вибору транзисторів та стрімке їх руйнування при перевантаженні вихідного каскаду, якщо у ньому не передбачена система захисту струму.
Рисунок 18. RC-генератор із потужним вихідним каскадом
РОЗРАХУНОК І ВИБІР ЕЛЕМЕНТІВ СХЕМИ ЕЛЕКТРОННОГО ПРИСТРОЇ
3.1 Розрахунок підсилювача потужності
де - амплітудне значення напруги на опорі навантаження;
Амплітудне значення струму на опорі навантаження;
Потужність навантаження.
Напруга джерела живлення однієї половини вихідного каскаду при біполярному живленні визначається виходячи з амплітуди вихідного сигналу, при цьому величина напруга вибирається мінімум на n більше, оскільки потрібно враховувати залишкову напругу, а у польових транзисторів вона може досягати одиниці вольт:
Максимальна потужність, що розсіюється одним транзистором визначається: Оскільки транзистори є комплементарними, досить розрахувати одне плече підсилювача. . Нехай
зберемо електронний пристрій MicroCap.
виміряємо вихідну напругу,
виміряємо вихідний струм,
визначимо частоту сигналу,
визначимо потужність на навантаженні,
порівняємо з умовами технічного завдання,
зробимо висновок.
Схема підключення осцилографа:
Рисунок 4.1 Схема випробувань RC-генератора
ВИСНОВОК
У ході виконання курсової роботи було розглянуто методику розробки електронного пристрою на прикладі RC-генератора з мостом Вина та потужним вихідним каскадом. Отриманий пристрій відповідає всім умовам технічного завдання.
Даний пристрій може бути використаний як, RC-генератор з потужним вихідним каскадом, частотою генерації потужність вихідного каскаду , опір навантаження електронним пристроєм на ... генератора: - RC- Зовнішній RC генератор- INTOSC – внутрішній RC генератор ...
Розробка електронногокодового замку
Курсова робота >> Комунікації та зв'язокДаний курсовий проект здійснюється розробка електронногокодового замку для зовнішньої... вимог, пред'явлених до пристроювище, електроннийкодовий замок повинен включати... генераторомробочої частоти. Таке пристрійне вимагає подачі на ...
Рахункове пристрійвідеоімпульсів наПЛІС
Дипломна робота >> ФізикаРобота присвячена розробці електронного пристроїчисло, що вважає... пристрої наПЛІС. За тактами генераторапрацюватиме лічильне пристрій. Був вибраний генератор... виробляється лінією RS, якщо RS= 0...1. прикладшироко поширеної послідовності...
Програмно-апаратний комплекс для проведення спеціальних комплексних перевірок електронних пристроїв
Дипломна робота >> Комунікації та зв'язокІ їхній стан. прикладвибору ланцюгів та їх... і генератораТактові імпульси. Мікроконтролер реалізований намікросхеми... згідно з протоколом RS-232. Відповідно до... Розробкапрограмно-апаратного комплексу для проведення спеціальних перевірок електронних пристроїв ...
