Генераторы сигналов – Лекция 8

Генератор

Генератор (осциллятор) – электронное устройство для преобразования электрической энергии от источника постоянного тока в периодический сигнал (осцилляции). Виды:

• со обратной связью (усилитель – ОУ или транзистор, охваченные положительной обратной связью – ПОС)

• релаксационный (триггер Шмидта либо другое устройство с изменяемым состоянием для разрядки C через R в RC-цепи.

Положительная обратная связь

Часть выходного напряжения усилителя подаётся обратно на вход без фазового сдвига, что приводит к усилению выходного сигнала. Синфазное напряжение ОС V_f усиливается для создания выходного напряжения V_out которое, в свою очередь, создает напряжение ОС. → петля, в которой сигнал поддерживает себя, создавая непрерывный синусоидальный сигнал на выходе → колебания.

Условия устойчивости колебаний (БАРКГАУЗЕНА)

Условия запуска колебаний

При запуске колебаний в момент времени t₀, условие A_ci > 1 заставляет амплитуду синусоидального выходного напряжения расти до желаемого уровня. Затем A_ci падает до 1 и сохраняет желаемую амплитуду.

RC-генераторы

RC-генераторы – генераторы с ПОС, использующие RC-цепи для получения синусоидальных сигналов на выходе. Используется для генерации сигналов с частотой до 1 МГц.

Типовые схемы:

• Генератор с мостом Вина

• Фазосдвигающий генератор

• Генератор с двойным T-мостом

Наиболее широко используемый тип RC-генератора – генератор с мостом Вина.

Феномен задержки-опережения

• R₁, C₁ – задержка;

• R₂, C₂ – опережение.

f_r – резонансная частота, на которой фазовый сдвиг 0, а затухание 1/3.

< f_r – опережение доминирует (выход опережает вход)

> f_r – запоздание доминирует (выход отстает от входа)

Генератор с мостом Вина

Неинвертирующий усилитель с входным сигналов, возвращаемым с выхода через цепь опережение.

Условие устойчивости: A = 3, R₁ = 2R₂.

Условие запуска колебаний: A > 3

Автоколебания в генераторе с мостом Вина

R₃ параллельно с направленными на встречу друг другу стабилитронами D₁ и D₂. При подключении источника постоянного напряжения стабилитроны открываются, подключая R₃.

→ A = 3 + R₃/R₂.

Когда выходной сигнал достигает напряжения пробоя стабилитрона, стабилитроны закорачиваются, → A = 3.

Минус: нелинейность стабилитрона.

Стабилизированный JFET генератор с мостом Вина

Автоматическая регулировка усиления (АРУ): полевой транзистор с управляющим p-n переходом (JFET) = управляемый напряжением резистор. При ↑ V_DS затвора, сопротивление сток-исток увеличивается. На затворе 0 В → сопротивление сток-исток минимально, A_cf > 1, ↑ колебания. Отклонения прямого смещения выходного сигнала D₁ вызывают заряд C₃, что ↑ сопротивление сток-исток JFET и ↓ усиление, ↓ выходной сигнал → АВТОКОЛЕБАНИЯ.

Фазосдвигающий генератор

3 RC-цепи в контуре ОС, для каждой сдвиг фазы 90. Колебание на частоте, на которой полный сдвиг фазы 180+180 от инверсии ОУ. → сдвиг фазы 360 (или 0) вокруг контура ОС.

B = R₃/R_f = 1/29

R₁ = R₂ = R₃ = R

C₁ = C₂ = C₃ = C

Генератор с двойным T-мостом

2 T-образных RC-фильтра в контуре с ОС:

ФНЧ, ФВЧ

→ комбинированные параллельные фильтры с центральной частотой в полосе пропускания (режекции), равной требуемой частоте колебаний. Колебание на частотах выше или ниже не происходят из-за ООС через фильтры. ПОС через делитель напряжения (R₁ и R₂) дает колебания.

LC-генераторы

LC-генераторы – генераторы с ПОС, использующие LC-цепи для получения синусоидальных сигналов на выходе. Используемая для генерации сигналов с частотой 1 МГц и свыше.

Типовые схемы:

• Генератор Колпитца (емкостная точка)

• Генератор Клаппа

• Генератор Хартли

• Генератор Армстрогна

• Кварцевый генератор

Генератор Колпитца (емкостная точка)

LC-цепь в контуре ОС.

• Сдвиг фазы

• Резонансный фильтр, пропускающий только желаемую частоту колебаний

Влияние нагрузки цепи ОС на частоту колебаний генератора Колпитца

Входной импеданс усилителя действует как нагрузка на резонансную цепь ОС и уменьшает добротность цепи Q. Резонансная частота параллельного резонанса:

• При Q > 10

• При Q < 10 ↓↓↓

Генератор Колпитца на полевом транзисторе

Для ↓ влияния нагрузки на входное сопротивление транзистора вместо биполярного транзистора (БТ) может использоваться полевой транзистор (ПТ). ПТ имеют гораздо более высокий импеданс, чем БТ, высокое входное сопротивление затвора.

Схемы снижения нагрузки ОС в генераторе Колпитца

Генератор Клаппа

C₃ включён последовательно с L в цепи резонансной ОС → C₃ контролирует f_r.

C₁ и C₂ заземлены → емкость перехода транзистора и др. паразитные емкости параллельны с C₁, C₂ и землей, влияя на них, но не влияют на C₃.

Генератор Хартли (индуктивная трехточка)

Цепь ОС состоит из 2-х последовательных L и параллельного C. Влияние нагрузки контура такое же: при ↓ Q - ↓ f_r.

Генератор Армстронга

Цепь ОС содержит трансформаторную связь. Вторичная обмотка трансформатора = катушка ОС (обеспечивает ОС для поддержания колебаний). Частота колебаний задается индуктивностью первичной обмотки L_pri параллельной C₁.

Минус: размер и стоимость трансформатора

Кварцевый кристалл

Наиболее стабильный и точный тип генератора с ПОС. Пьезоэлектрический эффект. Последовательно-параллельная RLC-цепь. → последовательный и параллельный резонанс с Q ≈1000.

Кварцевый генератор

В цепи ОС – кристалл. Импеданс кристалла минимален в серии резонансных частот → максимальная ОС. C_c – для «точной настройки» частоты генератора путем точного «подтягивания» резонансной частоты кристалла выше или ниже.

Кварцевый генератор по схеме Колпитца

Кристалл – параллельный резонансный контур цепи. Импеданс кристалла максимален при параллельном резонансе → максимальное напряжение на конденсаторах. Напряжение на выходе подается обратно на вход.

Режимы колебаний кристалла

• На основной частоте ­ самой низкой, на которой возможен резонанс, зависит от размеров кристалла, типа среза и др. Обратно пропорциональна толщине кристаллической пластины. Слишком тонкий срез невозможен → верхний предел основной частоты (<20 МГц).

• На частоте обертонов ­ приблизительно целые кратные основной частоты, часто, но не всегда являются нечетными гармониками основной частоты (3,5,7…).

Кварцевые генераторы доступны в ИС.

Релаксационные генераторы

= Мультивибраторы.

Двухкаскадное устройство с использованием времязадающей RC-цепи устройства с изменяемым состоянием для генерации периодической формы волны. Для генерации несинусоидальных сигналов.

Типовые схемы:

• Генератор треугольного сигнала

• Функциональный генератор

• Генератор, управляемый напряжением (пилообразного сигнала)

• Генератор прямоугольного сигнала

Базовая схема генератора треугольного сигнала

Интегратор на ОУ + двойная полярность на переключаемом входе:

• Переключатель в 1 → -V, выходной сигнал нарастает

• Переключатель в 2 → +V, выходной сигнал падает

При переключении из 1 в 2 и т.п. с фиксированными интервалами на выходе треугольная волна.

Функциональный генератор

• Компаратор на ОУ с гистерезисом для переключения.

• Выход компаратора подключен к инвертирующему входу интегратора.

R₂ и R₃ определяет амплитуду треугольного сигнала:

R₁ определяет частоту:

Генератор упраляемый напряжением

Частота имзеняется переменным напряжением упрвления посоянного тока:

• Интегратор на ОУ

• Однопереходный транзистор с управляемым порогом (PUT), соединенный параллельно с C в ОС для перезаряда цепи.

PUT ­ напряжение на аноде > напряжения на затворе на 0,7В → смещенный вперед диод, < 0,7В, → выключается.

Генерация пилообразного сигнала

Генератор прямоугольного сигнала

Циклы заряда-разряда С. Инвертирующий вход ОУ = напряжение на С, а неинвертирующий вход = часть выхода, возвращаемого через R₂ и R₃ и обеспечивающего гистерезис. При запуске конденсатор не заряжен, на инвертирующем входе 0В.

• Выход → максимальное положительное состояние, С заряжается через R₁ от V_out до V_c вплоть до напряжения в цепи ОС V_F на неинвертирующем входе.

• ОУ → максимальное отрицательное состояние, С разряжается +V_F до ­V_F, ОУ переходит обратно в максимальное положительное состояние.

• На выходе прямоугольный сигнал

Классификация мультивибраторов

• Астабильный (нестабильный, автоколебательный) ­ устройство непрерывно генерирует колебания и самопроизвольно переходит из одного состояние в другое (внешний сигнал синхронизаций не обязателен)

• Моностабильный (одновибраторы, ждущие мультивибраторы) – одно из состояний является стабильным, но другое состояние неустойчиво на некоторое время, в которое мультивибратор переходит под воздействием запускающего импульса.

• Бистабильный ­ мультивибратор устойчив в любом из двух состояний и может быть переключен из одного состояния в другое подачей внешних импульсов.

Использование таймера 555 в качестве генератора

• 2 компаратора (низкого и высокого уровней)

• Резистивный делитель напряжения с двумя опорными напряжениями для сравнения

• RS-триггер с входом сброса

• Транзитивный ключ с открытым коллектором

• Выходной усилитель мощности для увеличения нагрузочной способности

→ Устройство с 2-мя состояниями выхода:

• На высоком уровне (установка, S)

• На низком уровне напряжения (сброс, R)

Состояние выхода изменяется выходными сигналами.

Астабильный режим работы таймера 555

• Порог ввода (THRESH) подключен к триггерному входу (TRIG)

• Внешние компоненты R₁, R₂, и C_ext формируют RC-цепь, которая устанавливает частоту колебаний

• Конденсатор 0,01 мкФ, подключенный к входу управления (CONT), предназначен для развязки и не влияет на работу

Таймер 555 в астабильном режиме

Выводы

• Рассмотрели распространенные базовые схемы генераторов с ПОС и релаксационных генераторов

• Отметили их достоинства, недостатки и возможные усовершенствования базовых схем