Контрольная работа 1 АПз-310 / Электроника Ч2

91

23.5.Докажите, что КПД усилителя в классе А при синусоидальном сигнале не может быть больше 0,5.

23.6.Определите мощность в нагрузке Рн и КПД усилителя мощности η по схеме

рис. 23.1, а, если Ек = 10 В, ϖ 1 = 200, ϖ 2 = 50, Rн = 50 Ом, а ξ = 0,75.

23.7.Как изменится работа двухтактного усилителя мощности, если напряжение смещения выбрано так, что

а) угол отсечки больше 90º, б) угол отсечки меньше 90º?

23.8.Для чего вторичная обмотка входного трансформатора в схеме рис. 23.2, а имеет вывод от средней точки?

23.9.Что произойдет, если симметрия средней точки первичной обмотки выходного трансформатора в схеме рис. 23.2, а будет нарушена?

23.10.В схеме рис. 23.2, а Rн = 50 Ом, Ек = 10 В, число витков первичной обмотки выходного трансформатора ω1 = 200, а ω2 = 50. Определить Рн и η.

23.11.Сформулируйте достоинства и недостатки усилителя мощности по схеме

рис. 23.3.

ЛЕКЦИЯ 24. ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СИГНАЛОВ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством которого энергия внешних источников питания преобразуется в электри- ческие колебания требуемой частоты, формы и мощности. Электронные генераторы входят в состав структурных схем многих электронных прибо- ров. Они используются в универсальных измерительных приборах, осцилло- графах, микропроцессорных системах, телевизорах, радиоприемниках и т.д.

92

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемо- го активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи.

По назначению генераторы делятся на технологические, измеритель- ные, медицинские, связные.

По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негар- монических сигналов.

По выходной мощности генераторы делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (от 1 до 100 Вт) и мощные (более 100 Вт).

По частоте генераторы делят на инфранизкочастотные (менее 10 Гц), низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц), СВЧ (выше 100 МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на лампо-

вые, транзисторные, на ОУ, на тунельных диодах, динисторах.

По типу частотно-избирательных цепей ОС различают генераторы

LC, RC и RL типа.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Обобщенная структурная схема генератора электрических сигналов должна содержать источник питания и преобразователь энергии источника в электрические колебания. Схема преобразователя приведена на рис. 24.1, а. Она содержит усилитель, частотно-избирательную цепь положительной об- ратной связи (ПОС), а также цепь ООС.

Обозначим модуль коэффициента усиления усилителя – К, модуль ко- эффициента передачи цепи ПОС – В, а модуль коэффициента передачи цепи ООС – М. По своему составу структурная схема генератора во многом соот- ветствует схеме избирательного усилителя. Отличие схем заключается в ко-

93

личественных соотношениях для значений коэффициентов К, В и М, а также в требованиях к ФЧХ цепи ПОС.

Определим требования к этим параметрам генератора. Для этого

функционирование генератора разделим на два этапа: этап возбуждения и этап стационарного режима. На этапе возбуждения в генераторе возника- ют колебания, и амплитуда их постепенно нарастает (рис. 24.1, б). На вто- ром этапе амплитуда колебаний стабилизируется, и генератор переходит в стационарный режим.

На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь ПОС. Эта цепь определяет условия возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний их амплитуда на- растает до тех пор, пока действие ООС не ограничит значение К. На этапе возбуждения цепь ООС не работает.

Рис. 24.1. Обобщенная структурная схема генератора а) график напряжения на его выходе б)

Цепь ПОС, как правило, выполняется на пассивных R, L, C элементах, поэтому она имеет потери. Эти потери компенсируются усилителем.

Рассмотрим процессы возникновения и установления колебаний на

выходе генератора. При включении питания в схеме возникнут колебания, обусловленные переходными процессами в транзисторах или ОУ, зарядом

94

емкостей или индуктивностей. Эти колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала U&вх1. На выходе усилителя формируется сигнал

и вновь поступает на вход усилителя, т.е.

При соблюдении условия (24.2) схема генератора переходит в ста- ционарный режим. Условие (24.2) распадается на два условия, которые на- зываются условиями баланса амплитуд и фаз:

Условие баланса амплитуд показывает, что в режиме возбуждения ко- лебаний коэффициент усиления усилителя должен быть больше коэффици-

ента затухания цепи ПОС т е & > &

, . .| К | 1/ В.

Для перехода к стационарному режиму в схему включается цепь с

ООС Она изменяет значение & до точного соблюдения баланса амплитуд

. | К | .

Условие баланса фаз означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2nπ, где n – любое целое число (как правило, n=1). Условие баланса фаз позволяет определять частоту генери- руемых колебаний. Если баланс фаз выполняется только на одной частоте,

95

то генерируются гармоническое колебание. Если условие баланса фаз вы- полняется для ряда частот, то колебания будут негармоническими.

3. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Одна из возможных схем генератора гармонических колебаний была рассмотрена в лекции 23. В этом вопросе основное внимание уделим анализу физических процессов в нескольких практически применяемых схемах гене- раторов на транзисторах. В качестве частотно-избирательных цепей такие схемы используют колебательный контур, включаемый в цепь коллектора. Цепь ОС может быть реализована трансформаторной связью (рис. 24.2, а).

В схеме рисунка 24.2, а транзистор Т, Lк, Cк и Rб образуют резонанс- ный усилитель по схеме с ОЭ. В такой схеме сдвиг фаз между Uвх и Uвых – φк равен π. Элементы Lдр и Cф образуют фильтр в цепи питания. Фильтр не пропускает переменную составляющую в цепь источника питания. Элемент Rб образует схему смещения с фиксацией тока базы. Индуктивность Lб, включена в цепь базы и образует ПОС. Связь между Lб и Lк трансформатор- ная. Для выполнения баланса фаз включение катушек встречное, т.е. φβ = π.

Рассмотрим физические процессы более подробно. Пусть в момент вре-

мени t = 0 включено питание. Бросок тока коллектора вызовет в контуре Lк, Cк колебания с частотой ω0, причем,

uк(t) = Um0·exp(-δ·t)·cosω0t,

где Um0- начальная амплитуда свободных колебаний, δ = (Gвых + β·Gвх)/2·Cк, Gвых,Gвх – выходная и входная проводимости резонансного усилителя, β – коэффициент передачи тока базы транзистора.

Учтем затухание В, вносимое элементами ПОС. Тогда

δ = (Gвых + β Gвх·B)/2·Cк.

96

Для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы потери δ были

Разделим (24.4) на Gвых и учтем, что K0 = (-β Rвых)/Rвх. Тогда от (24.4) приходим к выражению баланса амплитуд в режиме возбуждения:

1-KB<0.

На практике для надежного возбуждения обеспечивают KB=(2÷4). Ба- ланс фаз обеспечивается включением колебательного контура в цепь кол- лектора и встречным включением катушек индуктивности Lб и Lк.

Чтобы завершить анализ работы генератора, обратимся к проходной характеристике транзистора (рис. 24.2, б).

На характеристике показана рабочая точка Т, сигнал в цепи ПОС – uб(t) и сигнал в цепи коллектора iк(t). Рабочая точка Т размещена в середине линейно- го участка характеристики. При соблюдении условия (24.4) в схеме возникают колебания и их амплитуда в границах линейного участка непрерывно растет. Когда амплитуда сигнала превышает размеры линейного участка характери- стики, ее рост прекращается. Форма колебаний в цепи коллектора искажается, но контуром выделяется только одна гармоника – на частоте ω0.

Рис. 24.2. Схема LC генератора а) и график его проходной характеристики б)

97

4. ТРЕХТОЧЕЧНЫЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Схемы генераторов, в которых часть выходного сигнала передается

в цепь базы через индуктивный или емкостной делитель, называются

трехточечными. Обобщенная схема трехточечного генератора приведена на рис. 24.3, а. В ней комплексные сопротивления Z1, Z2, Z3 представляют элементы колебательного контура. Они соединены с тремя выводами тран-

зистора. Выясним, каким условиям должны удовлетворять эти сопротивле-

ния, чтобы ОС была положительной.

Теперь очевидно, что ϕβ = π + φZ2 - φZ3 (здесь π в левой части обуслов-

лено сдвигом фазы в цепи коллектора). Но нам уже известно, что для вы- полнения условия баланса фаз необходимо, чтобы φβ = π, т. е.

π + ϕZ2 - ϕZ3 = π.

Значит,

Выражение (24.5) показывает, что знаки реактивностей в цепях кол- лектор-эмиттер и база-эмиттер должны быть одинаковыми, т.е. это должны

98

быть либо индуктивности (рис. 24.3, б), либо емкости (рис. 24.3, в).

К К К

должны совпадать. Значит, знак реактивности в цепи коллектор-база –Х1 должен быть противоположным.

Реальная схема индуктивной трехточки приведена на рис. 24.4, а. В

этой схеме делитель R1,R2 образует схему смещения с фиксацией напряже- ния на базе. Резистор Rэ предназначен для обеспечения термостабилизации. Вывод от катушки индуктивности делит ее на две части L1 и L2 и соединен с эмиттером транзистора через разделительный конденсатор Cр1 большой ем- кости. В результате индуктивность L1 по переменной составляющей вклю- чена между базой и эмиттером (посредством Cф1 и Cф2), а L2 – между коллек- тором и эмиттером. Между электродами коллектор-база включена емкость контура C1. Так реализована трехточка. Выходное напряжение снимается с резистора Rэ через Ср2. Оно равно напряжению обратной связи Uб, снимае- мому с катушки L1.

На рис. 24.4, б представлена схема генератора с емкостной ОС (ем-

костная трехточка).

99

Благодаря делителю С1 С2 контур тремя точками (э, к, б) соединен по

переменной составляющей с транзистором. Напряжение ОС снимается с конденсатора С2. Необходимые фазовые соотношения обеспечиваются под- ключением эмиттера к средней точке делителя. При этом Z1=jωL1,

Z2=1/jωC2, Z3=1/jωC1.

Частота генерации определяется выражением

5. RC – ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Генераторы гармонических колебаний с LC контурами широко приме- няются на ВЧ. Их применение на НЧ осложняется низким качеством и боль-

100

шими габаритами катушек индуктивности. В связи с этим в цепях ПОС НЧ генераторов обычно используют RC-цепи. Такие цепи имеют квазирезо-

нансные характеристики и обеспечивают сдвиг фаз между входным и вы- ходным напряжениями, равным 180º или нулю. Две такие цепи приведены на рис. 24.5.

Первая цепь (рис. 24.5, а) состоит из трех фазосдвигающих звеньев. Каждое звено на частоте ω0 обеспечивает сдвиг фазы на 60º. В результате фаза выходного напряжения будет сдвинута относительно фазы входного на 180º. Для построения генератора с такой цепью необходимо применить ин- вентирующий усилитель. Фазовый сдвиг (-π) обеспечивается только на час-

тоте ω0 = 6 / RC. При этом модуль коэффициента передачи на частоте ω0

равен | & |= 1/ 29. Для построения генератора с такой цепью необходимо

В

применить инвертирующий усилитель.

Вторая цепь (рис. 24.5, б) называется мостом Вина. Напомним, что на резонансной частоте мост Вина обеспечивает сдвиг по фазе, равный нулю. Для построения генератора на основе моста Вина необходимо применять неинвертирующий усилитель.

Схему генератора на основе моста Вина в цепи ПОС легко реализо- вать на ОУ (рис. 24.6, а). Такая схема полностью совпадает со схемой резо- нансного усилителя по рис. 22.7, а. Схема генератора на основе RC-цепи рис. 24.5, а приведена на рис. 24.6, б.