Основы РЭА_лекция 9-тезисы

Основы РЭА, Флёров А.Н, 2013

Лекция №9 тезисы

Генераторы

Широкое понятие, в которое входит ряд функциональных устройств

По назначению, по форме сигнала, по типу реализации…

Например:

-генераторы с внешним возбуждением;

-генераторы прямоугольных импульсов;

-генераторы импульсов треугольной формы;

-генераторы импульсов специальной формы;

-генераторы логических функций;

- генераторы коротких импульсов;

- автогенераторы

Автогенераторы

Автогенератор – устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию колебаний. Не требуют внешнего возбуждения (входного сигнала).

Автогенератор должен иметь: источник питания; усилитель; цепь ОС

Рис.8.1 Структурная схема автогенератора

Усилитель охваченный ПОС

(9.1)

,,- комплексные

К_рс =К - коэффициент передачи разомкнутой системы

При Кβ1, 

При кβ1 – усилитель с ПОС - автогенератор.

Это означает, что при U_вх = 0 на выходе есть переменное напряжение, периодическое.

При Кβ1, U_вых будет увеличиваться, пока не станет ограничиваться Е_пит, т.е. усилительный элемент будет находится в режиме насыщения и отсечки. Форма сигнала при этом будет близка к прямоугольной.

_рс = - сдвиг фазы разомкнутой системы (9.2)

При (ПОС) (9.3)

Рис.8.2 АЧХ и ФЧХ звеньев автогенератора

генерация существует на частоте _г

Пример:

Релаксационный транзисторный автогенератор (мультивибратор)

Рис.8.3 Принципиальная схема мультивибратор

Уравнение автогенератора

- уравнение автогенератора. (9.4)

представив

решение уравнения автогенератора

n = 0, 1, 2 … (9.5)

это условие баланса амплитуд – петлевой коэффициент = 1;

и условие баланса фаз – условие равнозначно существованию в системе ПОС.

Для генерации синусоидальных колебаний в кольцо автогенератора включают избирательный четырехполюсник.

Рис.8.4 Структурная схема автогенератора с избирательным фильтром в кольце

Пример: генератор синусоидальных колебаний с мостом Винна.

Рис.8.4а мост Винна

Рис.8.4б АЧХ и ФЧХ моста Вина

(9.6)

Рис.8.4в Автогенератор с мостом Вина

- мост Винна

Для выполнения баланса амплитуд д.б.

 для этого нужно (9.7)

Условие ПОС = 0, =0 выполняется

В схеме есть ООС по амплитуде – для ее стабилизации ( амплитуды выходного напряжения).

Если U_вых увеличивается  R_т увеличивается Ку уменьшается U_вых уменьшается, и наоборот если U_вых уменьшается ….

Одноконтурные автогенераторы (с одним LC контуром)

Избирательный четырехполюсник (z) и четырехполюсник обратной связи () совмещены

в одном колебательном контуре.

Пример: автогенератор с трансформаторной связъю

Рис.8.5 Автогенератор с трансформаторной связью.

(9.8)

Баланс фаз?

Транз. усилитель инвертирует сигнал … (продолжить…)

Пример: автогенератор, включенный по схеме с общей базой

Рис.8.6 автогенератор на транзисторе с общей базой и его эквивалентная схема по

переменному току

Обобщенная схема одноконтурного автогенератора

На эквивалентной схеме автогенератора (рис.8.6) по переменному току:

L - Lкб, С1 – Сбэ, С2 - Скэ

Рис.8.7 обобщенная схема одноконтурного автогенератора

(9.9)

Z1=jX1; Z2=jX2; Z3=jX3

X1+X2+X3=0 условие резонанса колебательного контура; (9.10)

Из (8.10)  X3+X2= -X1 (9.11)

(9.12)

Так как  - вещественный то для этого X1 и X2 должны иметь одинаковые знаки (т.е. иметь либо индуктивный, либо ёмкость характер), и тогда, X3– должен иметь противоположный знак к X1 и X2 это следует из (8.11).

Если X1 и X2 – емкость, то X3 должна быть индуктивность, такой автогенератор называется «ёмкостная трехточка».

Если X1 и X2 – индуктивность, а X3 – емкость, то это «индуктивная трёхточка».

Стабильность частоты одноконтурного автогенератора

Основное требование к автогенератору – стабильность частоты.

Рис.8.8 решение (8.14)

- баланс фаз (9.13)

- фазовый сдвиг на активном элементе

- фазовый сдвиг на цепи ОС

- фазовый сдвиг в избирательной цепи

или (8.14)

_г – частота генерации;

_к – резонансная частота контура;

_г1 ближе к_к, при большей добротности (Q) рис.8.8

Выводы:

1) Частота генерации не совпадает с резонансной частотой колебательного контура (в одноконтурном автогенераторе)

2) Чем больше Q, тем выше стабильность автогенератора.

Факторы, влияющие на стабильность частоты колебания АГ

Различают кратковременную и долговременную нестабильность чистоты

Кратковременная нестабильность – фазовый шум:

Долговременная нестабильность – уход частоты.

1) Шумы

Увеличивается кратковременная нестабильность частоты (влияют на амплитуду и фазу;

2) Температура

Определяет уровень шумов кратковременная нестабильность частоты и изменяет геометрические размеры колебательного контура долговременная нестабильность частоты

Для количественной оценки температурного фактора вводят понятие температурного коэффициента частоты (ТКЧ)

(9.15)

аналогично вводят

- ТКИ – температурный коэффициент индуктивности и (9.16)

- ТКЕ – температурный коэффициент ёмкости (9.17)

Можно показать

(9.18)

3) Вибрация (влияет на геометрические размеры колебательного контура);

4) Влияние внешней нагрузки (может шунтировать колебательный контур);

5) Нестабильность источника питания (влияет на режим по постоянному току, изменяет емкости p-n переходов транзистора);

6) Влажность и атмосферное давление (изменяет диэлектрическую проницаемость и геометрические размеры колебательного контура);

7) Старение элементов

Совокупность этих факторов воздействует на частоту автогенерации, стабилизируя ее.

= 10^-3 – 10^-4 (9.19)

Методы повышения стабильности частоты автогенератора

1)Термостатирование (узел автогенератора помещают в термостат);

2) Применение элементов с низкими ТКИ и ТКЕ;

3) Температура компенсации (ТКИ и ТКЕ берут разных знаков);

4) Повышение стабильности напряжения источника питания;

5) Буферизация (снятие нагрузки с колебательного контура);

Все эти меры приводят к уменьшению нестабильности частоты

= 10^-4 – 10^-5

Кварцевая стабилизация частоты

Дальнейшее повышение стабильности частоты достигается с использованием кварцевых резонаторов.

Рис. 9.1 эквивалентная электрическая схема кварца

Кварцевый резонатор – кристалл кварца с напыленными обкладками. Основное свойство высокая стабильность частоты механических колебаний.

Электрическая схема кварцевого резонатора

Д.у. механических колебаний кварца и д.у колебательного контура – подобны.

В такой схеме два резонанса: последовательный и параллельный.

Схема рис. 9.1 имеет два резонанса: параллельный и последовательный

(9.20)

Рис. 9.2а график зависимости сопротивления кварца от частоты

единицы десятки Гц (очень близко расположены друг к другу)

Рис. 9.2б кварцевый резонатор в емкостной трехточке

Рис. 9.3 Осциляторная схема автогенератора ()

Рис. 9.4 включение кварца в цепь ОС ()

= 10^-5 – 10^-6

Если еще улучшать, то  все меры…. (термостатирование….)

________________________________________________________________

“Именные автогенераторы“

!! Схемы показаны без цепей смещения

Генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка), названный в честь его изобретателя Эдвина Колпитца

Рис. схема Колпитца

Автогенератор по схеме Клаппа - модификация трёхточечной схемы автогенератора (генератора Колпитца). Была предложена Д.К. Клаппом (James K. Clapp) в 1948 году.

идея схемы Клаппа заключается в замене катушки с малой индуктивностью последовательным колебательным контуром

Рис. схема Клаппа

Генератор Хартли (индуктивная трёхточка) является электронным LC-генератором в котором положительная обратная связь берётся через отвод от части катушки индуктивности параллельного LC-контура.

Рис. Схема Хартли

Генератор Армстронга и генератор Мейснера (Майснера) названы в честь их изобретателей, электротехников Эдвина Армстронга и Александра Мейснера.

В обоих генераторах применяется трансформаторная обратная связь, но в генераторе Армстронга колебательный контур стоит и на входе и на выходе усилительного каскада, а в генераторе Мейснера колебательный контур стоит на выходе усилительного каскада.

Рис. Схема генератора Армстронга, Мейснера

Рис. Схема генератора Мейснера (принципиальная)

Генератор ван дер Поля

Является разновидностью генератора Армстронга с возбуждением от внешнего генератора E_s.

Рис. Схема генератора Ван дер Поля

10