АНАЛ.ЭЛЕКТРОНИКА / theory

Одновременно с интегрированием входного сигнала интегрируется напряжение смещения ОУ, а также происходит перезаряд конденсатора входным током ОУ. Напряжение смещения кроме того непосредственно приложено к конденсатору. Суммарная ошибка из-за указанных погрешностей имеет вид:

Через некоторое время конденсатор зарядится до такой величины, что операционный усилитель войдёт в насыщение. Для исключения насыщения интегратора параллельно конденсатору включают периодически замыкаемый разрядный ключ или высокоомный резистор R2 .

Рис. 8. 7. Реальный интегратор

ЛАЧХ интегратора приведена на рис.8.8.

170

Рис.8.8. ЛАЧХ интегратора

1−ЛАЧХ идеального интегратора 2−ЛАЧХ ОУ.

3−ЛАЧХ реального интегратора.

На низких частотах сопротивление конденсатора стремится к бесконечности, усилитель разомкнут. Наличие R2 позволяет ограничить усиление и сохранить активный режим ОУ.

8.5. Дифференциатор

Схема дифференциатора приведена на рис.8.9. Токи инвертирующего входа ОУ:

Выходное напряжение дифференциатора:

171

Рис.8.9. Дифференциатор

В случае гармонического сигнала UВХ(t)=Umsin(ωt)

На высоких частотах сопротивление конденсатора становится бесконечно малым. Реальные дифференциаторы содержат последовательно включённый с конденсатором низкоомный резистор, чтобы на высоких частотах ограничить коэффициент усиления и исключить шунтирование источника входного сигнала.

Рис.8.10. Реальный дифференциатор

ЛАЧХ дифференциатора:

172

1.ЛАЧХ идеального дифференциатора.

2.ЛАЧХ ОУ.

3.ЛАЧХ реального дифференциатора.

Дифференциатор формирует напряжение, пропорциональное скорости изменения входного напряжения.

173

9.ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

9.1.Принципы построения генераторов, баланс фаз, баланс амплитуд. Условия самовозбуждения, мягкое и жесткое самовозбуждение.

Генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию электрических колебания. Генераторы гармонических колебаний формируют в нагрузке колебания напряжения (тока, мощности) синусоидальной формы.

Генераторы содержат пассивные элементы –R, L, C, и активные− усилители мощности на транзисторах или ЭВП.

Электрическая энергия в пассивных элементах затухает за счет тепловых потерь. Активные элементы восполняют потери энергии в колебательной системе и в нагрузке.

Если потери энергии в колебательной системе превосходят энергию, отдаваемую активными элементами, то колебания затухают. Если подводимая активными элементами энергии превосходит потери в колебательной системе, то колебания нарастают.

Для реализации автоколебательного, равновесного, стационарного режима генератор должен содержать нелинейный элемент. Таким элементом является активный прибор, усилитель.

Генератор (рис. 9.1) содержит усилитель и цепь положительной обратной связи (ПОС). Цепь ПОС выполняется на линейных элементах, которые обеспечивают требуемую частоту колебаний. Активная цепь восполняет потери энергии в системе и выполняет функцию нелинейного элемента.

Рис. 9.1. Генератор электрических колебаний

174

Комплексные коэффициенты передачи усилителя

(9.1)

и цепи ПОС

(9.2)

Для замкнутой системы

(9.3)

Условие установившихся колебаний

Генераторы мягким самовозбуждением самостоятельно переходят в режим устойчивых колебаний после включения питания.

Рис. 9.2. Генератор c мягким самовозбуждением

175

Uвыхm− амплитуда установившихся колебаний. Область 1− КоВо>1, нарастание амплитуды колебаний, Область 2− КоВо<1, затухание колебаний.

В генераторе с жестким самовозбуждением в области малых амплитуд коэффициент усиления недостаточен для развития процесса, Ко(Um)<1/Во. Для возбуждения необходимо внешнее воздействие Um> Uвхмин, чтобы выйти на участок Ко(Um)>1/Во.

9.2. LC- генераторы

LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний.

На рис. 9.3 приведена схема генератора с параллельным резонансным LC- контуром и с индуктивной трансформаторной обратной связью –схема Майсснера.

176

Рис. 9.3. Генератор Майсснера

Резисторы RБ и RЭ обеспечивают режим покоя транзистора. Конденсаторы CБ и CР –разделительные, CЭ − блокировочный. Элементы контура LК и CК определяют частоту генератора, при малых потерях

(9.7)

Баланс амплитуд обеспечивается величиной коэффициента взаимоиндукции М между катушками LК и LБ трансформатора связи. Баланс фаз – правильным подключением катушки LБ, чтобы протекающий в ней ток обеспечивал положительную, а не отрицательную ОС.

Применяются также сходные по принципу действия генераторы с автотрансформаторной связью, не требующие дополнительной обмотки.

Рис. 9.4. Генератор с автотрансформаторной связью

Баланс амплитуд обеспечивается отношением витков w1 и w2 катушки индуктивности LК.

Так как резонансный контур подключён к усилителю тремя точками, то такая схема называется трехточечная или просто трехточка.

Рис. 9.5. Обобщенная трёхточка

177

К реактивным сопротивлениям ветвей предъявляются следующие требования.

1.X1,X2-индуктивный характер, X2+X3-емкостной характер.

2.X1,X2- емкостной характер, X2+X3- индуктивный характер.

Впервом случае получаем генератор с индуктивной трехточкой –схема

Хартли

Рис. 9.6. Индуктивная трехточка–схема Хартли

В втором случае получаем генератор с емкостной трехточкой –схема Колпитца .

Рис. 9.7. Емкостная трехточка −схема Колпитца

178

Для повышения точности и стабильности частоты применяют кварцевые резонаторы, имеющие очень высокую стабильность частоты колебаний. Собственная резонансная частота кварцевого резонатора зависит от его геометрических размеров.

Рис. 9 .8. Эквивалентная схема кварцевого резонатора Схема транзисторного генератора с кварцевой стабилизацией частоты

дана на рис. 9.9. Кварцевый резонатор задает на вход транзистора колебания со своей стабильной частотой, а усиленные колебания получаются в колебательном контуре, включенном в выходную, коллекторную цепь. Обратная связь, необходимая для самовозбуждения генератора, осуществляется через емкость коллектор − база. Если эта емкость недостаточна, то между коллектором и базой включают дополнительный конденсатор. Резисторы R1 и R2 включены для того, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение.

Рис.9.9. Схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты В генераторе Пирса в емкостной трехточке вместо катушки индуктив-

ности используют кварцевый резонатор. Преимущество – повышенная стабильность частоты и отсутствие индуктивностей.

179