курсовой по электронике

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

На резонансной частоте контур можно заменить сопротивлением Rп , характеризующим потери. На рис 12 R П показано пунктиром. Для оценок можно считать, что

Rп L Q ,

желательно иметь в пределах (310).

Через резистор R4 ток не должен превышать 1/4 от допустимого входного тока ОУ. Поэтому для выбора этого сопротивления необходимо воспользоваться справочными данными ОУ и выбрать

величину IВХ доп .

Резисторы R3 и R1 имеют одинаковую величину ( R3 R1 ), симметрируют вход ОУ и уменьшают смещение eсм (см. рис. 5).

3.2. RC-генераторы.

Кроме LC-контура частотно зависимыми характеристиками обладают структуры, содержащие только ёмкости и сопротивления. Эти цепи по-разному изменяют фазу сигнала .

Это надо учитывать при использовании RC-цепей в качестве цепей ПОС при построении генераторов гармонических колебаний.

Генераторы синусоидальных колебаний на операционных усилителях.

Использование операционных усилителей (ОУ) в схемах реализации генераторов колебаний открывает благодарные перспективы перед проектировщиками таких генераторов по сравнению со случаями использования схем на биполярных транзисторах. Действительно, при использовании операционных усилителей отпадает необходимость производить расчёт усилительного каскада в режиме покоя. С другой стороны, так как коэффициент усиления ОУ зависит от величины резисторов в цепях отрицательной обратной связи (ООС), то легко выполняется условие баланса амплитуд: K 1. И, наконец, подключая цепь положительной обратной связи (ПОС) к инвертирующему или неинвертирующему входу ОУ, оказывается просто удовлетворить условие равенства фаз: K 2 n . Коэффициент усиления усилительного каскада на ОУ (см. работы

№ 4 и 5 Лаборатории Промышленной Электроники на II курсе) определяется отношением R0 R1 (рис. 4). Изменяя отношение R0 R1 , подбирают такую величину K , которая компенсирует ослабление сигнала цепью ПОС.

Зная величину фазового сдвига для выбранной цепи ПОС, подключают ее к

инвертирующему или неинвертирующему входу ОУ, тем самым обеспечивая выполнение условия равенства фаз нулю.

Напомним, что разные виды ПОС создают , приведенные в таблице 1.

21

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для получения автоколебаний ОУ должен быть дополнен частотно-избирательной положительной обратной связью , обеспечивающей на заданной частоте баланс амплитуд, то есть

K 1 и баланс фаз K 2 n ( n 0, 1, 2, ...),

Частотно-избирательную положительную обратную связь выполняют на RC-схемах. Существует много схем RC-генераторов. Некоторые, наиболее распространённые варианты, приведены на рис.13. Это частотно-избирательная цепь с мостом Вина (рис.13,а), или фазосдвигающая цепь лестничного типа (рис. 13,б), двойной Т-образный мост (рис. 13,в).

Рис.13.

Мост Вина « R1 , R2 ÷ C1 R3 , C2 R4 » имеет максимум коэффициента передачи 0

На частоте f 0 угол 0 .

22

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Фазосдвигающая RC-цепочка (рис. 13,б) имеет три Г-образные звена, обеспечивающие

он не пропускает сигнал, поэтому отрицательная обратная связь отсутствует, а на остальных частотах отрицательная обратная связь сильная. С другой стороны, через делитель R1-R2 производится положительная обратная связь, способствующая возникновению генерации. В результате генерация возникает на частоте f 0 , на которой отсутствует отрицательная обратная

связь. Величины R и следует выбирать с учётом паспортных данных ОУ, следя за тем, чтобы входной ток ОУ не превышал бы допустимые значения.

Глава 4 . Генераторы импульсов.

4.1. Прямоугольные импульсы. Мультивибраторы.

Если в генераторе применить широкополосные и усилитель и цепь ОС (пропускают сигналы в широком диапазоне частот), получится релаксационный генератор. Процесс возбуждения колебаний в нём происходит настолько быстро, что не успевает пройти даже один цикл (период) колебаний, как усилительный элемент оказывается в режиме насыщения (т.е. в режиме ограничения). После этого устройство должно некоторое время «отдохнуть» (relaxотдыхать), чтобы возвратиться в исходное состояние, после чего процесс повторяется.

Релаксационные генераторы генерируют несинусоидальные колебания. На их основе создают генераторы импульсов прямоугольной, треугольной или какой-либо другой формы. Их используют, например, для генерирования напряжений развёртки в телевизорах, осциллографах. Частота или период колебаний в релаксационных генераторах определяются длительностью процессов зарядки-разрядки конденсаторов через резисторы. Эти процессы описываются экспоненциальными зависимостями и определяются постоянными временами RC-цепей ( RC ).

Рис.14,a.

На рис.14а приведена схема одного из видов релаксационного генератора – классического мультивибратора. По сути дела это двухкаскадный транзисторный усилитель со связью между каскадами через разделительный конденсатор С1. Конденсатор же С2 соединяет выход усилителя 2 со входом 1, образуя цепь 100% обратной связи. Поскольку каждый каскад инвертирует сигнал (меняет полярность), после двух каскадов сигнал оказывается неинвертируемым, с

K100 400 , а обратная связь – положительной. R1 и R4 – резисторы нагрузки каскадов, а R2

иR3 – резисторы смещения, задающие ток базы, обеспечивающий насыщение транзисторов

23

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(т.е.полное включение, когда R2 R1 , a R3 R4 , где — коэффициент усиления транзисторов по току)

Коэффициент усиления этого двухкаскадного усилителя порядка K 100 400 , а коэффициент ослабления ПОС 1. Тогда произведение K 1, и поэтому генерируется очень

много гармоник, которые сложившись, дают на коллекторах VT1 и VT2 прямоугольные импульсы, сдвинутые по фазе. Если номиналы конденсаторов и резисторов в правой и левой частях схемы одинаковы, импульсы будут одинаковой длительности. В этом случае мультивибратор называют симметричным. При разных номиналах соответствующих деталей импульсы становятся несимметричными – один полупериод короче, другой – длиннее. Мультивибратор становится несимметричным с периодом:

T R2C2 R4C1 ln 2 .

Величина коллекторных резисторов R1 и R4 должна ограничить ток до допустимой величины (с запасом), а их максимальная величина не должна приводить к потере напряжения на коллекторах от теплового тока. Потеря напряжения от теплового тока должна быть не более 10% от

EК .

Базовые резисторы R2 и R3 должны обеспечить ключевой режим транзисторов, т. е. их

величина должна быть

R2 R3 R1 R4 .

Протекание зарядного тока емкостей С1 и С2 через резисторы R1 и R4 сглаживает фронты импульсов на коллекторах. Для улучшения формы импульса, например, на VT2 достаточно

высокочастотный диод VD, как показано на рис.14а.

В классической схеме мультивибратора рис.14а хронирующие конденсаторы С1 и С2 включены между коллектором одного транзистора VT1 (или VT2) и базой другого транзистора VT2 (или VT1). При опрокидывании мультивибратора напряжение на коллекторе быстро падает до нуля, заземляя обкладку С1 (или С2). Это приводит к появлению большого отрицательного напряжения

EК , запирающего соседний транзистор. В этот момент появляются большие напряжения между коллектором и базой 2EК и между базой и эмиттером EК . Эту ситуацию иллюстрируют графики, представленные на рис. 14,в. Столь большие напряжения не допускают большинство транзисторов. Чаще всего напряжения между базой и эмиттером UБЭ 3 7 В. Это значительно

ограничивает применение в схемах мультивибраторов большинства выпускаемых промышленностью транзисторов.

Для преодоления этой трудности предлагается коллекторное сопротивление RК выполнять из двух последовательно включённых резисторов RK1 и RK11. Принципиальная схема мультивибратора принимает вид, представленный на рис. 14,б. Величина резистора RK1 подобрана так, чтобы на нём

падало бы напряжение uСН 3 7 В. Остальная часть напряжения тогда будет падать на RK11. Благодаря этому приёму при отпирании транзистора на базу соседнего подаётся напряжение, не превышающее допустимое UБЭ 3 7 В, а U КЭ вместо 2EК будет равняться EК uСН .

Пренебрегая потерями напряжения на р-n переходах, можно получить упрощённую формулу для длительности импульса tи и периода колебаний T .

Итак, напряжение на базе запертого транзистора изменяется от uСН до EК . Импульс на коллекторе существует тогда, когда на базе напряжение отрицательно (рис.__). Длительность этого импульса зависит от постоянной времени RБ1C1 или RБ2C2

24

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Мультивибраторы на операционных усилителях.

На рис. 15,а и 15,б показаны схемы простейших мультивибраторов на основе ОУ. В варианте а) положительная обратная связь (ПОС) осуществляется через делитель R3, R4, а отрицательная обратная связь (ООС) — через интегрирующую цепочку R1, R2 и C. Будем считать, что уровни

перезаряда конденсатора C от пUогр до пUогр (или наоборот). Тогда период колебаний T

равен

T 2C R1 R2 ln 1 2 R3 R4 .

Рис.15.

Если на схеме (рис. 15, а) подключить диод VD, то при положительном импульсе будет зашунтирован резистор R2, и конденсатор C будет перезаряжаться быстрее, и импульс станет короче. При смене полярности подключения VD укоротится отрицательный импульс.

25

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

На рис. 15, б приведена схема мультивибратора, где хронирующий конденсатор C включён в цепь ООС, образуя с резисторами R3 и R4 дифференцирующую цепочку. В момент смены

импульс заканчивается, когда экспонента на неинвертирующем входе пересекает уровень напряжения 0 R1 R1 R2 .

При определении величин R2 и R4 нужно учитывать допустимый выходной ток ОУ. Это

означает, что выходной ток ОУ должен быть меньше допустимого, который определяется по справочникам.

Блокинг—генератор

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный релаксационный генератор кратковременных импульсов с сильной положительной обратной связью, создаваемой через импульсный трансформатор. Вырабатываемые блокинг-генератором импульсы имеют большую крутизну фронта и среза и по форме близки к прямоугольным. Этот генератор применяется для

получения мощных прямоугольных импульсов малой длительности Tи с большим периодом повторения Т . Отношение TTи Q называется скважностью импульсов и для блокинг-

генераторов может составлять от десятков единиц до нескольких тысяч. Транзистор, на котором собран блокинг-генератор, открывается только на время генерирования импульса, а в остальное время закрыт. Поэтому при большой скважности время, в течение которого транзистор открыт, много меньше времени, в течение которого он закрыт. Тепловой режим транзистора зависит от средней мощности, рассеиваемой на коллекторе. Благодаря большой скважности в блокинггенераторе можно получить очень большую мощность во время импульсов малой и средней длительности.

Блокинг-генераторы могут быть собраны на транзисторах, включённых по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или по схеме с общей базой (ОБ). Схему с ОЭ применяют чаще, так как она позволяет получить лучшую форму генерируемых импульсов (меньшую длительность фронта),хотя схема с ОБ более стабильна по отношению к изменению параметров транзистора. Длительность импульсов в блокинг-генераторе может определяться либо временем заряда конденсатора в цепи базы транзистора (конденсаторное формирование), либо временем выхода в насыщение ферромагнитного сердечника трансформатора (трансформаторное формирование). На практике

наибольшее распространение получило конденсаторное формирование длительности импульса Tи .

На рис.16 показана принципиальная схема блокинг-генератора с ОЭ и конденсаторным формированием, а на рис.17 – эпюры напряжений и токов в различных точках блокинг-генератора. Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный усилитель на транзисторе VT c обмоткой w1 трансформатора Тр в коллекторной цепи. Усилитель охвачен сильной положительной обратной связью с помощью обмотки w2, которая включена в цепь базы. В ряде случаев выходные импульсы могут сниматься с дополнительной обмотки w3, если требуется изменить величину выходного напряжения или его полярность.

26

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.16.

Рис.17

Постоянная времени R2C1 определяет длительность импульсов Tи , а произведение R1C1 — длительность паузы между ними Tп .

Проектирование схемы начинается с изучения параметров транзисторов (с использованием справочников):

— допустимые напряжения на коллекторе и базе;

— допустимый импульс тока коллектора;— коэффициент усиления по току;

— максимальная рабочая частота транзистора.

Предполагается, что заданы Tи , Tп , напряжение U на резисторе R4 и величина сопротивления этого резистора R4 . Напряжение питания EК с учётом возможных перенапряжений целесообразно выбрать в пределах EК 0,5 0,7 UЭК доп . Полезно также против справочной уменьшить амплитуду импульсов коллекторного тока. Коллекторный ток складывается из трёх составляющих: тока намагничивания трансформатора I ; тока нагрузки Iн , пересчитанный через

27

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В противном случае следует заменить сердечник на другой, имеющий бо'льшую площадь поперечного сечения или магнитную проницаемость .

Рассмотрим формирование длительности импульса Tи . Импульс начинается в момент

отпирания транзистора VT при появлении на его базе небольшого положительного напряжения в результате зарядки конденсатора С1 от источника Еk. Перезарядка происходит по цепи «Ek-R1-C1», В результате верхняя обкладка конденсатора С1 приобретает положительный заряд. Транзистор VT остаётся включённым благодаря положительной обратной связи между обмотками w1–w2 током

базы I Б , который заряжает конденсатор С1, по контуру «С1-w2-R2-переход база-эмиттер

транзистора VT».

Импульс заканчивается, когда С1 оказывается практически заряженным и ток базы становится близким к нулю и не может больше удерживать транзистор VT во включенном (насыщенном) состоянии.

28

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.18.

Выбор параметров базовой цепи проще всего выполнить графо-аналитическим способом, пояснения которого приведены на рис.18. Здесь показано каким должен быть ток базы для

удержания транзистора VT в проводящем состоянии IК и график зарядного тока конденсатора С1, фактически отпирающий VT при IБ IК . В момент времени Tи зависимости пересекаются, и импульс заканчивается, т.к. ток базы мал для насыщения VT, и начинается обратный блокингпроцесс. Оказывается, что это происходит при Tи 2,3R2C1 при некотором значении тока базы

транзистор VT имеет конечное входное сопротивление от 20 до 100 Ом в зависимости от мощности VT. Поэтому при определении величины R2 , рассматривая процессы в цепи «C1 – w2 –R2 –входное

значительный импульс напряжения самоиндукции. Это перенапряжение способно пробить транзистор. Для предотвращения этого применяется шунтирующая цепочка «VD-R3», которая

становится больше периода повторения импульсов T , диод VD шунтирует обмотку w1, и генерация срывается. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы L R3 Tп 3.

Период повторения импульсов определяется постоянной времени перезаряда ёмкости С1 отUБ0 до 0 через R1 от источника +Еk (Смотри графики на рис.17). У большинства транзисторов

29

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В рассматриваемый момент времени напряжение на ёмкости оказывается равным нулю:

Блокинг-генератор потребляет от источника +Ek ток в виде коротких импульсов с большой крутизной. Такие импульсы могут создавать импульсные помехи соседним электронным блокам. Для их устранения блокинг-генератор целесообразно зашунтировать малоиндуктивным конденсатором С2 (ёмкостной фильтр) так, чтобы снижение ∆Ek не превышало бы 1% от Ek. Считая,

тогда C2 10 мкФ.

Крутизна фронтов импульса, в основном определяется быстродействием транзистора, а это связано с наибольшей частотой генерации импульсов.

4.2. Генератор пилообразных импульсов.

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) применяются для развёртки электронного луча в электроннолучевых трубках телевизионных, осциллографических и радиолокационных устройствах, а также в схемах сравнения для задержки импульсов во времени и т.п.

ГЛИН могут работать в режиме самовозбуждения и в ждущем режиме. В ждущем режиме период повторения пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения применяют, например, для получения непрерывной развёртки в осциллографах, а ждущий режим – для получения ждущей развёртки.

Напряжением пилообразной формы называется напряжение, которое в течение определённого времени, растает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем быстро возвращается к исходному уровню. Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим

или линейно падающим. Оно характеризуется длительностью прямого или рабочего хода Tп в течение которого напряжение изменяется линейно; длительностью обратного хода T0 , в течение которого напряжение обычно изменяется по экспоненте, и амплитудой U max .

Ниже мы ограничимся рассмотрением случая генерации убывающего по времени пилообразного напряжения. Принцип получения такого напряжения заключается в медленном разряде конденсатора через большое сопротивление во время прямого хода и в быстром его заряде через малое сопротивлении во время обратного хода. В упрощённом виде это показано на рис.19

30