4.3. Розрахунок rc-генератора на операційному підсилювачі з мостом Віна

Для розрахунку генератора задано: U_вих.m  амплітудне значення вихідної напруги; R_н  опір навантаження; f_н  нижня робоча частота; f_в  верхня робоча частота; Т_оc.макс  максимальна температура оточуючого середовища.

Для забезпечення самозбудження необхідно на вхід підсилювача подавати частину вихідної напруги, яка рівна вхідній і збігається з нею за фазою. Для отримання гармонічних синусоїдальних коливань необхідно, щоб ці умови виконувалися лише на одній частоті і різко порушувалися на всіх інших частотах. Ця частота називається частотою квазірезонансу. Необхідних фазовий зсув формується за допомогою фазоповертаючої ланки (ФПЛ), яка складається з декількох RC-ланок і служить для повороту фази вихідної напруги підсилювача на певний кут ( = n·2π, де n = 0, 1, 2,....) на частоті квазірезонансу.

Рис.4.3.1. Схема електрична принципова RC-генератора на операційному підсилювачі

В схемі генератора застосована послідовно-паралельна RC-ланка, яка називається мостом Віна і забезпечує нульовий фазовий зсув на частоті квазірезонансу. Фазочастотна характеристика моста Віна наведена на рис.4.3.3. Коефіцієнт зворотного зв'язку такої ланки дорівнює _зз=1/3. Це означає, що мінімальний коефіцієнт підсилення за напругою, при якому виконується умова балансу амплітуд, повинен дорівнювати K_u=1/_зз=3.

Рис.4.3.2. Структурна схема RC-генератора

Розрахунок починаємо з вибору типу інтегрального операційного підсилювача виходячи з таких умов

де − максимальна додатна і від'ємна напруги на виході операційного підсилювача.

Максимальна швидкість наростання вихідної напруги операційного підсилювача повинна задовольняти таку вимогу

Вибираємо тип інтегрального операційного підсилювача і використовуємо такі його електричні параметри: , К_u0, R_н.мін, V_макс (В/мкс), U_зм /T (мкВ/^оС), R_вих.

Рис.4.3.3. Фазочастотна характеристика моста Віна

Для симетричного моста Віна частота квазірезонансу буде дорівнювати

Мінімальне значення вхідного опору Z_{вх мін} моста Віна повинно бути таким, щоб він не перевантажував вихідне коло підсилювального каскаду

де R_мін  мінімальне значення опору одного плеча моста Віна.

Змінний резистор, який призначений для плавного регулювання частоти, повинен бути здвоєним, щоб забезпечувати одночасну зміну опорів кожного плеча моста Віна

Знаходимо значення конденсаторів С₁ і С₂ для верхньої частоти діапазону

Коло від'ємного зворотного зв’язку забезпечує стабілізацію амплітуди вихідної напруги і покращує форму вихідного сигналу. Стала часу термістора R₅ повинна бути значно більшою від максимального періоду частоти квазірезонансу

Визначаємо значення спаду напруги на термісторі R₅

Вибираємо тип термістора. Вольт-амперна характеристика термістора зображена на рис.4.3.4. За вольт-амперною характеристикою будуємо залежність R_T = F(I_T), яка наведена на рис.4.3.5. Вибираємо робочу точку А термістора на ділянці максимальної крутизни. Для цієї точки знаходимо значення R_TА, І_ТА, U_TА.

Рис.4.3.4. Вольт-амперна характеристика термістора

Рис.4.3.5. Залежність опору термістора від струму.

Розраховуємо значення резистора R₄ з умови забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення за напругою

Вихідний каскад на транзисторах VT₁ і VT₂ виконаний за схемою комплементарного повторювача напруги і призначений для узгодження вихідного опору генератора з опором навантаження.

Визначаємо амплітудне значення струму в навантаженні

Живлення комплементарного повторювача здійснюється від двополярного джерела напруги, що дозволяє отримати на його виході напругу необхідного значення. Для комплементарного повторювача напруги VT₁ і VT₂ вибираємо транзистори з різним типом провідності і однаковими параметрами: VT₁ (n-p-n), а VT₂ (p-n-p). Розраховуємо значення вихідного опору комплементарного повторювача напруги

Визначаємо вихідний опір генератора на ОП з урахуванням від’ємного зворотного зв'язку за напругою

Задаємося значенням коефіцієнта частотних спотворень на нижній частоті М_н(дб) в децибелах за рахунок ємності конденсатора С₃ і розраховуємо його значення

де  коефіцієнт частотних спотворень на нижній частоті у відносних одиницях ( )_.