Основы РЭА_лекция 9-тезисы
.docОсновы 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
Крс =К - коэффициент передачи разомкнутой системы
При Кβ1,
При кβ1 – усилитель с ПОС - автогенератор.
Это означает, что при Uвх = 0 на выходе есть переменное напряжение, периодическое.
При Кβ1, Uвых будет увеличиваться, пока не станет ограничиваться Епит, 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 Uвых увеличивается Rт увеличивается Ку уменьшается Uвых уменьшается, и наоборот если Uвых 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 кк, 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 Es.
Рис. Схема генератора Ван дер Поля