Transcript W2_Gen_Sin
W1. GENERATORY DRGAŃ SINUSOIDALNYCH Warunki generacji drgań Generatory sprzężeniowe Generatory LC z elementami o ujemnej rezystancji Generatory Colpittsa, Hartleya i Meissnera Poprawka liniowa i poprawka nieliniowa częstotliwości Generatory kwarcowe Generatory RC ze sprzężeniem zwrotnym Podstawowe parametry: bezwzględna niestałość częstotliwości f t f t f 0 względna niestałość częstotliwości f t f t f0 stałość częstotliwości T f f0 d 1 f dt o f0 T generatory kwarcowe f / f0 10 6 10 7 generatory LC 10 3 10 4 , generatory RC 10 2 3 10 . U1 U2 ku U RL u Eg Schemat blokowy wzmacniacza z dodatnią pętlą sprzężenia zwrotnego ku j u j kf j U2 U1 U U2 U2 Eg k u exp j u u exp j ku j 1 ku j u j k u j u j R e k u u j Im k u u k u u exp j k k u u 1 Re k u u 1 Im k u u 2 n , lub k 2 n, 1 Warunek amplitudy n 0 , 1, Warunek fazy a) c) b) U2 U 2 ku U1 U2 P U2 P U ( ) U ( ) P U (0) U 2 U1 / u U (0) U (0) 0 U1 0 U1 u BE ( t ) U BE 0 U ( ) 0 U1 u1 ( t ) tra n zysto r p rzew o d zi t t 0 0 tra n zysto r za tka n y Wzbudzanie się drgań: a) wzbudzanie miękkie, b) wzbudzanie twarde, c) wzbudzanie w układzie z automatyczną polaryzacją obwodu wejściowego wzmacniacza, d) przebiegi czasowe napięć w układzie z automatyczną polaryzacją obwodu wejściowego L a) I gu 1 / ru 0 GR 1 / RR A P0 C N E0 0 I L b) B E0 RS S RS U B C I0 GR 1 / RR I0 P0 A 0 ru 0 U Podstawowe generatory LC z elementami o ujemnej rezystancji: a) obwód równoległy odtłumiany przez element o charakterystyce typu N, b) obwód szeregowy odtłumiany przez element o charakterystyce typu S a) b) RS C Lp L GR C Cp L gu ru Linearyzowane schematy zastępcze generatorów z elementami o ujemnej rezystancji z charakterystykami: a) typu N, b) typu S dla układu z elementem typu N Y G R gu 1 j L j C j Cp 0 dla układu z elementem typu S Z R S ru 1 j C j L j Lp 0 G R g u oraz R S ru G R g u oraz R S ru 0 2 f0 1 L C Cp , Graniczny warunek amplitudy (W rzeczywistych warunkach) 0 1 L L C p a) a) C22 2 L2 3 C11 2 C11 C22 L 1 2 3 C C 1 L2 3 2 3 L1 L 1 c) c) b) b) 2 1 3 L11 2 3 C 1 C 1 Zmiennoprądowe uproszczone schematy ideowe generatorów trójpunktowych LC (z tranzystorami bipolarnymi i JFET lub VDMOS): a) Colpittsa, b) Hartleya, c) Meissnera a) C2 2 a) b) L2 3 C1 c) b) 2 3 L1 L 2 3 UL C 1 C2 2 1 L2 3 2 3 W konfiguracji OB.: CU L C L 1 eb = - UC1 ; UL = Ucb1 Zgodnie z rys a), Ueb i Ubc są w fazie 1 1 UC C I C2 1 U L2 U 2 U C2 U 2 2 I C1 I L I L1 I C I L2 U L1 U 1 U C1 U 1 3 U C 2 U C1 U L C U ce U c 2 ; 1 U be U c 1 U L 2 U L1 U C U ce U L 2 ; U be U L 1 Jak widać z powyższego rysunku, napięcia Ueb i Ucb są odwrócone w fazie o 180°, zatem rozważając pracę układu w konfiguracji OE (OS) widzimy, że wzmacniacz OE (OS) wnosi dodatkowe przesunięcie w fazie o 180° i spełniony jest warunek fazowy generacji. Zmiennoprądowe uproszczone schematy ideowe generatorów trójpunktowych LC (z tranzystorami bipolarnymi, JFET i VDMOS): a) Colpittsa, b) Hartleya, X2 U2 2 U1 a) X1 3 U3 2 X3 L2 3 C1 G0 2 3 L1 L 1 Ogólny schemat generatorów 2 trójpunktowych z tranzystorem JFET C X 1 X 2 X 3 0 Warunek fazy 1 1 k u 0 0 u 0 k u 0 X1 X1 X 3 2 C 1 L2 3 L 2 3 L1 2 3 C 1 1 3 C 1 C2 1 c) b) C2 C 1 Warunek amplitudowy G0 X3 1 U1 U3 X1 3 X2 U2 2 GL Ogólny schemat generatorów trójpunktowych w układzie OS z obciążeniem GL Graniczne warunki powstania drgań: dla generatora Colpittsa C2 C1 GL 1 gm C1 1 C2 2 0 L dla generatora Harleya L1 L2 GL gm L1 L 2 1 0 C 2 a) b) a ) U U CC RB2 L2 RB2 L1 2 C Cb C L2 Cb1 L1 R B1 L2 LD ( d ła w ik w . c z .) Cb2 c) b) C2 CC 3 C1 2 L 3 L1 2 C R B1 1 1 C2 L2 d) c) U DD L1 ` Cg C 2 RG 2 MC 1 L GL L2 gm L L1 3 1 2 L 1 L 23 2 1 0 C 2 C L2 L1 C RG 1 1 1 Ce L2 Cb1 RB RE DZ U EE Zasilanie generatorów Hartleya: a) szeregowo, b) równolegle przez dławik w.cz., c) od strony emitera, d) szeregowe w układzie sprzężenia źródłowego (z tranzystorem VMOS) a) b) C2 2 3 C1 c) C GL L2 2 C1 gm 1 C1 1 C2a ) b) 2 LD RB2 Cb 2 3R D 2 3 RB2 C1 C C L C2 L L 1 Cb1 C2 C1 U CC D ł .w .c z D ł .w .c z L1 L c) LD U CC 1 L 1 L2 C1 C2 2 0 Colpitsa, ponieważ gm jest duże, więc dla typowych GL , C1 może być dużo większe niż C2. Duża wartość C1 oznacza, że bocznikujący wpływ małej admitancji L1 C bipolarnego nie stanowi przeszkody C wejściowej tranzystora w realizacji generatora Colpitsa. Występują natomiast trudności w realizacji generatora Hartle’ya 1 2 3 2 Powyższy warunek3amplitudowy 2 jest nadzwyczaj korzystny dla generatora L 3 1 T R B1 1 Cb C2 T T C1 R B1 RB Cb DZ RE U E E Zasilanie generatorów Colpittsa: a) równoległe przez dławik w.cz., b) przez dławik w.cz. i cewkę obwodu rezonansowego, c) od strony emitera b) a) U CC L n n1 n2 RL C LD RB D ł .w .c z Cb 2 T RB2 Cb R B1 L U CC Ce C RE RL C b1 Generator Meissnera: a) z zasilaniem szeregowym, b) z zasilaniem równoległym a) p1 A T n1 p1 p2 n2 n C ' U1 U1 U p2 U2 U1 U2 U L n U2 RL L n1 n2 n n - liczba uzwojeń b) gmU 1' 1 : p1 p12 g11 Dla 2 U2 p2 G L G0 U1 1 f0 2 G0 LC Generator Meissnera: a) schemat ideowy, b) model liniowy z rozciętą pętlą w obwodzie bazy ( w punkcie A) 0 C Q G R G 0 p 1 g 11 p 2 G L 2 k u 0 u 0 2 gm G0 p 2 1 g 11 p G L 2 2 p1 1 a) b) Lz L C C3 C2 T C1 Lz1 T C2 L1 C1 Odmiany generatorów LC: a) generator Clappa, 0 rs 1 C1 1 C2 0 Lz 2 j 0 L z j 0 L L1 C2 C1 1 j 0 C 3 GL gm L2 b) generator Hutha - Kühna GL L1 L 2 gm 1 0 C 2 L z1 L z 2 0 rr j 0 L z1 L2 Lz2 j 0 L1 1 0 L1 C 1 2 j 0 L z 2 1 0 C 2 j 0 L 2 1 0 L2C 2 2 Generatory kwarcowe Pewną odmianą sprzężeniowych generatorów LC są generatory kwarcowe, wykorzystujące rezonator kwarcowy. Generatory kwarcowe pozwalają na osiągnięcie dużej stałości częstotliwości, nieosiągalnej przy użyciu konwencjonalnych obwodów LC. Zastosowania rezonatora kwarcowego w układach generacyjnych wynikają z charakteru zmian jego impedancji w funkcji częstotliwości. Rz Xz Rz rk s m r Xz 1 Co s 2Qk Impedancja rezonatora kwarcowego Możliwe są dwie grupy układowe generatorów: generatory, w których rezonator wykorzystany jest jako selektywny element sprzęgający o małej rezystancji (praca przy pulsacji s ), generatory, w których rezonator pracuje jako zastępcza indukcyjność L z , o wartości szybko rosnącej z częstotliwością (praca w przedziale pulsacji m r ). Pierwsza z wymienionych grup generatorów nazywana jest generatorami Butlera. Generatory drugiej grupy wywodzą się bezpośrednio z podstawowych struktur Colpittsa i Hartleya i nazywa się je generatorami Pierce’a. Generatory Butlera pozwalają uzyskać stałość częstotliwości rzędu 10 6 10 8 . a) a) C2 3 C1 C1 1 L2 S C1 3 L1 1 L1 RL L L1 3 1 3 2 3 2 C L1 1 3 C U CC 3 2 2 1 L2 2 3 3 2 1 C 1 C L2 L 1 T 2 c) L C1 S T 2 C1 3 1 3 c) L2 2 C2 2 C2 3 LL1 L 2 b) 2 1 C2 a) b) L2 2 2 c) b) C2 S C 1 1 C2 C1 U EE Podstawowe układy Butlera: a) z czwórnikiem sprzęgającym Colpittsa, b) z czwórnikiem sprzęgającym Hartleya, c) praktyczna realizacja z czwórnikiem sprzęgającym Colpittsa a) b) U CC ( L) U CC C2 C2 ( L) 2 C2 3 L Lz C1 C1 C1 1 c) d) U CC U CC L2 L2 C L2 C2 C 2 ( L1 ) ( L1 ) 3 L Lz C 1 Generatory: a) Colpittsa-Pierce’a z dwoma pojemnościami, b) Colpittsa-Piercea z obwodem rezonansowym, c) Hartleya-Piercea z indukcyjnością, d) Hartleya-Piercea z obwodem rezonansowym Przedstawione rozwiązania pozwalają uzyskać stałość częstotliwości rzędu 10 4 10 6 . Główny wpływ na niestałość częstotliwości w generatorach kwarcowych ma zmiana temperatury. W celu uzyskania większej stałości częstotliwości konieczne jest stosowanie układów z kompensacją wpływów temperatury lub układów z termostatem. Wtedy możliwe jest uzyskanie stałości częstotliwości rzędu 10 8 10 10 Ogólna Charakterystyka sprzężeniowych generatorów RC Generatory RC znalazły szerokie zastosowanie do wytwarzania przebiegów sinusoidalnych w zakresie małych częstotliwości, ponieważ w generatorach LC wartości pojemności i indukcyjności stają się zbyt duże, dobroć obwodu rezonansowego jest mała i elementy te nie nadają się do miniaturyzacji. Generatory te wykorzystywane są najczęściej w zakresie kilku Hz do (10 - 20) MHz. W generatorach LC obwód sprzężenia zwrotnego tworzą 3 - 4 elementy, natomiast w generatorach RC najczęściej jest to 4 - 6 elementów, co pozwala na zwiększenie ilości możliwych rozwiązań, a także stwarza duże możliwości optymalizacji, np. pod kątem wrażliwości, przestrajania, zniekształceń czy wrażliwości na zmiany impedancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza. Stosowane są czwórniki selektywne typu mostek Wiena, podwójne T, T bocznikowane i inne oraz przesuwniki fazowe RC. W porównaniu z generatorami LC, generatory RC mają gorszą stałość częstotliwości, jednakże generują sygnał o bardzo małych zniekształceniach i umożliwiają przestrajanie częstotliwości w stosunku 1 : 10 na jednym podzakresie. Tak duży zakres przestrajania przy współbieżnej regulacji dwóch pojemności lub dwóch rezystancji jest możliwy, ponieważ częstotliwość w tych generatorach jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu R C : f 0 1 / 2 R C (w generatorach L C częstotliwość jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka z iloczynu L C ). Z tego względu generatory R C są powszechnie stosowane jako generatory serwisowe i laboratoryjne. Czwórnik typu połowa mostka Wiena U wy U we Z2 Z1 Z 2 Częstotliwość quasiresionansowa wyraża się wzorem: f0 1 2 C 1 R1 C 2 R 2 Dla częstotliwości f0 współczynnik β ma wartość: 1 1 C2 C1 R1 R2 A przesunięcie fazowe pomiędzy uwy i uwy jest równe zeru: ψ =0. Dla elementów czwórnika: C1 C 2 C , Charakterystyki |β| = f (f ) oraz ψ = f (f ) 0 2 f 0 1 / RC , R1 R 2 R 0 1 / 3, Q 1/ 3 Szerokość pasma B = f2 – f1 , tj. pasmo częstotliwości przy których moduł β maleje: 0 / 2 Ra R1 C1 U2 U1 R2 C2 U /U 2 U U2 0 0 Mostek Wiena 1 jQ U Z1 Z 2 Rb Z2 U 0 U /U 2 Rb R a Rb Generator RC z mostkiem Wiena Generator z mostkiem Wiena Ra R1 C1 U2 U1 R2 C2 U Rb U Czwórnik TT Oprócz mostka Wiena często stosowanym układem selektywnym w generatorach RC jest czwórnik podwójne T R R C Przebieg charakterystyk częstotliwościowych czwórników podwójne T wskazuje na ich przydatność w układach generacyjnych jedynie wówczas, gdy n < 0,5 . Stopień niezrównoważenia czwórnika podwójne T zależy od wartości n, przy czym dla n = 0,5 układ jest zrównoważony. C U2 U C/n nR Transmitancja napięciowa czwórnika podwójne T : u U 0 0 U2 , 2 n 1 j 2 n 1 1 / n 0 1 RC j Im u a) n 0,5 | | b) 1 u0 c) arg u /2 0 Re u 0 1 n 0,5 n 0,5 n 0,5 n 0,5 2n 1 2n 1 1 / n 0 0 1 / RC n 0,5 n 0,5 / 2 Charakterystyki transmitancji dla czwórnika TT: a) amplitudowo-fazowa, b) modułu c) fazy Generator RC z czwórnikiem podwójne T Dlatego czwórnik podwójne T stosuje się najczęściej jako selektywny układ zrównoważony, tzn. przy n = 0,5 ; β0 = 0, włączony w gałąź ujemnego sprzężenia zwrotnego, zaś dodatnie sprzężenie zwrotne potrzebne do spełnienia warunku generacji zapewnia się przez zastosowanie dodatkowej gałęzi rezystancyjnej. Transmitancja napięciowa u tak powstałego mostka, złożonego z czwórnika podwójne T i dzielnika rezystancyjnego u u n 0 ,5 R a , Rb , jest równa Rb R a Rb Dla częstotliwości generacji: 0 2 f 0 1 / RC przesunięcie fazowe wynosi 180 °, a tłumienie: 0 1 / 4, Aby spełnione były warunki generacji, wzmacniacz musi odwracać fazę i mieć wzmocnienie większe niż 4: ku 4 a) C b) R R C R R C C R/2 C R4 P2 R3 P2 R4 R5 R2 D1 R7 C1 R6 D1 R7 JFET C2 U GS Uo R3 R5 R2 JFET Uo C1 C2 U C2 D2 U GS RG R6 U C2 U GG Generatory RC: a) z mostkiem Wiena, b) z mostkiem podwójne T D2