Transcript Wyklad_nr5_GenLC_W12.ppt

7. Generatory LC
7.1. Wstęp
IG
YG
Wzmacniacz
YL
Zasilanie
Generator
YL
Zasilanie
Rys.7.1.1. Wzmacniacze a generatory
7.2.Klasyfikacja generatorów
Podział ze względu na kształt drgań :
- generatory drgań sinusoidalnych,
- generatory drgań niesinusoidalnych (prostokątnych, trójkątnych,
impulsowych)
Podział generatorów sinusoidalnych :
a) ze względu na stawiane im wymagania :
- generatory częstotliwości (duża stałość częstotliwości, bez konieczności
dbania o ich sprawność energetyczną),
- generatory mocy (duża moc wyjściowa, duża sprawność),
b) ze względu na rozwiązania układowe i sposób pracy elementu aktywnego
- generatory sprzężeniowe (generatory LC, RC, układy ze stabilizacją piezoelektryczną), w których element aktywny objęty jest pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego,
- generatory dwójnikowe (generatory z elementami o ujemnej rezystancji)
7.3. Parametry generatorów :
- bezwzględna niestałość częstotliwości
 f (t )  f (t )  f 0
gdzie : f0 - częstotliwość na początku obserwacji,
f(t) - częstotliwość w chwili t obserwacji.
- względna niestałość częstotliwości
 f (t )
 f (t ) 
f0
- średnia niestałość częstotliwości w okresie T
 fT

f0

T
0
 f (t ) dt
f0 T
7.4.Warunki generacji drgań generatorów sprzężeniowych
U1
U2
Σ
EG
K
YL
Uz
β
U2
Rys.7.4.1.Generator jako układ ze sprzężeniem zwrotnym
U2
K ( j ) 
 K exp  j 
U1
Uz
  j  
  exp  j 
U2
U2
K  j 
K f  j  

EG 1  K  j    j 
K f  j 0   
(7.4.1)
(7.4.2)
(7.4.3)
(7.4.4)
K ( j0 )  ( j0 )  K ( j0 )  ( j0 ) exp(0  0 ) 1
(7.4.5)
K ( j  0 )  ( j 0 )  1
 0  0  2  n
n  0, 1, 
(7.4.6)
U 2  K (U1 ) U1
U 2  K (U1 ) U1
U2
U2
S
S
U1   U 2
U1   U 2
0
0
U1
(a) miękkie
U 2  K (U1 ) U1
U2
S
U1
(b) twarde
U 2  K ' (U1 ) U1
U 2  K ' ' (U1 ) U1
U1   U 2
0
U1
(c) Z automatyczną
polaryzacją
Rys.7.4.2. Wzbudzanie się drgań w generatorze
7.5. Warunki generacji w generatorach „trójpunktowych”
z tranzystorem unipolarnym
K
YL
T
X1
X3
X2
β
Rys.7.5.1. Ogólny schemat generatora trójpunktowego
K
Generator Colpittsa
KGenerator Hartleya
YL
YL
β
C1
L
β
C2
C
L1
K
L2
Generator Meissnera
K
YL
YL
β
β
M
L1-M
L2-M
M C
C
Rys.7.5.2. Praktyczne realizacje schematu generatora trójpunktowego
7.5.1. Uwzględnienie strat w obwodzie LC w generatorach
trójpunktowych
G0
X1
X3
X2
X1
X3
X2
G0’
Rys. 7.5. 1.1. Transformacja rezystancji strat obwodu LC
(7.5. 1.1. )
X1 + X2 +X3 = 0
2 f0 C
G0 
Q
2 f0 L
Q
r
G0
G  2 ;
m
X2
m
X1  X 2
'
0
G0’ = ?
(7.5. 1.2. )
(7.5. 1.3. )
K
gmUG
S
UG
S
X1
G
gDS
L
X3
β
X2
G0/m2
Rys. 7.5. 1.1. Schemat generatora trójpunktowego z transformowaną
rezystancją strat obwodu LC
U1 = UGS
K
gmUG
S
gDS
U
G
2
L
G0/m2
Uz
X1
X3
X2
U2
β
7.5. 1.2. Schemat generatora trójpunktowego z rezystancją strat
obwodu LC przeniesioną do obciążenia
 gm
U2
(7.5. 1.4. )
ku  0   
U1 g  G  G 0
DS
L
m2
Uz
X1
X1
X1
1
 u  0   

  1
U 2 X1  X 3 X1  X1  X 2
X2
m
(7.5. 1.5. )
ku (0 )  u (0 )  1
(7.5. 1.6. )
m 2 g DS  GL  g m   m g m  G0  0
  g m2  4 g DS  GL  g m  G0  0
(7.5. 1.7. )
g m2  4 g DS  GL  g m 
g m  g m2  4 G0 g DS  GL  g m 
2 gm
gm
m1 


2 g DS  GL  g m 
2  GL  g m  GL  g m
gm
X2
m1 

X1  X 2
g m  GL
X1
GL

X2
gm
(7.5. 1.8. )
(7.5. 1.9. )
7.5.2. Generatory Colpitssa i Hartleya
Warunek amplitudy dla generatora Colpitssa
C 2 GL

C1 g m
(7.5. 2.1. )
Warunek amplitudy dla generatora Hartleya
L1 GL

L2 g m
(7.5. 2.2. )
Warunek fazy dla generatora Colpitssa
1
1
2

 0 L
C1 C2
(7.5. 2.3. )
Warunek fazy dla generatora Hartleya
L1  L2 
1
 C
2
0
(7.5. 2.4. )
7.5.3. Warunki generacji w generatorach „trójpunktowych”
z tranzystorem bipolarnym (s.110)
K
YL
T
G0
X1
X3
X2
β
Rys. 7.5.3.1. Generator trójpunktowy z tranzystorem bipolarnym
K
gmUB
E
UB
gCE
gwe
E
X1
β
X3
G
L
X2
G’0 = G0/m2
Rys. 7.5.3.2. Schemat zastępczy generatora trójpunktowego
z tranzystorem bipolarnym
K
gmUB
E
UB
gCE
E
X1
β
G
L
X3
X2
G’
0
= G0
/m2
g’we = gwe/(m 1)2
Rys. 7.5.3.3. Generator trójpunktowy z transformowaną
konduktancją wejściową tranzystora bipolarnego
K
gmUB
E
UB
gCE
U2
L
E
G’0 = G0/m2
X1
X3
G
g’we = gwe/(m1)2
X2
β
Rys. 7.5.3.4. Generator trójpunktowy z tranzystorem bipolarnym
i transformowanymi kondunktancjami do obciążenia
 gm
U2
ku  0   
U1 g  G  G 0  g we
CE
L
m 2 m 12
(7.5. 3.1. )
X2
m
m1 

X1 1  m
(7.5. 3.2. )
Uz
X1
X1
X1
1
 u  0   

  1
U 2 X1  X 3 X1  X1  X 2
X2
m
g m2
G0  0,2
g 0  GL  g m
1
f r1 
2  L1 Cwe
fr2 
(7.5. 3.3. )
(7.5. 3.4. )
2
1
L2 Cwy
(7.5. 3.5. )
7.6. Generatory Meissnera, Clappa i Kühna-Hutha
K
U2
GL p22
β
M
Uz
C
n1
n
p1
p1=Uz/U2 = n1/n
G0
p2=UL/U2 = n2/n
Rys. 7.6.1. Schemat generatora Meissnera z tranzystorem unipolarnym
f0 
1
;
LC
GR  G0  p GL
2
2
G0 
Q
(7.6. 1 )
Tranzystor unipolarny
GR  G0  p22 GL  p12 g we
 gm
ku  0  
G0  p22 GL
0 C
(7.6. 2 )
Tranzystor bipolarny
Tranzystor unipolarny
 gm
ku  0  
G0  p22 GL  p12 g we
Tranzystor bipolarny
  0    p1
ku (0 )  (0 )  1
(7.6. 6 )
(7.6. 7 )
(7.6. 3 )
(7.6. 4 )
(7.6. 5 )
K
K
YL
YL
β
β
C1
L C
3
C2
C1 LC L C
1
2
Lz
1
Lz  L  2
 C3
Rys. 7.6.2. Generator Clappa
Lz1
2
Lz2
Rys.7.6.3.Generator Kühna-Hutha
7.7. Zasilanie generatorów LC
Typowe układy zasilania generatorów LC :
-szeregowe,
-równolegle przez dławik w.cz.,
-zasilanie od strony emitera lub źródła tranzystora
W układzie zasilania szeregowego, składowa stała prądu zasilania
tranzystora płynie przez cewkę obwodu rezonansowego.
W układzie zasilania równoległego, składowa stała prądu zasilania
tranzystora nie płynie przez cewkę obwodu rezonansowego, lecz
przez dodatkowy element - dławik w.cz. Ten rodzaj zasilania jest
szczególnie preferowany w generatorach dużej mocy.
+VCC
L2
L1
C
RB2
Cb
RB1
Rys. 7.7.1. Zasilanie szeregowe generatora Hartleya
+VCC
LD
L2
Dławik w.cz.
RB2
Cb2
C
L1
Cb1
RB1
Rys. 7.7.2. Zasilanie równoległe generatora Hartleya
L1
C
L2
Ce
Cb
RB2
RB1
RE
-VEE
Rys. 7.7.3. Zasilanie od strony emitera generatora Hartleya
7.8. Poprawka liniowa i poprawka nieliniowa częstotliwości
Liniową poprawką częstotliwości nazywamy odchylenie generowanej
częstotliwości f0 spowodowane oddziaływaniem obciążenia, strat
elementów układu oraz elementów pasożytniczych zaburzających
bilans mocy urojonej w układzie oraz zmianę przesunięcia fazy
sygnału zwrotnego względem fazy sygnału wyjściowego.
Poprawka ta występuje we wszystkich typach generatorów. Na
przykład dla generatora Colpittsa mamy :
f g  f0
gdzie
C1
1
rL ( g 0  GL )
C1  C2
1
f0 
2
1 1 1 
  
L  C1 C2 
(7.8.1)
(7.8.2)
Nieliniową poprawką częstotliwości nazywamy odchylenie generowanej
częstotliwości f0 spowodowane obecnością częstotliwości harmonicznych
w przebiegu wyjściowym generatora, będących efektem nieliniowości
elementu aktywnego.
Występowanie częstotliwości harmonicznych spowodowane
nieliniowościami elementu aktywnego narusza bilans mocy biernych.
W związku z czym częstotliwość podstawowa musi zmaleć tak, aby
dla częstotliwości podstawowej obwód miał charakter indukcyjny.
Na przykład dla generatora Colpittsa nieliniowa poprawka
częstotliwości wynosi :
 g  0
1 
1
2

h

k
0
2 Q 2 k  2 k 2 1
(7.8.3)
7.9. Generatory kwarcowe
7.9.1. Wstęp
R
X
CS
L
S
CO
Rys. 7.9.1. Schemat zastępczy kwarcu
1
S 
L CS
R 
(7.9.1.1)
1
 1
1 

L  
 C S CO 
 S
CS
1
CO
(7.9.1.2)
7.9.2. Układy generatorów kwarcowych, w których kwarc pracuje
jako zastępcza indukcyjność LZ
K
K
YL
YL
β
C1
β
C2
C
L
2
L
Z
Układ Colpitssa-Pierce’a
LZ
Układ Hartleya-Pierce’a
Rys. 7.9.2.1. Układy generatorów kwarcowych
ESS
CMOS
ESS
CMOS
UWY
10 MOhm
C1 (30pF)
100 kOhm
C2 (30pF)
Układ Colpitssa-Pierce’a
Rys. 7.9.2.2. Układ generatora kwarcowego z układami
bramkowymi
7.9.3. Układy generatorów kwarcowych, w których kwarc pracuje
jako selektywny element sprzęgający
UWY
Rys. 7.9.3.1. Generatory kwarcowe w tzw. układach aperiodycznych
7.9.3.2. Generator Buttlera-Colpitssa
7.9..3.3. Generator Buttlera-Hartleya