Rc генератор учебное пособие. Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний. RC и LC генераторы синусоидальные

Департамент внутренней и кадровой политики Белгородской области

областное государственное автономное

профессиональное образовательное учреждение

«Белгородский политехнический колледж»

МДК 01.02Технология монтажа и наладки электронного оборудования электронной части станков с ЧПУ

Тема : «Схемы RC генератора с «Г» образным фильтром и «Г» образным мостом, назначение элементов схемы. Принцип действия, устройство и назначение триггера работающего в ключевом и счётном режимах. »

Выполнил:

Студент группы №24АСУ

Шеховской Дмитрий

Проверила:

Ротару Т.А.

Белгород, 2018г.

ВВЕДЕНИЕ. 3

RC-генераторы.. 4

Тригеры.. 9

RS-триггер. 11

D-триггеры.. 13

JK-триггер. 14

Т-триггер. 15

Контрольные вопросы: 16

Список интернет-источников: 18

ВВЕДЕНИЕ

RC-генераторы применяются для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (до долей герц). В таких генераторах возможно получить частоту до 10 МГц. Следует отметить, что на таких низких частотах LC-генераторы были бы громоздкими и добротность была бы ниже необходимых требований. В то же время, RC-генераторы в НЧ-диапазоне имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-генераторы.

В качестве активных элементов используются:

– биполярные транзисторы,

– полевые транзисторы,

– ОУ в интегральном исполнении.

RC-генераторы в своем составе имеют усилительный элемент (усилитель) и звено обратной связи (ОС).

RC-генераторы

Различаются следующие виды звеньев ОС:

− Г-образные звенья ОС (рис.1),

− мост Вина (рис.2),

− двойной Т-образный мост (рис.3) .

На рисунках 1.1, 1.2, 1.3 символом «U 1 » обозначено входное напряжение, символом «U 2 » − выходное напряжение.

Рис.1.1. Г-образные звенья ОС

Рис.1.2. Мост Вина Рис.1.3. Двойной Т-образный мост

RC-генераторы с Г-образным RC-звеном ОС

Рис.1.4. Принципиальная схема RC-генератора с Г-образным RC-звеном ОС

Как известно, в однокаскадном усилителе без ОС U ВХ и U ВЫХ сдвинуты по фазе друг относительно друга на 180º. Если U ВЫХ этого усилителя подать на его вход, то получится 100% ООС.

Для соблюдения баланса фаз (для введения ПОС) U ВЫХ, прежде чем подать его на вход усилителя, необходимо сдвинуть по фазе на 180º. Такой сдвиг можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев (рис.4), каждое из которых изменяет фазу на 60º.

По расчетам, баланс фаз происходит на частоте , а баланс амплитуд – при коэффициенте усиления К≥29.

Г-образные RC-цепи могут выполняться с количеством звеньев больше 3 (чаще 4) – это может повысить частоту генерации.

Кроме того, частоту генерации можно повысить сменой мест резисторов и конденсаторов. Для изменения частоты генерации необходимо одновременно изменить все сопротивления R либо все емкости С.

RC-генераторы с Г-образными цепями обычно работают на фиксированной частоте или в узком диапазоне частот.

Одно звено Г- образного RC- фильтра позволяет осуществить фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного в предельном случае до p/2, и при построении генераторов гармонических колебаний используют как правило три последовательно включенных Г-образных фильтра.

При этом обеспечивается возможность фазового сдвига сигнала в цепи обратной связи равного p (по p/3 в каждом звене фильтра). И для обеспечения баланса фаз используются усилители сигналов, у которых выходной сигнал является противофазным входному, т.е. – инвертирующие усилители. В этом случае сдвиг фаз на p обеспечивается в усилителе и на p в канале обратной связи, что позволяет получить общий сдвиг фаз сигнала равным 2p и обеспечить требуемый баланс фаз.

При этом для построения генератора можно использовать любые схемы усилителей сигналов, обеспечивающие для выполнения баланса амплитуд требуемый коэффициент усиления К.

Мост Вина (рис.1.5) включен между выходом ОУ и его неинвертирующим входом, чем достигается ПОС. В таком автогенераторе усилитель должен иметь К≈3, однако в усилителе К>>3. Это может привести к большим искажениям. Во избежание этого вводят ООС, которая существенно повышает стабильность работы автогенератора.

Рис.1.5. Принципиальная схема RC-генератора с мостом Вина на ОУ

Резисторы R 3 , R 4 , R 5 соединяют выход с неинвертирующим входом ОУ. Резисторы R 4 и R 5 определяют требуемый коэффициент усиления, а терморезистор R 3 стабилизирует амплитуду и снижает искажения выходного напряжения.

На принципиальной схеме RC-автогенератора с несимметричным двойным Т-образным мостом (рис.1.6) выходное напряжение обозначено «U»; цепочка эмиттерной термостабилизации − «RC»; делитель напряжения − «Rg 1 », «Rg 2 ».

Рис. 1.6. Принципиальная схема RC-автогенератора

с несимметричным двойным Т-образным мостом

В данной схеме автогенератора К≈11. В таком автогенераторе двойной Т-образный мост включается как цепь ООС. Сдвиг фаз между U ВХ и U ВЫХ устанавливается при выполнении условия

; ; .

Частота колебаний определяется выражением .

Тригеры

Триггер (от английского “тrigger”) – цифровое устройство, которое может иметь всего два (0 или 1) устойчивых состояния. При этом переход из одного состояния в другое осуществляется максимально быстро, временем переходным процессов на практике принято пренебрегать. Триггеры – это основной элемент для построения различных запоминающих устройств. Их можно использоваться для хранения информации, но объем их память чрезвычайно мал – триггер может хранить биты, отдельные коды или сигналы.

По тому, как информация записывается в триггер, они делятся на:

· асинхронные – информация записывается непрерывно и зависит от информационных сигналов, которые подаются на вход триггера

· синхронные – информация записывается только при наличии дополнительного сигнала – синхронизирующего, фактически – открывающего работу триггера

В цифровойсхемотехнике используют такие обозначения для входов триггера:
S – раздельный вход, устанавливающий триггер в единичное состояние (на Q (прямом выходе) единица)
R - раздельный вход, устанавливающий триггер в нулевое состояние (на Q (прямом выходе) ноль)
С – вход синхронизации
D – информационный вход (на этот вход подается информация для дальнейшего занесения её в триггер)
Т - счетный вход

Исходя из функционального назначения, триггеры классифицируют:

· RS-триггеры

· D-триггеры

· Т-тригеры

· JK-триггер

· RS-триггер

RS-триггер

Простейший тип триггеров, на основе которого в дальнейшем создаются другие типы. Он может быть построен как на логических элементах 2ИЛИ-НЕ (прямые входы) или 2И-НЕ (инверсные входы)

Рис. 2.1. RS-триггер, схема построения и обозначение. А – на элементах ИЛИ-НЕ. Б – на элементах И-НЕ

Самостоятельно, из-за очень низкой помехоустойчивости, в цифровой технике RS-триггеры практически не используются. Исключение – устранение влияния дребезжания контактов, возникающее при коммутации механических переключателей. В этом случае потребуется тумблер (кнопка), имеющий три вывода, при этом один из выводов подключается попеременно к двум остальным. Для получения RS-триггера используют D-триггер, у которого входы D и C замкнуты на «ноль».

Принцип работы приведен на временной диаграмме:

Рис.2.2. Схема устранения влияния дребезжания контактов

Первым отрицательный сигнал, поступивший на вход –R переводит триггер в «0»-состояние, а первый отрицательный сигнал на на входе –S перебрасывает триггер в состояние единицы. Все остальные сигналы, которые вызваны дребезгом контактов, уже не смогут никак повлиять на триггер. При данной схеме подключения переключателя его верхнее положение будет соответствовать единице на выходе триггера, нижнее – нулю.

RS-триггер – асинхронный, но возникают случаи, когда есть необходимость зафиксировать (сохранить) записанную информацию. Для этого используют синхронный (синхронизируемый) RS-триггер, который в этом случае состоит из двух частей: обычного RS-триггера и схемы управления.

Рис.2.3. Синхронизируемый RS-триггер

При такой схеме, пока на входе С=0, значение импульсов, поступающих на Х1 и Х2 не имеет значение, RS-триггер находится в режиме «хранение». При С=1 триггер активизируется и переходит в режим записи.

D-триггеры

Триггер задержки, который используют для создания регистров сдвига и регистров хранения, неотъемлемая часть любого микропроцессора.

Рис. 3.1. Схема D-тригера

Имеет два входа – информационный и синхронизации. При состоянии С=0 тригер устойчив и при этом сигнал на выходе не зависит от сигналов, поступающих на информационный вход. При С=1 на прямом выходе информация будет точно повторять ту информацию, которая подается на вход D. На временной диаграмме приведен принцип работы D-триггера

Рис.3.2. D-триггер. а) схематическое изображение б) временная диаграмма работы

JK-триггер

По принципу работы JK-триггер практически полностью соответствует RS-триггеру, но при этом удалось избежать неопределенности, вызванной при одновременном поступлении на вход двух «единиц».

Рис. 4.1. Графическое изображение JK-триггера

Рис.4.2. JK-триггер на входе с логикой 3И

В этом случае JK-триггер переходит в режим счетного триггера. На практике это приводит к тому, что при одновременном поступлении на вход «единичных» сигналов, триггер меняет свое состояние – на противоположное. Ниже приводится таблица истинности для JK-триггера:

JK триггеры – очень универсальные устройства, при этом их универсальность носит двойной характер. С одной стороны, эти триггеры успешно используются для цифровых устройствах, так сказать, в чистом виде: в цифровых счетчиках, регистрах, делителях частоты и т.д. С другой стороны – очень легко из JK-триггера, соединив определенные выводы, получить любой необходимый тип триггера. Ниже приводится пример получения D – триггера из исходного JK – триггера, задействовав дополнительный инвертор

Т-триггер

Другое название – счетные триггеры, на основе которых создают двоичные счетчики и делители частоты. Триггеры такого типа имеют только один вход. Принцип его работы – когда импульс поступает на вход тригерра, его состояние меняется на противоположное, при поступлении второго импульса – возвращается в исходное.

Рис. 5.1. Временная диаграмма делителя частоты на основе Т-триггера

Из неё становится понятно, почему Т-тригер называют делителем частоты. Переключение триггера происходит в момент, когда на вход поступает передний фронт синхроимпульса. В результате частота, с которой следуют импульсы на выходе триггера, оказывается в 2 раза меньше исходной – частоты синхроимпульсов, поступающих на вход. Если установка одного счетного триггера позволяет частоту импульсов разделить на два, то два последовательно подключенных триггера, соответственно, уменьшат эту частоту в 4 раза.
Ниже приведен пример получения Т-тригерра из JK-триггера:

Рис. 5.2. Т-тригер на основе JK-триггера

Контрольные вопросы:

Для чего применяют RC-генераторы?

RC-генераторы применяются для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (до долей герц)

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. В схемах генераторов всегда используется положительная обратная связь.

Колебания называются свободными (или собственными), если они совершаются за счет первоначально совершенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания - колебания, при которых колеблющаяся величина изменятся со временем по закону синуса (косинуса).

Генераторы являются составной частью многих измерительных приборов и важнейшими блоками автоматических систем.

Различают аналоговые и цифровые генераторы. Для аналоговых генераторов гармонических колебаний важной проблемой является автоматическая стабилизация амплитуды выходного напряжения. Если в схеме не предусмотрены устройства автоматической стабилизации, устойчивая работа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновения колебаний амплитуда выходного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это приведет к тому, что активный элемент генератора (например, операционный усилитель) войдет в режим насыщения. В результате напряжение на выходе будет отличаться от гармонического. Схемы автоматической стабилизации амплитуды достаточно сложны.

Структурная схема генератора приведена на рисунке ниже:

ИЭ -источник энергии,

УЭ - усили­тель,

ПОС - цепь положительной об­ратной связи,

ООС - цепь отрицатель-ной обратной свяаи,

ФК - формирова­тель колебаний (LC-контур или фазирующая RС-цепь).

По способу получения колебаний генераторы подразделяют на две группы: генераторы с внешним возбуждением и генераторы с самовозбуждением . Генератором с внешним возбуждением является усилитель мощности, на вход которого подаются электрические сигналы от источника колебаний. Генераторы с самовозбуждением со­держат формирователи колебаний; такие генераторы часто называют автогенераторами .

Принцип работы автогенератора.

Он основан на автоматическом пополнении энергии, которую затрачивает формирователь колебаний.

При этом должно соблюдаться:

-првило баланса амплитуд - произведение коэффициента усиления на коэффициент обратной связи должно быть равно 1.

-правило баланса фаз - оно означает, что колебания возникают на вполне определенной частоте, при которой происходит совпадение фаз.

При соблюдении обоих условий колебания плавно или резко возникают и автоматически поддерживаются с заданным размахом. При большом фазовом сдвиге колебания будут гасить друг друга и в дальнейшем исчезнут совсем.

Имеется много разновидностей схем генераторов си­нусоидальных колебаний. Генераторы для частот от не­скольких десятков килогерц и выше содержат LC-контуры , а генераторы для низких частот, как правило, RС-фильтры .

Схемы LC-генераторов гармонических колебаний.

В генераторах с LC-контурами исполь­зуются индуктивные катушки и конденсаторы с высокой добротностью. Автогенератор - формирователь ко­лебаний - представляет собой один или несколько уси­лительных каскадов с цепями положительной частотно-зависимой обратной связи; схемы обратной связи содер­жат колебательные цепи. Возможны различные вариан­ты включения колебательной цепи относительно электро­дов УЭ: только на входе, только на выходе или одновре­менно в нескольких участках схемы. По способам сое­динения LC -элементов с электродами усилительных элементов различают трансформаторную связь и так называемую трехточечную связь - индуктивную или емкостную. Автогенератор с трансформаторной связью показан на рис. 1.

Рис. 1. Автогенератор-формирователь синусоидальных колебаний с трансформаторной связью.

Колебательный контур, состоящий из катушки Lк и конденсатора С, является коллекторной нагрузкой тран­зистора V1, Индуктивная связь между выходом и входом усилителя обеспечивается катушкой Lб, присоеди­ненной к базе транзистора. Элементы R1, R2, Rэ, Сэ предназначены для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току и его термостабилизации.

Благодаря конденсатору С1 обладающему малым со­противлением на частоте генерации, создается цепь для переменной составляющей тока между базой и эмиттером транзистора. Точ­ками обозначены начала обмоток Lб и Lк, поскольку необходимо соблюсти условие баланса фаз. Условие баланса фаз соблю­дается, если приток энергии совершается синхронно с изменением знака напряжения на контуре; например, в каскаде с транзистором, включенным по схеме с ОЭ, фазы входного и выходного сигналов взаимно сдвину­ты на 180° С. Поэтому концы катушки Lб надо подклю­чить так, чтобы входные и выходные колебании совпа­дали по фазе. Условие баланса амплитуд состоит в том, что поте­ри в контуре и нагрузке непрерывно пополняются за счет источника питания.

Рис. 1а. Работа автогенератора. Переходные процессы.

Работа антогенератора (Рис. 1а) начинается при включении ис­точника Ек. Начальный импульс тока возбуждает в контуре LкC колебания с частотой, которые могли бы прекратиться из-за тепловых потерь энергии в активном сопротивлении ка­тушки и конденсатора. Но поскольку между катушками Lб и Lк имеется индуктивная связь с коэффициентом взаимоиндукции М, в базовой цепи возникнет переменный ток , совпадающий по фазе с током коллекторной цепи (условие баланса фаз обеспе­чивается рациональным включением концов обмотки Lб). Усилен­ные колебания передаются из контура снова в базовую цепь, и раз­мах колебаний постепенно нарастает, достигая заданного значения.

Рис. 2. Формирователи синусоидальных колебаний на основе колебательного контура, собранного по трехточечной индуктивной (а) и емкостной (б) схеме.

Автогенератор, собранный по по трехточечной схеме , пока­зан на рис. 2, а. Колебательный контур, состоящий из секционированной катушки Lк и конденсатора Ск, является нагрузкой транзистора V1. Катушка Lк разделена на две части: один вывод ее присоединен к кол­лектору, второй - к базе транзистора; энергия подво­дится к одному из средних витков этой катушки. Такое включение обеспечивает выполнение баланса фаз и от­личается большой простотой и надежностью. Режим работы транзистора по постоянному току и его термо­стабилизация осуществляются за счет таких же элементов, как и в схеме трансформаторного генератора (см. рис. 1). Емкостная трехточечная схема (рис. 2,б) содержит в емкостной ветви колебательного контура два конденсатора, , средняя точка между кото­рыми соединена с эмиттером транзистора V1. Колеба­тельный контур включен последовательно между ис­точником энергии и УЭ. Напряжения на конденсаторах имеют противоположную полярность относи­тельно общей точки, благодаря чему обеспечивается выполнение условия баланса фаз.

Схемы RC-генераторов гармонических колебаний.

RC-автогенераторы используются для генерирования колебаний инфранизкой и низкой частоты (от долей герца до нескольких десятков килогерц); RС-генераторы могут вырабатывать колебания и более высоких частот, однако низкочастотные колебания отличаются более высокой стабильностью.

Рис. 3. Автогенераторы синусоидальных колебаний с целью из Г-образных RC-звеньев (а) и мостового типа (б).

RC-автогенератор состоит из усилителя (одно- или многокаскадного) и цепи частотно-зависимой обратной связи. Цепи обратной связи выполняются в виде «лестничных» (рис. 3, а) или мостовых (рис. 3, б) RC-схем.

RC-автогенератор с многозвенной RC-цепью обратной связи показан на рис. 3, а. Три последовательно соединенных фазиру­ющих эвена R1C1-R3С3, включенных между выходом и входом усилительного каскада, образуют цепь поло­жительной обратной связи с фильтрующими свойства­ми. Она поддерживает колебательный процесс только на одной определенной частоте; без RC-элементов однокаскадный усилитель имел бы отрицательную обрат­ную связь по напряжению. Условие баланса фаз проявляется в том, что каждое из RС-звеньев поворачивает фазу сигнала на угол 60°, а суммарный угол сдвига равен 180°. Условие баланса амплитуд удовлетворяется путем выбора соответствующего коэффициента уси­ления каскада.

Автогенератор с RC-фильтром мостового типа приведен на рис. 3,б. Два плеча моста - звенья R1C1 и R2C2 - подключены к неинвертируюшему входу уси­лителя 2 (цифра внутри треугольника означает число каскадов). Эти звенья образуют цепь ПОС. К инверти­рующему входу того же усилителя присоединена другая диагональ, составленная из нелинейных элемен­тов R3 и r , которая создает цепь ООС. В данной схеме мост обладает избирательным свойством и условие баланса фаз обеспечивается при одной частоте (на ко­торой выходной сигнал моста совпадает по фазе со входным). Регулировка частоты в данном автогенераторе проста и удобна, причем возможна в очень широком диапазоне частот. Ее осуществля­ют изменением либо сопротивлений обоих резисторов, либо емкостей обоих конденсаторов моста.

Общий недостаток всех генераторов - чувствительность генери­руемой частоты к изменению питающих напряжений, температуры, "старению" элементов схемы.

RC автогенератор с согласующим каскадом и фазосдвигающей цепью

Основным достоинством RC автогенераторов является возможность генерирования стабильных низкочастотных колебаний (до 20 кГц). Недостатком таких генераторов является не экономичность по сравнению с LC автогенераторами, т. к. RC автогенераторы работают в мягком режиме самовозбуждения.

В RC автогенераторах для построения избирательной цепи используются RC фильтры В рассматриваемом автогенераторе цепь положительной обратной связи строится последовательным включением нескольких RC фильтров.

Рассмотрим процессы, происходящие в RC фильтре представленном на рисунке 16, а. Для наглядности, пояснение будем пояснять с помощью векторной диаграммы (рисунок 16, б). При подаче на вход напряжения Uвх в цепи протекает ток i. Этот ток создает падение напряжение на конденсаторе U С и резисторе U R . Напряжение U R одновременно является выходным напряжением Uвых. Напряжение Uвых совпадает по фазе с током i, а напряжение U C сдвинуто относительно Uвых на 90°. Напряжение на входе цепи равно геометрической сумме векторов Uвых и U С и соответствует вектору Uвх. Вектора Uвх и Uвых сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол j.

Рисунок 16 - Принципиальная электрическая схема RC фильтра и векторная диаграмма поясняющая процессы происходящие в нем.

Угол j можно увеличивать, уменьшая емкость конденсатора. Как видно из диаграммы j<90°. Поэтому для выполнения баланса фаз необходимо последовательное включение нескольких фильтров. При этом главным условием является равенство сдвига фаз каждым из фильтров, в противном случае каждый из фильтров будет иметь свою резонансную частоту, отличную от других фильтров и колебания будут отсутствовать. На практике используют последовательное включение трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых дает сдвиг фазы 60°, или четырех звеньев, каждое из которых дает сдвиг фазы 45°. На рисунке 17 приведены две возможные трехзвенные фазосдвигающие цепи. Временные диаграммы напряжений на выходе каждого звена этих цепей приведены на рисунке 18.

Рисунок 17 - Принципиальные электрические схемы трехзвенных фазосдвигающих цепей

Частота генерируемых колебаний при использовании этих схем определяется выражениями:

для схемы приведенной на рисунке 17, а

fг=0,065/ RC (27)

Рисунок 18 - Временные диаграммы напряжений на выходе звеньев фазосдвигающей цепи

для схемы приведенной на рисунке 17, б

fг=0,39/ RC (28)

где R=R 1 = R 2 =R 3 и С=С 1 = С 2 =С 3

Таким образом, фильтры в рассматриваемом генераторе выполняют сразу несколько функций: определяют частоту генерируемых колебаний, определяют форму колебаний и участвуют в выполнении баланса фаз.

Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с согласующим каскадом и фазосдвигающей цепью представлена на рисунке 19.

В этом генераторе усилительный каскад собран на транзисторе VT1. Нагрузкой усилителя является резистор R3. Трехзвенная фазосдвигающая цепь состоит из элементов C4 C5 C6 и R4 R5 R6. Для согласования низкого входного сопротивления транзистора VT1 с сопротивлением фазосдвигающей цепи используется согласующий каскад? эмиттерный повторитель. Данный каскад собран на транзисторе VT2 включенный по схеме с общим коллектором. При отсутствии этого каскада низкое входное сопротивление VT1 будет шунтировать цепь обратной связи и значительно уменьшать коэффициент обратной связи, а это

Рисунок 19 - Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с согласующим каскадом и фазосдвигающей цепью

приведет к несоблюдению условия баланса амплитуд. Нагрузкой эмиттерного повторителя служит резистор R9. Напряжение смещение на транзисторы подаются делителями напряжения R1 R2 и R7 R8. Элементы С1 R10 являются фильтром питания. С2 С3 С7 являются разделительными конденсаторами. Коэффициент обратной связи такого генератора равен 1/29, поэтому для выполнения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть Кус?29.

RC автогенератор с фазобалансной цепью

В генераторах с четным числом усилительных каскадов нет необходимости использовать в цепи положительной обратной связи фазосдвигающие цепи. Для выделения колебаний требуемой частоты в выходном напряжении таких генераторов, в цепь обратной связи включают четырехполюсник, обладающий частотно-избирательными свойствами (фазобалансную цепь). Принципиальная электрическая схема такого четырехполюсника представлена на рисунке 20.

Для генерирования колебаний необходимо, чтобы данный четырехполюсник не вносил сдвига фаз между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых, т. е. j вх должна быть равна j вых. Частота, на которой j вх =j вых определяется по выражению

Рисунок 20 - Принципиальная электрическая схема частотно-избирательного четырехполюсника

f г=1/2 p ? R 1 C 1 R 2 C 2 (29)

Удобно выбирать R 1 =R 2 =R, C 1 =C 2 =C тогда выражение 26 примет вид

f г=1/2 p RC (30)

На всех остальных частотах будет происходить сдвиг фазы, а значит на этих частотах не будет выполняться условие баланса фаз и колебания с этими частотами будут отсутствовать.

Коэффициент обратной связи в этом случае будет равен 1/3, а следовательно, для выполнения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя автогенератора должен быть не менее 3.

Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с фазобалансной цепью представлена на рисунке 21.

Рисунок 21 - Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с фазобалансной цепью

В этом генераторе усилитель собран на двух усилительных каскадах собранных на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой этих каскадов являются резисторы R3 и R5. Напряжение смещения на транзисторы подается фиксированным током базы через резисторы R2 и R4. Элементы С1 R1 C2 R2 образуют фазобалансную цепь в цепи положительной обратной связи. Элементы С4 С5 являются разделительными конденсаторами. R6 С3 элементы фильтра питания. Условие баланса амплитуд в этой схеме выполняется за счет двух усилительных каскадов, с помощью которых легко достигается коэффициент усиления равный 3. Баланс фаз достигается включением двух транзисторов по схеме с общим эмиттером (суммарный сдвиг фаз в этом случае 180°+180°=360°).

RC автогенератор с мостом Вина

Достоинством этого генератора является возможность изменения частоты генерируемых колебаний. Принципиальная электрическая схема этого генератора представлена на рисунке 22.

Рисунок 22 - Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с мостом Вина

В этом генераторе усилитель также имеет два усилительных каскада собранные на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой этих каскадов являются резисторы R4 и R9. Напряжение смещения на резисторы поступает через делители напряжения R2 R3 и R7 R8.

Выходное напряжение поступает на вход усилителя через фазобалансную цепь C1 R1 C2 R3, которая является одним из плеч моста Вина, второе плечо образовано элементами R6 R5. Вторая ветвь соединена с выходом усилителя через конденсатор С5 большой емкости, благодаря чему цепь R5 R6 не создает заметного сдвига фаз. Наряду с положительной обратной связью, вводится отрицательная обратная связь образованная элементами R5 R10 C5 R6. Отрицательная обратная связь, снижая коэффициент усиления, существенно снижает нелинейные искажения генерируемых колебаний. Снижение коэффициента усиления не приводит к нарушению баланса амплитуд т. к. реальный двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления намного больше 3. Кроме того элементы R5 R10, обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки транзисторов. Регулировка частоты генерируемых колебаний в рассматриваемом генераторе осуществляется одновременной регулировкой сопротивлений резисторов R1 R3, однако, может осуществляться и одновременной регулировкой емкостей конденсаторов C1 C2.

1.1 Назначение и виды генераторов.

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством которого энергия сторонних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой формы, частоты и мощности. Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные приборы и системы. Так, например, генераторы гармонических или других форм колебаний используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, в различных технологических установках и др. В телевизорах генераторы строчной и кадровой разверток используются для формирования светящегося экрана.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи и др. По назначению генераторы делят на технологические, измерительные, медицинские, связные. По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических (импульсных) сигналов.

По выходной мощности генератора делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (ниже 100 Вт) и мощные (свыше 100 Вт). По частоте генераторы можно разделить на следующие группы: инфранизкочастотные (менее 10Гц), низкочастотные (от 10Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100МГц) и сверхвысокочастотные (выше 100МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на операционных усилителях, на туннельных диодах, или динисторах, а по типу частотно-избирательных цепей обратной связи - на генераторы LC-, RC- и ^L-типа. Кроме того, обратная связь в генераторах может быть внешней или внутренней.

1.2 Генераторы синусоидальных колебаний

Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя,охваченного положительной обратной связью (рисунок 1). Коэффициент усиления и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. При этом входным сигналом для усилителя в схеме рис.1.1 является часть его выходного напряжения, передаваемого звеном обратной связи

Рисунок 1. Структурная схема генератора

Для возбуждения колебаний в системе рисунок 1 необходимо выполнение двух условий:

1.3 Режимы самовозбуждения генератора

Мягкий режим.

Если рабочая точка находится на участке характеристики iK(uБЭ) с наибольшей крутизной, то режим самовозбуждения называется мягким.

Проследим за изменениями амплитуды тока первой гармоники в зависимости от величины коэффициента обратной связи КОС. Изменение КОС приводит к изменению угла наклона a прямой обратной связи (рис.2)

Рисунок 2. Мягкий режим самовозбуждения

При КОС = КОС1 состояние покоя устойчиво и генератор не возбуждается, амплитуда колебаний равна нулю (рис. 2 б). Величина КОС = КОС2 = ККР является граничной (критической) между устойчивостью и неустойчивостью состояния покоя. При КОС = КОС3 > ККР состояние покоя неустойчиво, генератор возбудится, и величина Im1 установится соответствующей точке А. При увеличении КОС величина первой гармоники выходного тока будет плавно расти и при КОС = КОС4 установится в точке Б. При уменьшении КОС амплитуда колебаний будет уменьшаться по той же кривой и колебания сорвутся при коэффициенте обратной связи КОС = КОС2

В качестве выводов можно отметить следующие особенности мягкого режима самовозбуждения:

для возбуждения не требуется большой величины коэффициента обратной связи КОС;

возбуждение и срыв колебаний происходят при одном и том же значении коэффициента обратной связи ККР;

возможна плавная регулировка амплитуды стационарных колебаний путем изменения величины коэффициента обратной связи КОС;

как недостаток следует отметить большое значение постоянной составляющей коллекторного тока, что приводит к малому значению КПД.

Жесткий режим.

Если рабочая точка находится на участке характеристики iK = f (uБЭ) с малой крутизной S

Рисунок 3. Жесткий режим самовозбуждения

Возбуждение автогенератора произойдет, когда коэффициент обратной связи превысит величину КОС3 = КОСКР. Дальнейшее увеличение КОС приводит к небольшому увеличению амплитуды первой гармоники выходного (коллекторного) тока Im1 по пути В-Г-Д. Уменьшение КОС до КОС1 не приводит к срыву колебаний, так как точки В и Б устойчивы, а точка А устойчива справа. Колебания срываются в точке А, т. е. при КОС

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:

для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи КОС;

возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи КОС;

амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;

постоянная составляющая коллекторного тока меньше, чем в мягком режиме, следовательно, значительно выше КПД.

Сравнивая положительные и отрицательные стороны рассмотренных режимов самовозбуждения, приходим к общему выводу: надежное самовозбуждение генератора обеспечивает мягкий режим, а экономичную работу, высокий КПД и более стабильную амплитуду колебаний – жесткий режим.

Стремление объединить эти преимущества привело к идее использования автоматического смещения, когда генератор возбуждается при мягком режиме самовозбуждения, а его работа происходит в жестком режиме. Сущность автоматического смещения рассмотрена ниже.

Автоматическое смещение.

Сущность режима заключается в том, что для обеспечения возбуждения автогенератора в мягком режиме исходное положение рабочей точки выбирается на линейном участке проходной характеристики с максимальной крутизной. Эквивалентное сопротивление контура выбирается таким, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. В процессе нарастания амплитуды колебаний режим по постоянному току автоматически изменяется и в стационарном состоянии устанавливается режим работы с отсечкой выходного тока (тока коллектора), т. е. автогенератор работает в жестком режиме самовозбуждения на участке проходной характеристики с малой крутизной (рис. 4).

Рисунок 4. Принцип автоматического смещения автогенератора

Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы путем включения в цепь базы цепочки R Б C Б (рис. 5).

Рисунок 5. Схема автоматического смещения за счет тока базы

Начальное напряжение смещения обеспечивается источником напряжения Е Б. При возрастании амплитуды колебаний увеличивается напряжение на резисторе R Б, создаваемое постоянной составляющей базового тока I Б0 . Результирующее напряжение смещения (Е Б - I Б0 R Б) при этом уменьшается, стремясь к Е Б С Т.

В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя R Б1 , R Б2 (рис. 6).

Рисунок 6. Автоматическое смещение с помощью базового делителя

В этой схеме начальное напряжение смещения

Е Б.НАЧ. =Е К -(I Д +I Б0)R Б2 ,

где I Д =Е К /(R Б1 +R Б2) – ток делителя.

При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы IБ 0 увеличивается и смещение ЕБ уменьшается по величине, достигая значения ЕБСТ в установившемся режиме. Конденсатор СБ предотвращает короткое замыкание резистора RБ1 по постоянному току.

Следует отметить, что введение в схему генератора цепи автоматического смещения может привести к явлению прерывистой генерации. Причиной ее возникновения является запаздывание напряжения автоматического смещения относительно нарастания амплитуды колебаний. При большой постоянной времени t = RБСБ (рис. 8.41) колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным – ЕБ.НАЧ. Далее смещение начинает изменяться и может оказаться меньше той критической величины, при которой еще выполняются условия стационарности, и колебания сорвутся. После срыва колебаний емкость СБ будет медленно разряжаться через RБ и смещение вновь будет стремиться к ЕБ.НАЧ. Как только крутизна станет достаточно большой, генератор снова возбудится. Далее процессы будут повторяться. Таким образом, колебания периодически будут возникать и снова срываться.

Прерывистые колебания, как правило, относятся к нежелательным явлениям. Поэтому очень важно расчет элементов цепи автоматического смещения проводить так, чтобы исключить возможность возникновения прерывистой генерации.

Для исключения прерывистой генерации в схеме (рис. 4) величину CБ выбирают из равенства

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 7).

Рисунок 7. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Назначение элементов схемы:

транзистор VT p-n-p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;

колебательный контур LKCKGЭ задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость GЭ характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;

катушка LБ обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура LК (коэффициент взаимоиндукции М);

источники питания ЕБ и ЕК обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;

блокировочные конденсаторы СБ1 и СБ2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

1.3 Типы генераторов

В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы:

LC-генераторы, использующие в качестве частотно-зависимой цепи колебательный контур. Время задающим параметром в них является период собственных колебаний колебательного контура;

RC-генераторы, у которых частотно-зависимые цепи обратной связи представляют собой сочетание элементов R и С (мост Вина, двойной T-об­разный мост, сдвигающие RC-цепи др.). Время задающим параметром здесь служит время заряда, разряда или перезаряда конденсатора;

генераторы с электромеханическими резонаторами (кварцевыми, магнитострикционными), в которых времязадающим параметром является период собственных колебаний резонирующего элемента.

1.3.1 RC-генераторы

RC-генераторы основаны на использовании частотно-избирательных RC-цепей и выполняются по структурной схеме, приведенной на рис.1.

Различают RC-генераторы с фазосдвигающими и мостовыми RC-це­пями.

1.3.2 Схема трёхзвенной RC-цепи

RC-генераторы с фазосдвигающей цепью представляют собой усили­тель с поворотом фазы на 180°, в котором для выполнения условия баланса фаз включена цепь обратной связи, изменяющая на частоте генерации фазу выходного сигнала также на 180°. В качестве фазосдвигающей цепи обратной связи обычно используются трехзвенные RC-цепи (реже четырех­звенные). Схема такой цепи приведена на рис.8.

Рисунок 8. Схема трёхзвенной RC-цепи

Фазосдвигающая цепь существенно уменьшает сигнал обратной связи, поступающий на вход усилителя. Поэтому для трехзвенных RC-цепей ко­эффициент усиления усилителя должен быть не менее 29. Тогда будет вы­полнено также второе условие возникновения колебаний - условие баланса амплитуд.

При одинаковых сопротивлениях резисторов R и емкостей конденсато­ров C колебаний генератора с фазосдвигающей цепью определяется фор­муле:

Для изменения частоты колебаний достаточно изменить сопротивление или емкость в фазосдвигающей RC-цепи.

1.3.3 Мост Вина

R 3

З мостовых частотно-избирательных RC-цепей наибольшее распро­странение получил мост Вина (рис.9.).

R 4

Рисунок 9. Мост Вина

Условие баланса фаз обеспечивается здесь при одной ча­стоте, на которой выходной сигнал моста совпадает по фазе с входным.

Частота генерации равна частоте настройки моста и определяется со­отношением:

Регулировка частоты в генераторе с мостом Вина проста и удобна, при­чем возможна в широком диапазоне частот. Ее осуществляют с помощью сдвоенного конденсатора переменной емкости или сдвоенного переменного резистора, включенного в схему вместо постоянных конденсаторов C или резисторов R.

Так как коэффициент передачи моста Вина на частоте генерации со­ставляет 1/3, то коэффициент усиления усилителя должен быть равен 3. То­гда в генераторе с мостом Вина возникает устойчивая генерация.

1.3.4 Схема двойного Т-образного моста

Кроме того, в RC-генераторах находит также применение двойной Т-образный мост (рис.10).

Рисунок 10. Схема двойного Т-образного моста

Для стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора ис­пользуются различные нелинейные элементы: терморезисторы, фоторези­сторы, лампы накаливания, диоды, светодиоды, стабилитроны, полевые транзисторы и др. Применяют также строго регулируемую обратную связь.

RC-генераторы характеризуются хорошей стабильностью, легко пере­страиваются и позволяют получать колебания с очень низкими частотами (от долей герц до нескольких килогерц). Стабильность частоты колебаний. RC-генераторов в большей степени зависит от качества R и С элементов, чем от структуры частотно-избирательной цепи и характеристик усилителя. Наилучшими показателями обладают RC-генераторы, в которых осуществ­ляется дополнительная стабилизация частоты колебаний с помощью квар­цевых резонаторов.

1.3.6 Схема генератора с мостом Вина на ОУ

На рисунке 6 показана схема с мостом Вина, одно плечо которого образовано резистивным делителем напряжения , , а другое – дифференцирующей , и интегрирующей , цепями. Коэффициент передачи с выхода фазозадающей цепи , , , на неинвертирующий вход ОУ на резонансной частоте равен 1/3. Для выполнения баланса амплитуд коэффициент передачи усилителя с выхода на неинвентирующий вход должен быть равен трем, т. е. необходимо выполнить условие =. Для выполнения баланса фаз постоянная вре­мени дифференцирующей цепи должна быть равна постоянной времени интегрирующей цепи, т. е. =.

Для улучшения самовозбуждения, стабилизации амплитуды колебаний и уменьшения нелинейных искажений в схеме необходимо использовать усилитель с регулируемым коэффициентом передачи или на выходе ОУ включить нелинейный ограничитель напряжения.

Рисунок 11. Схема генератора с мостом Вина на ОУ

1.4 Генератор LC-типа

Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур. Для создания ПОС используется трансформаторная связь между обмотками W1(имеющей индуктивность L) и W2 (рис. 12).

Рисунок 12. Генератор LC-типа

1.5 Мощные усилительные каскады.

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка и мощность рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков - сотен Вт. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными, рассчитывают по заданным значениям и . Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности .

Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах A, B или AB. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.

В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме A. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его частотные характеристики.

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей.

Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме B или АВ и включенных по схемам с ОК или ОЭ. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, либо транзисторов с разным типом электропроводности. Каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом электропроводности (p-n-p и n-p-n), называются каскады с дополнительной симметрией.

По способу подключения нагрузки различают две разновидности схем: спитанием от одного источника и с питанием от двух источников.

1.6 Классификация выходных усилителей мощности

Рассмотрю классификацию усилителей по режиму работы, т. е. по величине тока, протекающего через транзисторы усилителя в отсутствие сигнала.

1.6.1 Усилители класса А

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.

1.6.2 Усилители класса В

Если изменить смещение эмиттерного перехода так, что рабочая точка совпадает с точкой отсечки, то мы получим режим усиления класса В. Для этого на базу транзистора типа n-p-n нужно подать более отрицательное напряжение, чем в режиме класса А (для транзисторов типа p-n-p режим класса В обеспечивается подачей на базу более положительного напряжения, чем в режиме класса А). В любом случае для режима класса B прямое смещение эмиттерного перехода уменьшается и транзистор запирается.

Если усилительный каскад класса B включает лишь один транзистор, нелиней­ные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирую­щий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную полуволну входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для воссоздания на выходе сигнала, полностью сходного по форме с входным сигналом, можно использовать два транзистора (по одному на каждую полуволну входного сигнала), комбинируя их по так называемой двухтактной схеме.

Амплитуда напряжения выходного сигнала несколько меньше величины напряжения источника питания. Поскольку в режиме класса B ток протекает через транзистор лишь полпериода, появляется возможность увеличить вдвое (по сравнению с режимом класса А) коллекторный ток при той же средней мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Амплитуда выходного напряжения усилителя класса B равна двойной амплитуде выходного напряжения усилителя класса A. Таким образом, двухтактный транзисторный каскад в режиме класса B позволяет получить выходное напряжение, вдвое большее, чем в режиме класса А.

1.6.3 Усилители класса АВ

Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Класс AB является наиболее экономичным для УНЧ, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток. Это объясняется тем, что в рабочей точке транзисторы заперты и коллекторный ток протекает лишь при поступлении входного сигнала. Однако, усилители класса B искажают форму сигнала.

В реальном усилителе класса B транзистор при очень малых уровнях входного сигнала остается запертым (так как вблизи отсечки транзистор имеет весьма малый коэффициент усиления тока) и резко открывается с увеличением сигнала.

Нелинейные искажения можно уменьшить, если вместо режима класса B использовать класс АВ (или что то среднее между В и АВ). Для этого транзистор несколько отпирают, так чтобы в рабочей точке в коллекторной цепи протекал небольшой ток. Класс АВ менее экономичен, чем класс B, так как потребляет­ся большим ток от источника питания. Обычно класс АВ используют лишь в двухтактных схемах.

1.6.4 Усилители класса С

Режим класса C получают смещением транзистора в обратном направлении, значительно левее точки отсечки. Часть входного сигнала затрачивается для обеспечения прямого смещения эмиттерного перехода. В результате коллекторный ток протекает в течение лишь части одного полупериода входного напряжения. Отрицательная полуволна входного напряжения лежит в области глубокой отсечки транзистора. Так как коллекторный ток протекает лишь в течение некото­рой части положительного полупериода, то длительность импульса коллекторного тока существенно меньше полупериода входного сигнала

Очевидно, форма выходного сигнала отличается от входного и она не может быть восстановлена теми методами, которые используются в двухтактных усилителях классов B и АВ. По этой причине режим класса C применяется только тогда, когда искажения сигнала не имеют значения. Как правило, режим работы класса C используется в высокочастотных усилителях и не находит применения в УНЧ.

1.7 Схемотехнические решения мощных усилительных каскадов.

Усилители мощности на транзисторах одной проводимости.

При питании каскада от двух источников , и, имеющих общую точку, нагрузка включается между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов , и общей точкой источников питания. Режим работы транзисторов обеспечивается делителями , , и . Управление транзисторами осуществляется противофазными входными сигналами и, для получения которых предыдущий каскад должен быть фазоинверсным.

Принцип работы каскада по схеме рисунок 13 состоит в поочередном усилении полуволн входного сигнала. Если в первом такте отрицательную полуволну усиливает транзистор , при этом транзистор заперт положительной полуволной, то во втором такте вторая полуволна сигнала усиливается транзистором при закрытом транзисторе .

При питании каскада от одного источника , (рис. 14) нагрузка подключается через разделительный электролитический конденсатор достаточно большой емкости, а в остальном схема аналогична предыдущей.

Рисунок 13. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости

Принцип работы схемы заключается в следующем. При отсутствии и конденсатор заряжен до напряжения . Именно при таком напряжении на конденсаторе наступает режим покоя. В такте работы (открытого состояния) , по нагрузке течет ток , который дозаряжает конденсатор . В такте работы , конденсатор разряжается, и по нагрузке течет ток . Таким образом, на нагрузке реализуется биполярный сигнал.

В рассмотренных схемах транзисторы , и имеют разное включение: - по схеме OK, а - по схеме ОЭ. Поскольку при этих двух схемах включения транзисторы имеют различные коэффициенты усиления по напряжению, то без принятия дополнительных мер получается асимметрия выходного сигнала. Уменьшения асимметрии сигнала, в частности, можно достичь соответствующим выбором коэффициентов усиления по двум выходам предыдущего фазоинверсного каскада. Можно уменьшить асимметрию и применением отрицательной обратной связи, охватывающей выходной и предвыходной каскады.

Рисунок 14. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости c однополярным питанием

Усилители мощности на транзисторах разной проводимости, включенных по схеме с ОК.

Рисунок 15. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах разной проводимости

На рис. 15 изображена схема каскада с питанием от двух источников (возможна реализация схемы с однополярным питанием). При использовании в этой схеме комплементарных пар транзисторов типов n-p-n и p-n-p отпадает необходимость в подаче двух противофазных входных сигналов. При положительной полуволне сигнала открыт транзистор и закрыт , при отрицательной полуволне, наоборот, открыт и закрыт . В остальном работа схемы рис. 15 аналогична работе соответствующих схем рис. 14 и рис. 13. Отличительной особенностью рассмотренных схем является то, что коэффициент усиления каскада по напряжению всегда меньше 1, а выходной сигнал имеет меньшую асимметрию, так как оба транзистора включены по одинаковой схеме с ОК.

Для того что бы усилитель мощности перевести в режим АВ для снижения нелинейных искажения, базы разделяют между собой парой диодов, которые обеспечивают смещение для транзисторов, при котором в них течёт ток в режиме покоя (рис 16).

R 1

R 2

Рисунок 16. Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ

На рисунке 17 приведена схема бестрансформаторного усилителя мощности с двухтактным выходным каскадом на МДП – транзисторах с индуцированными каналами типа n (VT2) и типа p (VT3). Подложка обычно соединяется с истоком внутри мощных МДП – транзисторов. Полевые транзисторы вносят меньше нелинейных искажений и не подвержены тепловой неустойчивости. Пороговое напряжение стокозатворной характеристики современных мощных МДП – транзисторов с индуцированным каналом близко к нулю. Недостатком их являются повышенное остаточное напряжение и производственный разброс параметров, однако по мере совершенствования технологии они уменьшаются.

Рисунок 17. Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ на ПТ

Выбор электрической схемы электронного устройства и её описание

Схема состоит их двух каскадов: первый каскад RC-генератор на мосте Вина, второй каскад – усилитель мощности класса АB.

Мост Вина подключён к неинвертирующему входу ОУ.

Пусть , тогда частота сигнала будет определятся по формуле:

Для того что бы в генераторе с мостом Вина установились колебания, усилитель должен иметь коэффициент усиления больше 3. Коэффициент усиления задаётся резисторами . Следовательно, должно выполнятся условие:

Диоды включённые параллельно служат для стабилизации амплитуды генерируемых сигналов (т.е вводят симметричную нелинейную обратную связь).

Достоинства RC-генератора с мостом Вина:

Основным недостатком является то, что выходное напряжение достигает напряжения шин питания, что вызывает насыщение выходных транзисторов ОУ и создаёт значительные искажения.

Второй каскад – двухтактный бестрансформаторный каскад с полевыми МДП - транзисторами разных типов проводимостей.

МДП – транзистор VT1 обладает n-типом проводимости, а транзистор VT2 – р - типом. Если между затворами и истоками транзисторов будет подано напряжение положительной полярности, то транзи­стор VT2 будет закрыт, а транзистор VT1 будет открыт, и ток поте­чёт по цепи от плюса источника питания E1 сток-исток транзисто­ра VT1, по нагрузке, к отрицательному полюсу источника питания E1. А если будет подано напряжение затвор-исток отрицательной полярности, то транзистор VT1 будет закрыт, а транзистор VT2 будет открыт, и ток потечёт по цепи от плюса источника питания E2 по нагрузке, исток-сток транзистора VT2, к отрицательному полюсу источника питания E2. Поступление на вход сигнала с напряжени­ем то положительной, то отрицательной полярностей приводит то к запиранию одного транзистора и отпиранию другого, то наоборот. Другими словами транзисторы функционируют в противофазе. Транзисторы VT1 и VT2 выбирают так, чтобы их параметры и ха­рактеристики в рабочей области были как можно более близкими.

Достоинства:

возможно получение высокого КПД, при правиль­ном выборе транзисторов нелинейные искажения малы;

каскад развивает большую максимальную выходную мощность, по сравнению с однотактным каскадом с таким же транзистором;

из-за отсутствия трансформаторов нет жестких ограничений на частотный диапазон усиливаемых сигналов;

кроме того, без громоздких и тяжелых трансформаторов получают малые массу, габариты и низкую стои­мость устройства.

Недостатки:

необходимость тщательного выбора транзисторов и стремительное их разрушение при перегрузке выходного каскада, в случае, если в нём не предусмотрена система защиты по току.

Рисунок 18. RC-генератор с мощным выходным каскадом

РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

3.1 Расчет усилителя мощности

где - амплитудное значение напряжения на сопротивлении нагрузки ;

Амплитудное значение тока на сопротивлении нагрузки ;

Мощность на нагрузке.

Напряжение источника питания одной половины выходного каскада при биполярном питании определяется исходя из амплитуды выходного сигнала, при этом величина напряжение выбирается минимум на n В больше , поскольку нужно учитывать остаточное напряжение, а у полевых транзисторов оно может достигать единицы вольт:

Максимальная мощность, рассеиваемая одним транзистором определяется:Так как транзисторы являются комплементарными, то достаточно рассчитать одно плечо усилителя. . Пусть

соберём электронное устройство в MicroCap.

измерим выходное напряжение,

измерим выходной ток,

определим частоту сигнала,

определим мощность на нагрузке,

сравним с условиями технического задания,

сделаем вывод.

Схема подключения осциллографа:

Рисунок 4.1 Схема испытаний RC-генератора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы была рассмотрена методика разработки электронного устройства на примере RC-генератора с мостом Вина и мощным выходным каскадом. Полученное устройство удовлетворяет всем условиям технического задания.

Данное устройство может быть использовано как, RC-генератор с мощным выходным каскадом, частотой генерации мощность выходного каскада , сопротивление нагрузки электронным устройством на ... генератора : - RC - внешний RC генератор - INTOSC - внутренний RC генератор ...