Условия самовозбуждения генератора

 

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний имеет вид Рис. 5.1.

Рис.5.1. Структурная схема генератора

и -передаточные коэффициенты усилителя и звена О.С. соответственно

и -приняты комплекснымивеличинами, т.е.учитывается их зависимость от частоты. Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть от , передаваемая обратной связью (О.С.).

Запишем уравнения для схемы рис.1

.

 

Решая эти уравнения совместно, получим

(5.1)

Уравнение (5.1) справедливо при условии . Так как и -векторы,

имеем

(5.2)

Из уравнения (5.2) вытекают два условия самовозбуждения:

1. Баланс фаз

, (5.3)

где n =0, 1, 2, ….. характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем и звеном О.С. в сумме должны быть кратными 2 , т.е. О .С. должна быть положительной.

2. Баланс амплитуд

(5.4).

 

Физический смысл (5.4) заключается в том, что для существования автоколебаний нужно, чтобы ослабление сигнала, вносимое звеном О.С., компенсировалось усилителем. Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы условия (5.3), (5.4) выполнялись только на одной частоте.

5.2 LC – автогенераторы

Генераторы LC – типа предназначены для генерирования сигналов высокой частоты, свыше нескольких десятков килогерц.

Генераторы LC – типа основаны на использовании избирательных LC – усилителей с частотно – зависимой нагрузкой в виде колебательного LC – контура. Условия для генерации колебаний (баланса фаз и амплитуд) создаются для частоты настройки f _o=1/2П параллельного колебательного контура, когда его сопротивление является активным и минимальным из величин. Схема простейшего генератора показана на рис. 5.4

Положительная ОС осуществляется за счет обмотки W_ос. Фаза напряжения U_ос подбирается выбором начала обмотки W_ос, а величина ПОС – напряжением U_ос. Положительная ОС осуществляется за счет обмотки W_ос. Фаза напряжения U_ос подбирается выбором начала обмотки W_ос, а величина ПОС – напряжением U_ос.

Рис.5.2 Схемы LC генератора: а) с дополнительной обмоткой ОС;

б) с индуктивной «трехточечной» ОС.

 

Схемная реализация LC – автогенераторов разнообразна. Отличаются они способами включения в усилитель колебательного контура и создания в нем положительной обратной связи (П.О.С.). На рис.5.3 представлена схема LC – автогенератора, выполненная на однокаскадном усилителе на полевом транзисторе, с колебательным контуром в цепи стока.

 

 

Рис.5.3 Схема LC – автогенератора с колебательным контуром в цепи стока

 

Сигнал О.С. получается с обмотки , имеющей число витков равное , индуктивно связанной с обмоткой колебательного контура () и через разделительный конденсатор подается на вход транзистора. На частоте резонанса, определяемой по формуле

, (5.5)

 

сопротивление колебательного контура чисто активное и максимальное по величине. В схеме однокаскадного усилителя с общим истоком с чисто активной нагрузкой выходное напряжение находится в противофазе с входным напряжением (т.е. сдвиг по фазе =180 ). Поэтому для обеспечения баланса фаз (5 3) П.О.С. должна на резонансной частоте осуществлять поворот фазы сигнала, передаваемого на вход усилителя еще на 180 . Такой сдвиг по фазе обеспечивается соответствующим подключением выводов обмотки . На практике это осуществляется соответствующей намоткой витков катушек и (Направление намотки витков этих катушек должно быть противоположным). Так как коэффициент О.С. .

Если принять индуктивную связь обмоток и идеальной, то для баланса амплитуд необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя

 

,

 

где - коэффициент передачи по току транзистора в точке покоя. Частота генерируемых колебаний близка к резонансной и определяется формулой (5.5). Такой автогенератор обладает достаточно большим к.п.д. и большой мощностью генерируемых колебаний. LC – генератор является высокочастотным.

 

 

5.3 RC – автогенераторы

При необходимости создания автогенератора в диапазоне низких частот используются RC – автогенераторы, так как характеристики LC –автогенераторов на низкой частоте ухудшаются (снижается добротность колебательного контура и стабильность частоты).

По принципу построения RC – автогенераторы подразделяются на две основные группы:

1. автогенераторы с поворотом фазы сигнала в цепи О.С. на 180 на квазирезонансной частоте .

2. автогенераторы без поворота фазы, у которых фазовый сдвиг сигнала в цепи О.С. на квазирезонансной частоте равен нулю.

Автогенератор первого типа содержит, как правило, однокаскадный усилитель, фаза выходного напряжения которого отличается от фазы входного на 180 . В цепь О.С. таких генераторов включаются фазирующие Г – образные “RC – цепочки” либо вида “R – параллель” (Рис.5.4.а), либо вида “C – параллель”. (Рис.5.4.б) Первые из них на частоте квазирезонанса создают сдвиг по фазе +180 , вторые создают фазовый сдвиг - 180 .

Рис. 5.4. Фазирующие RC –цепочки (а,б,в,г) и схемы RC – генераторов

 

RC – автогенератор с Г – образным звеном ОС (рис. 5.4) представляет собой однокаскадный усилитель с ПОС. Как известно, в однокаскадном усилителе входное и выходное напряжения сдвинуты по фазе на 180^о. Чтобы “повернуть” фазы выходного напряжения на 180^о и обеспечить действие на входе напряжение ПОС, используют три одинаковые RC – цепочки, каждая из которых изменяет фазу на 60 эл. град. Баланс фаз происходит на квазирезонансной частоте f _o=1/15,4RC, а баланс амплитуд – при коэффициенте усиления усилителя К 29. Такого же типа ОС показаны на рис. 5.4 с ОУ.

В автогенераторах без поворота фазы в О.С. в качестве фазирующих цепочек включаются либо мост Вина (рис.5.4.в), либо двойной Т – образный мост (рис.5.4.г).

Рассмотрим RC – автогенератор с мостом Вина (рис.5.5 а.).

Автогенератор состоит из двухкаскадного RC – усилителя на полевых транзисторах и цепи положительной обратной связи, являющейся мостом Вина. Мост Вина состоит из последовательно – параллельных звеньев, содержащих резисторы и конденсаторы .

Амплитудно - частотная характеристика моста Вина,

рис.5.5. б. При прохождении через мост сигналов низкой частоты при , где - частота квазирезонанса, сигнал теряется на конденсаторе (сопротивление которого возрастает), на высоких частотах сигнал гасится на делителе напряжений, состоящем из последовательных и параллельных звеньев, так как сопротивление уменьшается. И только на частоте квазирезонанса , которая при условии и определяется формулой , коэффициент передачи моста максимален и равен и имеет нулевой сдвиг по фазе.(рис.3 б

Двухкаскадный усилитель в широком диапазоне частот, как правило, определяемом частотной и фазовой характеристиками, имеет постоянный коэффициент усиления и угол сдвига фаз между входным и выходным напряжениями равный нулю. Если установить , то на частоте квазирезонанса будут выполняться оба условия самовозбуждения (5.4), (5.5).

Следует отметить, по сравнению с LC – автогенератором, данный автогенератор обеспечивает более простую перестройку частот в более широком диапазоне их изменения. По этой причине RC – автогенераторы с мостом Вина чаще других применяют для получения синусоидальных колебаний в диапазоне (1 – 10⁶) Гц.

 

а)

б)

Рис 5.5 RC – автогенератор с мостом Вина:

а) схема автогенератора; б) АЧХ и ФЧХ моста Вина.

Стабилизация частоты

Нестабильность частоты генератора описывается коэффициентом относительной нестабильности _f = f /f100 %, где f – абсолютное отклонение частоты от номинального значения

. От RC -генераторов можно добиться нестабильности около 0,1%, от LC – генераторов – порядка 0,01%. Наибольшую стабильность частоты с коэффициентом _f =10^–3...10^–5% достигают при использовании кварцевого резонатора. Кварц – это пьезо-электрик. Его деформация вызывает появление электрического потенциала и наоборот. Упругие колебания кристалла могут быть вызваны приложением электрического поля, а эти колебания, в свою очередь, генерируют напряжение на гранях кристалла. Помещая на поверхность кристалла контакты, мы превращаем его в высокодобротный колебательный контур, настроенный благодаря заданным размерам кристалла на определенную частоту. Кварцевые резонаторы выпускают на частоты от 10 кГц до 10 МГц.

Контрольные вопросы

1. Что дает введение положительной обратной связи в усилитель?

2. В чем состоят условия самовозбуждения генератора?

3. Какие разновидности генераторов гармонических колебаний существуют?

4. Какие схемы автогенераторов называют «трехточечными»?

5. В схемах каких генераторов используется мост Вина?.

 

Вывод. Рассматриваются условия возникновения гармонических колебаний в генераторах с самовозбуждением. Приведены типовые схемы LC – и RC – автогенераторов и рассмотрены способы стабилизации их частоты.

 

 

Импульсные устройства

Общие сведения

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем является доминирующим. На базе импульсной техники выполняются системы автоматического управления, устройства измерения и отображения информации, на ней основана вычислительная техника.

В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени, в импульсных системах используются сигналы импульсной формы.

Под электрическим импульсом понимают отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня, наблюдаемое в течение времени, меньшего длительности переходного процесса в схеме.

Импульсный режим имеет ряд преимуществ перед непрерывным.

1. Импульсный режим, в частности его применение в цифровой технике, позволяет осуществлять управление техническим процессом практически по любому сложному закону.

2. Импульсные устройства, по сравнению с аналоговыми, обладают высокой помехозащищенностью, так как искажение формы импульса в широком диапазоне не искажает информацию.

3. Высокая скорость передачи информации.

4. Простота реализации импульсных устройств управления на основе микросхемотехники.

5. Малая потребляемая мощность импульсными устройствами, так как даже при относительно мощных импульсах средняя мощность устройства оказывается мала.

В импульсных устройствах транзисторы работают обычно в ключевом режиме.

 

Транзистор в режиме ключа

Ключевым называется режим работы, когда транзистор длительное время находится либо в состоянии отсечки (транзистор “выключен”), либо в состоянии насыщения (транзистор “включен”). При переходе из одного своего крайнего состояния в другое рабочая точка транзистора перемещается через активную область характеристик, когда транзистор (ключ) работает как обычный усилитель. Длительность перехода, как правило, много меньше времени нахождения транзистора в режиме отсечки или насыщения.

Для быстрого переключения, например, из режима отсечки подается ток базы в 1,5...3 раза больше тока базы насыщения I_б.нас., необходимого для “фиксации” транзистора в точке насыщения I_к.нас=I_б.нас.h_21оэ, где h_21оэ – статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ. Таким образом, глубина насыщения транзистора, т. е. превышение тока базы над необходимым для создания режима насыщения, будет 1,5...3.

. Транзисторный ключ на биполярном транзисторе типа n-p-n, включенном по схеме с общим эмиттером с нагрузочным резистором в коллекторной цепи и представлен на рисунке 6.1.

Рис. 6.1 Транзистор в режиме ключа (а) и его передаточная характеристика (б)

 

Мультивибратор

Практически ни одно сколько – ни будь сложное устройство не обходится без тактового генератора, задающего режим работы этого устройства. В основе задающих генераторов широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к числу релаксационных.

Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называются релаксационными. В релаксационных генераторах в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе (обычно конденсаторе), а в другую часть периода выделяется в виде тепла в резисторах схемы. Усилительный элемент генератора работает в данном случае в ключевом режиме, переключая конденсатор с зарядки на разрядку.

Примером таких релаксационных генераторов являются мультивибраторы, которые могут работать в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режиме синхронизации и деления частоты.

Мультивибратор в автоколебательном режиме генерирует колебания непрерывно. Период генерируемых колебаний определяется времязадающими элементами мультивибратора. У автоколебательного мультивибратора нет устойчивого состояния. Интервал между моментами переключения называется квазиустойчивым, т. е. как бы устойчивым. У ждущего мультивибратора есть одно устойчивое состояние. Под действием запускающего импульса ждущий мультивибратор переходит в квазиустойчивое состояние, генерирует один выходной импульс с длительностью, соответствующей своей времязадающей цепочке и возвращается в прежнее состояние.

Схема мультивибратора на биполярных транзисторах и соответствующие временные диаграммы ее работы приведены на рис.6.2 и 6.3

.

 

Рис.61 Схема мультивибратора на биполярных транзисторах

.

Устройство представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью. Схема симметричная, т.е. VT1 и VT2 – транзисторы одного типа; С1=С2; R_к1=R_к2; R_б1=R_б2.Пусть в момент времени t=t₀ транзистор VT1закрылся, транзистор VT2 открылся. Это первое состояние квазиравновесия, т.е. первый полупериод колебаний. С этого момента начинается перезаряд конденсаторов. Конденсатор С1 заряжается по цепи: Е_к – R_к1 – С1 – VT2, а конденсатор С2 разряжается по цепи: Е_к – R_б2 – С2 – VT2, по мере убыли разрядного тока, протекающего через R_б2, убывает напряжение U_б1 на базе VT!. В момент, когда U_б1 достигает нулевого уровня, отпирается VT!. Рост коллекторного тока VT! за счет падения напряжения на R_к1 приводит к увеличению напряжения на коллекторе VT1 (минус уменьшается), которое передается непосредственно на базу VT2, что приводит к выходу VT2 из насыщенного состояния и восстановлению положительной обратной связи. Увеличение коллекторного тока VT2 за счет падения напряжения на R_к2 приводит к увеличению отрицательного напряжения на коллекторе VT2. Этот отрицательный перепад передается на базу VT1, еще более открывая его. В результате развивается лавинообразный процесс, завершающийся запиранием VT2 и открытием VT1 и переходом схемы во второе состояние квазиравновесия.

Начинается новый перезаряд конденсаторов. Теперь конденсатор С2 заряжается по цепи: Е_к – R_к2 – С2 – VT1, а конденсатор С1 разряжается по цепи: Е_к – R_б1 – С1 – VT1. Второй полупериод колебаний завершается в момент достижения U_б2 нулевого уровня; в этот момент отпирается VT2 и происходит обратное опрокидывание в первое состояние квазиравновесия.

 

 

Рис. 6.3. Временные диаграммы мультивибратора

Следует заметить, что заряд конденсатора С1 в первом полупериоде проходил с постоянной времени , заряд конденсатора С2 во втором полупериоде проходил с постоянной времени . Спустя промежуток времени заряд конденсаторов заканчивался и напряжение на коллекторе становилось равным Е_к.Так как величины R_k и С достаточно большие, то и t достаточно велико.

Этим и объясняется, что один из фронтов импульса непрямоугольный, что является недостатком схемы. Для улучшения формы импульсов в схему включают отсекающие диоды (на схеме не показаны).

Параметры выходного сигнала:

а) амплитуда импульса

,

Где - ток коллектора закрытого транзистора;

б) длительность импульса

в) длительность паузы

 

;

г) период повторения импульсов

;

д) скважность

.

Для симметричного мультивибратора , поэтому частота импульсов

.

Построение симметричного автоколебательного мультивибратора на цифровых интегральных микросхемах аналогично устройству подобных приборов на дискретных элементах, с той лишь разницей, что усилительный каскад на транзисторе заменяется логическим элементом «И – НЕ», либо «ИЛИ – НЕ».

Частоту колебаний мультивибратора можно регулировать не только изменением R _б и С, изменяя время задающих цепей, но и чисто электрическим путем, подавая разное по величине управляющее напряжение на вход транзисторов. Чем больше (по абсолютной величине) управляющее напряжение, тем быстрее при зарядке конденсаторов напряжение на входе транзистора с логическим “0” на выходе, уменьшается до порога переключения и, следовательно, тем больше частота колебаний.

 

 

Компаратор

В импульсной технике широко применяется ОУ при его работе в нелинейном режиме. Ранее мы рассматривали работу ОУ в линейном усилительном режиме. Как только входной сигнал превышает значение, допустимое для зоны линейности, выходное напряжение ОУ ограничено значением . Это ограничение напряжения вызвано тем, что при больших сигналах транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме, при этом предельно достижимое выходное напряжение не на много меньше ЭДС источника. Таким образом, передаточная характеристика ОУ содержит участок положительного насыщения, когда ΔU_вх >U_гр (ΔU_вх=U_вх1 - U_вх2) и отрицательного насыщения, когда ΔU_вх <- U_гр. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик (), то U_гр. весьма мало. В реальных ИМС – не более нескольких милливольт. Значит выходное напряжение ОУ зависит от того, какое из входных напряжений больше, т.е. ОУ является схемой сравнение напряжений и это его свойство используется в компараторах.

Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений. Компаратор изменяет уровень выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становятся равными. Компаратор также называют нуль-органом, так как в момент срабатывания сигнал на входе D U = U _вх2- U _вх1»0.

На практике наиболее широкое распространение имеет компаратор, у которого уровни включения и выключения не совпадают, такая схема носит название порогового элемента или триггера Шмитта. Схема однопорогового компаратора на ОУ без цепи обратной связи, у которого напряжения включения и выключения совпадают, приведена на рис. 6.4, а, его передаточная характеристика - на рис. 6.4., б.

 

 

 

Входной изменяющийся сигнал U _вх подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общей шине устройства через источник эталонного напряжения E _эт.В этом случае при идеальном ОУ (R _вх®¥) напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами достигнет нулевого уровня, когда уровень и полярность входного напряжения будут в точности равны параметрам эталонного напряжения. В этот момент произойдет срабатывание компаратора, на выходе вместо + U _{вых max} получаем - U _{вых max} . Напряжение E _эт называют порогом срабатывания

 

Контрольные вопросы

1. Какой режим работы транзистора называется ключевым?

2. Какие Вы знаете способы использования транзистора в режиме ключа?

3. Как выглядит передаточная характеристика ОУ?

4. Приведите примеры применения ОУ,?

5. Что называют компаратором и триггером Шмитта?

Вывод. Изучается работа транзистора в режиме ключа. Рассматриваются схемы электронных устройств, использующих этот ключевой режим на примере мультивибратора как генератора прямоугольных импульсов и компаратора, обеспечивающего сравнение двух напряжений.

 

 

7. логические и ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

 

7.1 Общие сведения

 

Логические элементы (ЛЭ) – это электронные приборы, выполняющие простейшие логические операции. В настоящее время промышленность выпускает такие элементы в основном в интегральном исполнении. ЛЭ используются в большинстве цифровых ИМС, являясь их основными элементарными кирпичиками, которые во многом определяют параметры ЦИМС (цифровых интегральных микросхем).

Анализ работы логических ИМС базируется на использовании аппарата математической логики. Все переменные в алгебре логики принимают только два значения: «единица» и «ноль», и любые математические действия над этими переменными обеспечивают результат также либо в виде «1» либо «0». ЛЭ дают возможность изображать логические переменные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Используются два возможных способа представления логической переменной: потенциальный и импульсный. При потенциальном способе «1» и «0» соответствуют два различных уровня напряжения; при импульсном – значениям «1» и «0» соответствует появление или непоявление импульса в определенные промежутки времени. Наибольшее распространение получил потенциальный способ. При потенциальном способе задания различают положительную и отрицательную логику. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует «1», низкий – «0»; при отрицательной логике – наоборот.

Логические ИМС представляют собой, как правило, электронные ключи, имеющие в общем случае m входов и n выходов и реализующие ту или иную логическую функцию.

Логические ИМС отличаются большим разнообразием. Широко используется их классификация: 1) по выполняемым логическим функциям (операциям); 2) по типу транзисторов на которых они построены.