Полупроводниковые приборы - генераторы
Генератор - это электронная схема, которая генерирует синусоидальные колебания, известные как sinusoidal oscillator. Он преобразует входную энергию от источника постоянного тока в выходную энергию переменного тока периодической формы волны с определенной частотой и известной амплитудой. Характерной особенностью генератора является то, что он поддерживает выход переменного тока.
На следующем рисунке показан усилитель с сигналом обратной связи даже в отсутствие внешнего входного сигнала. Синусоидальный генератор - это, по сути, разновидность усилителя обратной связи, где к коэффициенту усиления по напряжению предъявляются особые требования.Av и сети обратной связи β.
Рассмотрим усилитель обратной связи на приведенном выше рисунке, где напряжение обратной связи V f = βV O обеспечивает все входное напряжение.
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Или $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Если необходимо создать выходное напряжение, входное напряжение не может быть нулевым. Следовательно, для существования V i уравнение (2) требует, чтобы
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Или $ A_V \ beta = 1 $ (3)
Уравнение (3) известно как “Barkhausen criterion”, который устанавливает два основных требования к колебаниям -
Коэффициент усиления по напряжению вокруг усилителя и контура обратной связи, называемый усилением контура, должен быть равен единице или $ A_V \ beta = 1 $.
Фазовый сдвиг между $ V_i $ и $ V_f $, называемый фазовым сдвигом контура, должен быть равен нулю.
Если эти два условия соблюдены, усилитель обратной связи, показанный на приведенном выше рисунке, будет последовательно генерировать синусоидальную форму выходного сигнала.
Давайте теперь подробно обсудим некоторые типичные схемы генераторов.
Осциллятор фазового сдвига
Цепь генератора, которая следует за основным развитием цепи обратной связи, является генератором сдвига фазы. Генератор с фазовым сдвигом показан на следующем рисунке. Требования к колебаниям заключаются в том, что коэффициент усиления контура (βA) должен быть больше единицы, а фазовый сдвиг между входом и выходом должен составлять 360 o .
Обратная связь передается с выхода RC-цепи обратно на вход усилителя. Каскад усилителя на операционном усилителе обеспечивает начальный сдвиг на 180 градусов, а RC-цепь вносит дополнительный сдвиг фазы. На определенной частоте фазовый сдвиг, вносимый сетью, составляет точно 180 градусов, поэтому контур будет составлять 360 градусов, а напряжение обратной связи совпадает с фазным входным напряжением.
Минимальное количество RC-каскадов в цепи обратной связи - три, поскольку каждая секция обеспечивает 60 градусов фазового сдвига. Генератор RC идеально подходит для диапазона звуковых частот, от нескольких циклов до примерно 100 кГц. На более высоких частотах полное сопротивление сети становится настолько низким, что может серьезно нагружать усилитель, тем самым снижая его коэффициент усиления по напряжению ниже требуемого минимального значения, и колебания прекращаются.
На низких частотах эффект нагрузки обычно не является проблемой, и требуемые большие значения сопротивления и емкости легко доступны. Используя базовый анализ сети, колебания частоты можно выразить как
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Осциллятор моста Вены
Практическая схема генератора использует схему операционного усилителя и RC-моста, при этом частота генератора устанавливается R и Cсоставные части. На следующем рисунке показана базовая версия схемы генератора моста Вина.
Обратите внимание на базовое мостовое соединение. Резисторы R 1 и R 2 и конденсаторы C 1 и C 2 образуют элементы регулировки частоты, а резисторы R 3 и R 4 образуют часть цепи обратной связи.
В этом приложении входное напряжение (V i ) моста является выходным напряжением усилителя, а выходное напряжение (V o ) моста является обратной связью со входом усилителя. Пренебрегая эффектами нагрузки входного и выходного сопротивлений операционного усилителя, анализ мостовой схемы приводит к
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
и
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Если R 1 = R 2 = R и C 1 = C 2 = C, результирующая частота генератора равна
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Осциллятор Хартли
На следующем рисунке показан осциллятор Хартли. Это одна из самых распространенных радиочастотных схем. Обычно он используется в качестве гетеродина в приемнике радиовещания. Биполярный плоскостной транзистор в общей эмиттерной связи является усилителем напряжения и смещается универсальной цепью смещения , состоящая из R 1 , R 2 , R E . Конденсатор шунтирования эмиттера (C E ) увеличивает коэффициент усиления по напряжению этого одиночного транзисторного каскада.
Радиочастотный дроссель (RFC) в цепи коллектора действует как разомкнутый контур на радиочастоте и предотвращает попадание радиочастотной энергии в источник питания. Контур резервуара состоит из L 1 , L 2 и C. Частота колебаний определяется величиной L 1 , L 2 и C и определяется колебаниями на резонансной частоте контура резервуара LC. Эта резонансная частота выражается как
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
Выходной сигнал может быть снят с коллектора посредством емкостной связи, при условии, что нагрузка велика и частота колебаний не изменяется.
Пьезоэлектричество
Пьезоэлектрические свойства проявляются рядом природных кристаллических веществ, наиболее важными из которых являются кварц, соль Рошеля и турмалин. Когда к этим материалам прикладывается синусоидальное напряжение, они вибрируют с частотой приложенного напряжения.
С другой стороны, когда эти материалы сжимаются и подвергаются механической деформации для вибрации, они создают эквивалентное синусоидальное напряжение. Поэтому эти материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами. Кварц - самый популярный пьезоэлектрический кристалл.
Кристаллический осциллятор
Принципиальная схема кварцевого генератора показана на следующем рисунке.
Кристалл здесь действует как настроенная цепь. Эквивалентная схема кристалла приведена ниже.
Кварцевый генератор имеет две резонансные частоты: последовательную резонансную частоту и параллельную резонансную частоту.
Последовательная резонансная частота
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Параллельно-резонансная частота
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
Две резонансные частоты почти одинаковы, поскольку C / Cm очень мало. На рисунке выше кристалл подключен для работы в параллельном резонансном режиме.
Резисторы R 1 , R 2 , R E и транзистор вместе образуют схему усилителя. Резисторы R 1 и R 2 обеспечивают смещение постоянного тока, стабилизированное напряжением. Конденсатор (C E ) обеспечивает обход переменного тока резистора эмиттера (R E ), а RFC обеспечивает высокое сопротивление частоте, генерируемой генератором, так что они не попадают в линии питания.
Кристалл включен параллельно конденсаторам C 1 и C 2 и обеспечивает максимальную обратную связь по напряжению от коллектора к эмиттеру, когда его полное сопротивление является максимальным. На других частотах импеданс кристалла низкий, и поэтому результирующая обратная связь слишком мала для поддержания колебаний. Частота генератора стабилизирована на параллельной резонансной частоте кристалла.