Синусоидальные осцилляторы - Краткое руководство
An oscillatorгенерирует выходной сигнал без входного сигнала переменного тока. Электронный генератор - это схема, которая преобразует энергию постоянного тока в переменный ток с очень высокой частотой. Усилитель с положительной обратной связью можно понимать как генератор.
Усилитель против осциллятора
An amplifier увеличивает мощность входного сигнала, в то время как oscillatorгенерирует сигнал без этого входного сигнала, но для его работы требуется постоянный ток. В этом основное отличие усилителя от генератора.
Взгляните на следующую иллюстрацию. Он ясно показывает, как усилитель берет энергию от источника постоянного тока и преобразует ее в энергию переменного тока на частоте сигнала. Генератор сам по себе производит колебательный сигнал переменного тока.
Частота, форма волны и величина мощности переменного тока, генерируемой усилителем, контролируются напряжением переменного тока, подаваемым на вход, тогда как напряжение генератора переменного тока контролируется компонентами самой схемы, что означает, что внешнее управляющее напряжение не требуется. .
Генератор против генератора
An alternatorэто механическое устройство, генерирующее синусоидальные волны без какого-либо ввода. Эта генераторная машина переменного тока используется для генерации частот до 1000 Гц. Выходная частота зависит от количества полюсов и скорости вращения якоря.
Следующие пункты подчеркивают различия между генератором и генератором:
Генератор преобразует механическую энергию в энергию переменного тока, тогда как генератор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока.
Генератор может производить более высокие частоты в несколько МГц, тогда как генератор переменного тока не может.
У генератора есть вращающиеся части, а у электронного генератора нет.
Изменить частоту колебаний в генераторе легче, чем в генераторе.
Генераторы также можно рассматривать как противоположность выпрямителям, которые преобразуют переменный ток в постоянный, поскольку они преобразуют постоянный ток в переменный ток. Вы можете получить подробное описание выпрямителей в нашем руководстве по электронным схемам .
Классификация осцилляторов
Электронные генераторы в основном подразделяются на следующие две категории:
Sinusoidal Oscillators - Генераторы, которые создают на выходе синусоидальный сигнал, называются sinusoidal или же harmonic oscillators. Такие генераторы могут обеспечивать выходной сигнал на частотах от 20 Гц до 1 ГГц.
Non-sinusoidal Oscillators - Генераторы, которые производят выходной сигнал квадратной, прямоугольной или пилообразной формы, называются non-sinusoidal или же relaxation oscillators. Такие генераторы могут обеспечивать выходной сигнал на частотах от 0 Гц до 20 МГц.
В этом уроке мы обсудим только синусоидальные осцилляторы. Вы можете изучить функции несинусоидальных генераторов из нашего руководства по импульсным схемам .
Синусоидальные генераторы
Синусоидальные генераторы можно разделить на следующие категории -
Tuned Circuit Oscillators- Эти генераторы используют настроенную схему, состоящую из катушек индуктивности (L) и конденсаторов (C), и используются для генерации высокочастотных сигналов. Таким образом, они также известны как радиочастотные генераторы RF. Такими осцилляторами являются осцилляторы Хартли, Колпитца, Клаппа и др.
RC Oscillators- В генераторах используются резисторы и конденсаторы, которые используются для генерации сигналов низкой или звуковой частоты. Таким образом, они также известны как генераторы звуковой частоты (AF). Такими генераторами являются фазосдвигающие и мостовые генераторы Вейна.
Crystal Oscillators- Эти генераторы используют кристаллы кварца и используются для генерации высокостабилизированного выходного сигнала с частотами до 10 МГц. Пьезогенератор - это пример кварцевого генератора.
Negative-resistance Oscillator- Эти генераторы используют характеристику отрицательного сопротивления таких устройств, как туннельные устройства. Настроенный диодный генератор является примером генератора с отрицательным сопротивлением.
Природа синусоидальных колебаний
По природе колебания в синусоидальной волне обычно бывают двух типов. Они естьdamped и undamped oscillations.
Затухающие колебания
Электрические колебания, амплитуда которых со временем уменьшается, называются Damped Oscillations. Частота затухающих колебаний может оставаться постоянной в зависимости от параметров схемы.
Затухающие колебания обычно создаются колебательными контурами, которые производят потери мощности и не компенсируют их при необходимости.
Незатухающие колебания
Электрические колебания, амплитуда которых остается постоянной во времени, называются Undamped Oscillations. Частота незатухающих колебаний остается постоянной.
Незатухающие колебания обычно создаются колебательными контурами, которые не производят потерь мощности и используют методы компенсации, если возникают какие-либо потери мощности.
Усилитель с положительной обратной связью производит синхронизацию своего выхода по фазе со входом и увеличивает силу сигнала. Положительная обратная связь также называетсяdegenerative feedback или же direct feedback. Этот вид обратной связи превращает усилитель обратной связи в генератор.
Использование положительной обратной связи приводит к тому, что усилитель обратной связи имеет коэффициент усиления с обратной связью, превышающий коэффициент усиления без обратной связи. Это приводит кinstabilityи работает как колебательный контур. Колебательный контур обеспечивает постоянно изменяющийся усиленный выходной сигнал любой желаемой частоты.
Колебательный контур
Колебательный контур производит электрические колебания заданной частоты. Они также известны какtank circuits.
Простая баковая цепь состоит из индуктора L и конденсатора C, которые вместе определяют колебательную частоту контура.
Чтобы понять концепцию колебательного контура, рассмотрим следующую схему. Конденсатор в этой схеме уже заряжен от источника постоянного тока. В этой ситуации верхняя пластина конденсатора имеет избыток электронов, тогда как нижняя пластина имеет недостаток электронов. Конденсатор удерживает некоторую электростатическую энергию, и на конденсаторе есть напряжение.
Когда переключатель Sзамкнут, конденсатор разряжается, и ток течет через катушку индуктивности. Из-за индуктивного эффекта ток медленно нарастает до максимального значения. Когда конденсатор полностью разряжается, магнитное поле вокруг катушки становится максимальным.
А теперь перейдем к следующему этапу. Как только конденсатор полностью разряжен, магнитное поле начинает разрушаться и создает противо-ЭДС согласно закону Ленца. Конденсатор теперь заряжен положительным зарядом на верхней пластине и отрицательным зарядом на нижней пластине.
Когда конденсатор полностью заряжен, он начинает разряжаться, создавая магнитное поле вокруг катушки, как показано на следующей принципиальной схеме.
Это продолжение зарядки и разрядки приводит к попеременному движению электронов или oscillatory current. Обмен энергией между L и C производит непрерывноеoscillations.
В идеальной схеме, где нет потерь, колебания будут продолжаться бесконечно. В практическом контуре резервуара возникают такие потери, какresistive и radiation losses в катушке и dielectric lossesв конденсаторе. Эти потери приводят к затухающим колебаниям.
Частота колебаний
Частота колебаний, создаваемых контуром резервуара, определяется компонентами контура резервуара, the L и the C. Фактическая частота колебаний - этоresonant frequency (или собственная частота) контура резервуара, который задается
$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$
Емкость конденсатора
Частота колебаний f o обратно пропорциональна квадратному корню из емкости конденсатора. Таким образом, если емкость используемого конденсатора велика, периоды времени заряда и разряда будут большими. Следовательно, частота будет ниже.
Математически частота,
$$f_o \propto 1\sqrt{C}$$
Самоиндуктивность катушки
Частота колебаний f o пропорциональна квадратному корню из самоиндукции катушки. Если значение индуктивности велико, сопротивление изменению протекания тока больше, и, следовательно, время, необходимое для завершения каждого цикла, будет больше, что означает, что период времени будет больше, а частота будет ниже.
Математически частота,
$$f_o \propto 1\sqrt{L}$$
Объединяя оба приведенных выше уравнения,
$$f_o \propto \frac{1}{\sqrt{LC}}$$
$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$
Приведенное выше уравнение, хотя и указывает на выходную частоту, соответствует natural frequency или же resonance frequency резервуарного контура.
Схема осциллятора - это полный набор всех частей схемы, которые помогают создавать колебания. Эти колебания должны поддерживаться и не затухать, как только что обсуждалось ранее. Давайте попробуем проанализировать практическую схему осциллятора, чтобы лучше понять, как работает схема осциллятора.
Практическая схема генератора
Схема практического осциллятора состоит из баковой цепи, транзисторного усилителя и цепи обратной связи. Следующая принципиальная схема показывает устройство практического генератора.
Давайте теперь обсудим части этой практической схемы генератора.
Tank Circuit - Цепь резервуара состоит из индуктивности L, подключенной параллельно конденсатору. C. Значения этих двух компонентов определяют частоту контура генератора, и поэтому это называетсяFrequency determining circuit.
Transistor Amplifier- Выход контура резервуара подключен к цепи усилителя, так что здесь усиливаются колебания, производимые контуром резервуара. Следовательно, мощность этих колебаний увеличивается усилителем.
Feedback Circuit- Функция цепи обратной связи заключается в передаче части выходной энергии в цепь LC в соответствующей фазе. Эта обратная связь положительна в генераторах и отрицательна в усилителях.
Стабильность частоты осциллятора.
Стабильность частоты генератора - это мера его способности поддерживать постоянную частоту в течение длительного промежутка времени. При работе в течение более длительного периода времени частота генератора может отклоняться от ранее установленного значения, увеличиваясь или уменьшаясь.
Изменение частоты генератора может возникнуть из-за следующих факторов:
Рабочая точка используемого активного устройства, такого как BJT или FET, должна находиться в линейной области усилителя. Его отклонение повлияет на частоту генератора.
Температурная зависимость характеристик компонентов схемы влияет на частоту генератора.
Изменения напряжения питания постоянного тока, приложенного к активному устройству, смещают частоту генератора. Этого можно избежать, если использовать регулируемый источник питания.
Изменение выходной нагрузки может вызвать изменение добротности контура резервуара, что приведет к изменению выходной частоты генератора.
Наличие межэлементных емкостей и паразитных емкостей влияет на выходную частоту генератора и, следовательно, на стабильность частоты.
Критерий Баркгаузена
Обладая знаниями, которые у нас есть до сих пор, мы поняли, что практическая схема генератора состоит из схемы резервуара, схемы транзисторного усилителя и схемы обратной связи. Итак, давайте теперь попробуем освежить концепцию усилителей с обратной связью, чтобы получить коэффициент усиления усилителей с обратной связью.
Принцип усилителя обратной связи
Усилитель обратной связи обычно состоит из двух частей. Ониamplifier и feedback circuit. Цепь обратной связи обычно состоит из резисторов. Понятие усилителя обратной связи можно понять из следующего рисунка ниже.
На приведенном выше рисунке коэффициент усиления усилителя представлен как A. Коэффициент усиления усилителя - это отношение выходного напряжения Vo к входному напряжению V i . Схема обратной связи извлекает напряжение V f = β V o с выхода V o усилителя.
Это напряжение добавляется для положительной обратной связи и вычитается для отрицательной обратной связи из напряжения сигнала V s .
Итак, за положительный отзыв,
V i = V s + V f = V s + β V o
Величина β = V f / V o называется коэффициентом обратной связи или долей обратной связи.
Выходное напряжение V o должно быть равно входному напряжению (V s + βV o ), умноженному на коэффициент усиления A усилителя.
Следовательно,
$$(V_s + \beta V_o)A = V_o$$
Или же
$$AV_s + A\beta V_o = V_o$$
Или же
$$AV_s = V_o(1 - A\beta)$$
Следовательно
$$\frac{V_o}{V_s} = \frac{A}{1 - A\beta}$$
Пусть A f будет общим усилением (усилением с обратной связью) усилителя. Это определяется как отношение выходного напряжения V o к приложенному сигнальному напряжению V s , т. Е.
$$A_f = \frac{Output \: Voltage}{Input \: Signal \: Voltage} = \frac{V_o}{V_s}$$
Из приведенных выше двух уравнений мы можем понять, что уравнение усиления усилителя обратной связи с положительной обратной связью определяется выражением
$$A_f = \frac{A}{1 - A\beta}$$
где Aβ это feedback factor или loop gain.
Если Aβ = 1, A f = ∞. Таким образом, усиление становится бесконечным, т. Е. Имеется выход без какого-либо входа. Другими словами, усилитель работает как осциллятор.
Условие Aβ = 1 называется Barkhausen Criterion of oscillations. Это очень важный фактор, о котором следует всегда помнить в концепции осцилляторов.
Генераторы настроенного контура - это контуры, которые создают колебания с помощью контуров настройки. Цепи настройки состоят из индуктивности L и конденсатора C. Они также известны какLC oscillators, resonant circuit oscillators или же tank circuit oscillators.
Настроенные генераторы схемы используются для получения выходного сигнала с частотами от 1 МГц до 500 МГц, поэтому они также известны как R.F. Oscillators. BJT или FET используются в качестве усилителя с настроенными генераторами схемы. С усилителем и контуром LC-резервуара мы можем получить сигнал обратной связи с правильной амплитудой и фазой для поддержания колебаний.
Типы настраиваемых схемных генераторов
Большинство генераторов, используемых в радиопередатчиках и приемниках, относятся к типу генераторов LC. В зависимости от способа использования обратной связи в схеме генераторы LC делятся на следующие типы.
Tuned-collector or Armstrong Oscillator- Он использует индуктивную обратную связь от коллектора транзистора к базе. Цепь LC находится в цепи коллектора транзистора.
Tuned base Oscillator- Используется индуктивная обратная связь. Но LC-цепь находится в базовой цепи.
Hartley Oscillator - Используется индуктивная обратная связь.
Colpitts Oscillator - Используется емкостная обратная связь.
Clapp Oscillator - Используется емкостная обратная связь.
Теперь мы подробно обсудим все упомянутые выше LC-генераторы.
Настроенный коллекторный осциллятор
Настроенные коллекторные генераторы называются так, потому что настроенная схема размещена в коллекторе транзисторного усилителя. СочетаниеL и C формируют настроенную схему или схему определения частоты.
строительство
Резисторы R 1 , R 2 и R E используются для подачи постоянного смещения на транзистор. Конденсаторы C E и C являются шунтирующими конденсаторами. Вторичная обмотка трансформатора обеспечивает переменное напряжение обратной связи, которое появляется на переходе база-эмиттер R 1, и R 2 находится на земле переменного тока из-за шунтирующего конденсатора C. В случае, если конденсатор отсутствовал, часть напряжения, индуцированного в вторичная обмотка трансформатора будет падать на R 2 вместо того, чтобы полностью попадать на вход транзистора.
Поскольку транзистор с конфигурацией CE обеспечивает сдвиг фазы на 180 o , другой сдвиг фазы на 180 o обеспечивается трансформатором, который делает сдвиг фазы на 360 o между входным и выходным напряжениями. На следующей схеме показана схема настроенного коллектора.
Операция
После подачи питания ток коллектора начинает расти, и происходит зарядка конденсатора C. Когда конденсатор полностью заряжен, он разряжается через индуктивность L 1 . Теперь возникают колебания. Эти колебания вызывают некоторое напряжение во вторичной обмотке L 2 . Частота напряжения, индуцируемого во вторичной обмотке, такая же, как и в цепи резервуара, и ее величина зависит от количества витков во вторичной обмотке и связи между обеими обмотками.
Напряжение на L 2 прикладывается между базой и эмиттером и появляется в усиленной форме в цепи коллектора, таким образом преодолевая потери в цепи резервуара. Число витков L 2 и связь между L 1 и L 2 регулируются таким образом, что колебания на L 2 усиливаются до уровня, достаточного для обеспечения потерь в контуре резервуара.
Настроенные коллекторные генераторы широко используются в качестве local oscillator в радиоприемниках.
Настроенный базовый осциллятор
Настроенные базовые генераторы называются так, потому что настроенная схема размещена в базе транзисторного усилителя. СочетаниеL и C формируют настроенную схему или схему определения частоты.
строительство
Резисторы R 1 , R 2 и R E используются для подачи постоянного смещения на транзистор. Параллельная комбинация R e и C e в цепи эмиттера является схемой стабилизации. C C - блокирующий конденсатор. Конденсаторы C E и C являются шунтирующими конденсаторами. Первичная обмотка L и вторичная обмотка L 1 ВЧ трансформатора обеспечивают необходимую обратную связь для коллекторной и базовой цепей.
Поскольку транзистор с конфигурацией CE обеспечивает сдвиг фазы на 180 o , другой сдвиг фазы на 180 o обеспечивается трансформатором, который делает сдвиг фазы на 360 o между входным и выходным напряжениями. На следующей принципиальной схеме показана схема настроенного базового генератора.
Операция
При включении цепи ток коллектора начинает расти. Поскольку коллектор подключен к катушке L 1 , этот ток создает вокруг него некоторое магнитное поле. Это индуцирует напряжение в настроенной катушке цепи L. Напряжение обратной связи вызывает увеличение напряжения базы эмиттера и тока базы. Таким образом достигается дальнейшее увеличение тока коллектора, и цикл продолжается до тех пор, пока ток коллектора не станет насыщенным. Тем временем конденсатор полностью заряжен.
Когда ток коллектора достигает уровня насыщения, напряжение обратной связи в L. отсутствует. Поскольку конденсатор полностью заряжен, он начинает разряжаться через L. Это уменьшает смещение базы эмиттера и, следовательно, I B и ток коллектора также уменьшаются. К моменту, когда ток коллектора достигает отсечки, конденсатор C полностью заряжен с противоположной полярностью. Когда транзистор отключается, конденсатор C начинает разряжаться через L. Это увеличивает смещение эмиттер-база. В результате ток коллектора увеличивается.
Цикл повторяется до тех пор, пока в meet the lossesв цепи LC. Частота колебаний равна резонансной частоте LC-контура.
Недостаток
Главный drawbackсхемы генератора с настроенной базой состоит в том, что из-за низкого сопротивления база-эмиттер, которое появляется в шунте с настроенной цепью, цепь резервуара нагружается. Это снижает его добротность, что, в свою очередь, вызывает дрейф частоты генератора. Таким образом, стабильность становится хуже. По этой причине настроенная схемаnot как правило connected in base цепь.
Очень популярный local oscillator схема, которая в основном используется в radio receivers это Hartley Oscillatorцепь. Конструктивные детали и работа генератора Хартли описаны ниже.
строительство
На схеме генератора Хартли, показанной ниже, резисторы R 1 , R 2 и R e обеспечивают необходимое условие смещения для цепи. Конденсатор C e обеспечивает заземление переменного тока, тем самым обеспечивая любое вырождение сигнала. Это также обеспечивает стабилизацию температуры.
Конденсаторы C c и C b используются для блокировки постоянного тока и обеспечения пути переменного тока. Радиочастотный дроссель (RFC) обеспечивает очень высокий импеданс для высокочастотных токов, что означает, что он замыкается на постоянный ток и размыкается на переменный ток, следовательно, он обеспечивает постоянную нагрузку на коллектор и удерживает переменные токи вне источника постоянного тока.
Контур резервуара
Сеть для определения частоты представляет собой параллельный резонансный контур, который состоит из катушек индуктивности L 1 и L 2 вместе с переменным конденсатором C. Соединение L 1 и L 2 заземлено. Катушка L 1 одним концом соединена с базой через C c, а другой - с эмиттером через C e . Итак, L 2 находится в выходной цепи. Обе катушки L 1 и L 2 индуктивно связаны и вместе образуютAuto-transformer.
На следующей принципиальной схеме показано устройство генератора Хартли. Контур резервуараshunt fedв этой схеме. Это также может бытьseries-fed.
Операция
Когда подается коллекторное питание, в колебательном или резервуарном контуре возникает переходный ток. Колебательный ток в цепи резервуара создает переменное напряжение на L 1 .
В auto-transformerиндуктивная связь между L 1 и L 2 помогает в определении частоты и устанавливает обратную связь. Поскольку транзистор с конфигурацией CE обеспечивает сдвиг фазы на 180 o , другой сдвиг фазы на 180 o обеспечивается трансформатором, который делает сдвиг фазы на 360 o между входным и выходным напряжениями.
Это делает обратную связь положительной, что важно для состояния колебаний. Когдаloop gain |βA| of the amplifier is greater than one, в контуре поддерживаются колебания.
Частота
Уравнение для frequency of Hartley oscillator дается как
$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L_T C}}$$
$$L_T = L_1 + L_2 + 2M$$
Вот, LT - общая накопленная индуктивность; L1 и L2представляют собой индуктивности 1- й и 2- й катушек; иM представляет собой взаимную индуктивность.
Mutual inductance рассчитывается с учетом двух обмоток.
Преимущества
Преимущества осциллятора Хартли:
Вместо использования большого трансформатора в качестве автотрансформатора можно использовать одну катушку.
Частоту можно изменять с помощью переменного конденсатора или переменного индуктора.
Достаточно меньшего количества компонентов.
Амплитуда выходного сигнала остается постоянной в фиксированном диапазоне частот.
Недостатки
Недостатки генератора Хартли:
- Это не может быть низкочастотный генератор.
- Присутствуют гармонические искажения.
Приложения
Применения осциллятора Хартли:
- Он используется для создания синусоиды желаемой частоты.
- В основном используется в качестве гетеродина в радиоприемниках.
- Он также используется в качестве ВЧ-генератора.
Генератор Колпитца выглядит так же, как генератор Хартли, но катушки индуктивности и конденсаторы заменены друг на друга в контуре резервуара. Конструктивные детали и работа генератора Колпитца описаны ниже.
строительство
Давайте сначала взглянем на принципиальную схему генератора Колпитца.
Резисторы R 1 , R 2 и R e обеспечивают необходимое условие смещения для схемы. Конденсатор C e обеспечивает заземление переменного тока, тем самым обеспечивая любое вырождение сигнала. Это также обеспечивает стабилизацию температуры.
Конденсаторы C c и C b используются для блокировки постоянного тока и обеспечения пути переменного тока. Радиочастотный дроссель (RFC) обеспечивает очень высокий импеданс для высокочастотных токов, что означает, что он замыкается на постоянный ток и размыкается на переменный ток. Следовательно, он обеспечивает постоянную нагрузку на коллектор и удерживает переменные токи вне источника постоянного тока.
Контур резервуара
Сеть, определяющая частоту, представляет собой параллельный резонансный контур, который состоит из конденсаторов переменной емкости C 1 и C 2 вместе с катушкой индуктивности L. Соединение C 1 и C 2 заземлено. Конденсатор C 1 одним концом подключен к базе через C c, а другой - к эмиттеру через C e . напряжение, развиваемое на C 1, обеспечивает регенеративную обратную связь, необходимую для устойчивых колебаний.
Операция
Когда подается коллекторное питание, в колебательном или резервуарном контуре возникает переходный ток. Колебательный ток в цепи резервуара создает переменное напряжение на C 1, которое подается на переход база-эмиттер и проявляется в усиленной форме в цепи коллектора, обеспечивая потери в цепи резервуара.
Если клемма 1 имеет положительный потенциал по отношению к клемме 3 в любой момент, тогда клемма 2 будет иметь отрицательный потенциал по отношению к 3 в этот момент, потому что клемма 3 заземлена. Следовательно, точки 1 и 2 сдвинуты по фазе на 180 o .
Поскольку транзистор с конфигурацией CE обеспечивает сдвиг фазы на 180 o , он делает сдвиг фазы на 360 o между входным и выходным напряжениями. Следовательно, обратная связь правильно фазирована для создания непрерывных незатухающих колебаний. Когдаloop gain |βA| of the amplifier is greater than one, oscillations are sustained в цепи.
Частота
Уравнение для frequency of Colpitts oscillator дается как
$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC_T}}$$
C T - это общая емкость последовательно соединенных C 1 и C 2 .
$$\frac{1}{C_T} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}$$
$$C_T = \frac{C_1 \times C_2}{C_1 + C_2}$$
Преимущества
Преимущества осциллятора Колпитца следующие:
- Генератор Колпитца может генерировать синусоидальные сигналы очень высоких частот.
- Он выдерживает высокие и низкие температуры.
- Стабильность частоты высокая.
- Частоту можно изменять, используя оба переменных конденсатора.
- Достаточно меньшего количества компонентов.
- Амплитуда выходного сигнала остается постоянной в фиксированном диапазоне частот.
Генератор Колпитца разработан для устранения недостатков генератора Хартли и, как известно, не имеет особых недостатков. Следовательно, есть много применений генератора Колпитца.
Приложения
Применения осциллятора Колпитца следующие:
- Генератор Колпитца может использоваться в качестве высокочастотного генератора синусоидальных сигналов.
- Его можно использовать как датчик температуры с некоторыми связанными схемами.
- В основном используется в качестве гетеродина в радиоприемниках.
- Он также используется в качестве ВЧ-генератора.
- Он также используется в мобильных приложениях.
- У него есть много других коммерческих приложений.
Еще один осциллятор, который является усовершенствованной версией осциллятора Колпитца, - это Clapp Oscillator. Эта схема разработана путем внесения некоторых изменений в генератор Колпитца.
Схема отличается от генератора Колпитца только в одном отношении; он содержит один дополнительный конденсатор (C 3 ), подключенный последовательно с катушкой индуктивности. Добавление конденсатора (C 3 ) улучшает стабильность частоты и устраняет влияние параметров транзистора и паразитных емкостей.
На следующей принципиальной схеме показано устройство transistor Clapp oscillator.
Схема генератора Клаппа работает так же, как и генератор Колпитца. Частота осциллятора определяется соотношением
$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L.C}}$$
где
$$C = \frac{1}{\frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3}}$$
Обычно значение C3 намного меньше, чем C1 и C2. В результате,C примерно равно C3. Следовательно, частота колебаний,
$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L.C_3}}$$
Понятно, что осциллятор Клаппа похож на осциллятор Колпитца, однако они различаются способом расположения индуктивностей и емкостей. Стабильность частоты хотя и хорошая, ее можно регулировать в генераторе Клаппа.
Генератор Клаппа иногда предпочтительнее генератора Колпитца для создания генератора переменной частоты. Генераторы Клаппа используются в схемах настройки приемника в качестве генератора частоты.
Одна из важных особенностей генератора заключается в том, что подаваемая энергия обратной связи должна соответствовать фазе контура резервуара. В схемах генератора, обсуждаемых до сих пор, использовалась комбинация катушки индуктивности (L) и конденсатора (C) в цепи резервуара или цепи определения частоты.
Мы наблюдали , что комбинация LC в генераторах обеспечивают 180 о фазовом сдвиге и транзистора в конфигурации CE обеспечивают 180 ° фазовый сдвиг , чтобы сделать в общей сложности 360 уплотнительное фазового сдвига таким образом , что это сделало бы нулевую разность фаз.
Недостатки LC-схем
Хотя у них мало приложений, LC схемы имеют несколько drawbacks такие как
- Нестабильность частоты
- Форма волны плохая
- Не может использоваться для низких частот
- Катушки индуктивности громоздкие и дорогие
У нас есть еще один тип схем генераторов, которые создаются путем замены индукторов на резисторы. Таким образом повышается стабильность частоты и получается сигнал хорошего качества. Эти генераторы также могут производить более низкие частоты. Кроме того, схема не становится ни громоздкой, ни дорогой.
Все недостатки LC схемы генератора исключаются из RCсхемы генератора. Следовательно, возникает необходимость в схемах RC-генератора. Их также называютPhase–shift Oscillators.
Принцип фазосдвигающих генераторов
Мы знаем, что выходное напряжение RC-цепи для синусоидального входа опережает входное напряжение. Фазовый угол, на который он опережает, определяется значением RC-компонентов, используемых в цепи. На следующей принципиальной схеме показан отдельный участок сети RC.
Выходное напряжение V 1 'на резисторе R опережает входное напряжение, приложенное к входу V 1, на некоторый фазовый угол ɸ o . Если бы R было уменьшено до нуля, V 1 'опередит V 1 на 90 o, т.е. ɸ o = 90 o .
Однако регулировка R до нуля была бы непрактичной, потому что это привело бы к отсутствию напряжения на R. Поэтому на практике R изменяется до такого значения, которое заставляет V 1 'опережать V 1 на 60 o . На следующей принципиальной схеме показаны три участка сети RC.
Каждая секция производит сдвиг фазы на 60 o . Следовательно, получается полный фазовый сдвиг 180 o , то есть напряжение V 2 опережает напряжение V 1 на 180 o .
Цепь генератора с фазовым сдвигом
Схема генератора, которая генерирует синусоидальную волну с использованием схемы фазового сдвига, называется схемой генератора фазового сдвига. Конструктивные детали и работа схемы генератора с фазовым сдвигом приведены ниже.
строительство
Схема генератора с фазовым сдвигом состоит из одной секции транзисторного усилителя и RC-цепи фазового сдвига. Схема фазового сдвига в этой схеме состоит из трех RC-звеньев. На резонансной частоте f o фазовый сдвиг в каждой RC-секции составляет 60 o, так что общий фазовый сдвиг, создаваемый RC-цепью, составляет 180 o .
На следующей принципиальной схеме показано устройство RC-генератора со сдвигом фаз.
Частота колебаний определяется выражением
$$f_o = \frac{1}{2\pi RC \sqrt{6}}$$
где
$$R_1 = R_2 = R_3 = R$$
$$C_1 = C_2 = C_3 = C$$
Операция
Схема во включенном состоянии колеблется на резонансной частоте f o . Выход E o усилителя подается обратно на RC-цепь обратной связи. Эта сеть производит сдвиг фазы на 180 o и на ее выходе появляется напряжение E i . Это напряжение подается на транзисторный усилитель.
Примененная обратная связь будет
$$m = E_i/E_o$$
Обратная связь имеет правильную фазу, тогда как транзисторный усилитель в конфигурации CE дает сдвиг фазы на 180 o . Фазовый сдвиг, производимый сетью и транзистором, складывается, чтобы сформировать фазовый сдвиг вокруг всего контура, который составляет 360 o .
Преимущества
Преимущества генератора с фазовым сдвигом RC следующие:
- Не требует трансформаторов или индукторов.
- Его можно использовать для получения очень низких частот.
- Схема обеспечивает хорошую стабильность частоты.
Недостатки
К недостаткам RC-генератора с фазовым сдвигом можно отнести следующие:
- Запуск колебаний затруднен, поскольку обратная связь мала.
- Объем производства невелик.
Другой тип популярного генератора звуковой частоты - это схема генератора на мосту Вина. Это в основном используется из-за его важных функций. Эта схема свободна отcircuit fluctuations и ambient temperature.
Основным преимуществом этого генератора является то, что частота может изменяться в диапазоне от 10 Гц до примерно 1 МГц, тогда как в генераторах RC частота не изменяется.
строительство
Схема построения генератора моста Вина может быть объяснена следующим образом. Это двухкаскадный усилитель с RC-мостовой схемой. Мостовая схема имеет плечи R 1 C 1 , R 3 , R 2 C 2 и вольфрамовую лампу L p . Сопротивление R 3 и лампа L p используются для стабилизации амплитуды выходного сигнала.
На следующей принципиальной схеме показано устройство генератора с мостом Вина.
Транзистор T 1 служит генератором и усилителем, а другой транзистор T 2 служит инвертором. Работа инвертора обеспечивает сдвиг фазы на 180 o . Эта схема обеспечивает положительную обратную связь через R 1 C 1 , C 2 R 2 к транзистору T 1 и отрицательную обратную связь через делитель напряжения на вход транзистора T 2 .
Частота колебаний определяется последовательным элементом R 1 C 1 и параллельным элементом R 2 C 2 моста.
$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{R_1C_1R_2C_2}}$$
Если R 1 = R 2 и C 1 = C 2 = C
Потом,
$$f = \frac{1}{2\pi RC}$$
Теперь мы можем упростить приведенную выше схему следующим образом:
Генератор состоит из двух каскадов RC-связанного усилителя и цепи обратной связи. Напряжение через параллельную комбинацию R и C подается на вход усилителя 1. Общий сдвиг фазы через два усилителя равен нулю.
Обычная идея подключения выхода усилителя 2 к усилителю 1 для обеспечения регенерации сигнала для генератора здесь неприменима, поскольку усилитель 1 будет усиливать сигналы в широком диапазоне частот и, следовательно, прямое соединение приведет к плохой стабильности частоты. Добавляя мостовую схему обратной связи Вина, генератор становится чувствительным к определенной частоте и, следовательно, достигается стабильность частоты.
Операция
Когда схема включена, мостовая схема производит колебания указанной выше частоты. Оба транзистора производят полный фазовый сдвиг на 360 o, что обеспечивает надлежащую положительную обратную связь. Отрицательная обратная связь в цепи обеспечивает постоянный выход. Это достигается термочувствительной вольфрамовой лампой L p . Его сопротивление увеличивается с увеличением тока.
Если амплитуда выходного сигнала увеличивается, вырабатывается больше тока и достигается более отрицательная обратная связь. Благодаря этому результат вернется к исходному значению. Принимая во внимание, что если выход имеет тенденцию к снижению, произойдет обратное действие.
Преимущества
Преимущества осциллятора моста Вина следующие:
Схема обеспечивает хорошую стабильность частоты.
Обеспечивает постоянную производительность.
Работа схемы довольно проста.
Общее усиление высокое из-за двух транзисторов.
Частоту колебаний можно легко изменить.
Стабильность амплитуды выходного напряжения можно поддерживать более точно, заменяя R 2 термистором.
Недостатки
Недостатки мостового генератора Вина следующие:
Схема не может генерировать очень высокие частоты.
Для построения схемы требуются два транзистора и количество компонентов.
Когда осциллятор находится в непрерывном режиме работы, его frequency stabilityпострадает. Происходят изменения его частоты. Основными факторами, влияющими на частоту генератора, являются:
- Варианты питания
- Изменения температуры
- Изменения нагрузки или выходного сопротивления
В генераторах RC и LC значения сопротивления, емкости и индуктивности меняются в зависимости от температуры и, следовательно, влияет на частоту. Чтобы избежать этой проблемы, в генераторах используются пьезоэлектрические кристаллы.
Использование пьезокристаллов в параллельных резонансных цепях обеспечивает высокую стабильность частоты в генераторах. Такие осцилляторы называютсяCrystal Oscillators.
Кристаллические генераторы
Принцип кварцевых генераторов зависит от Piezo electric effect. Естественная форма кристалла - шестиугольная. Когда кристаллическая пластина перпендикулярна оси X, она называется X-срезом, а когда она разрезается по оси Y, это называется Y-срезом.
Кристалл, используемый в кварцевом генераторе, демонстрирует свойство, называемое пьезоэлектрическим свойством. Итак, давайте представим себе пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрический эффект
Кристалл проявляет свойство, заключающееся в том, что при приложении механического напряжения к одной из граней кристалла на противоположных гранях кристалла возникает разность потенциалов. И наоборот, когда разность потенциалов приложена к одной из сторон, механическое напряжение создается вдоль других поверхностей. Это известно какPiezo electric effect.
Некоторые кристаллические материалы, такие как соль Рошеля, кварц и турмалин, демонстрируют пьезоэлектрический эффект, и такие материалы называются Piezo electric crystals. Кварц является наиболее часто используемым пьезоэлектрическим кристаллом, поскольку он недорог и легко доступен в природе.
Когда пьезоэлектрический кристалл подвергается действию переменного переменного потенциала, он механически вибрирует. Амплитуда механических колебаний становится максимальной, когда частота переменного напряжения равна собственной частоте кристалла.
Работа кристалла кварца
Чтобы кристалл работал в электронной схеме, кристалл помещается между двумя металлическими пластинами в виде конденсатора. Quartzэто наиболее используемый тип хрусталя из-за его доступности и прочности, но при этом он недорогой. Переменное напряжение подается параллельно кристаллу.
Схема расположения кварцевого кристалла будет такой, как показано ниже -
Если приложено переменное напряжение, кристалл начинает вибрировать с частотой приложенного напряжения. Однако если частота приложенного напряжения сделать равной собственной частоте кристалла,resonanceимеет место и колебания кристалла достигают максимального значения. Эта собственная частота почти постоянна.
Эквивалентная схема кристалла
Если мы попытаемся представить кристалл с эквивалентной электрической схемой, мы должны рассмотреть два случая: когда он вибрирует, а когда нет. На рисунках ниже представлены символ и электрическая эквивалентная схема кристалла соответственно.
Вышеупомянутая эквивалентная схема состоит из последовательной цепи RLC, включенной параллельно с емкостью C m . Когда кристалл, установленный напротив источника переменного тока, не вибрирует, он эквивалентен емкости C m . Когда кристалл вибрирует, он действует как настроенная цепь RLC.
Частотный отклик
Частотная характеристика кристалла показана ниже. График показывает реактивное сопротивление (X L или X C ) в зависимости от частоты (f). Очевидно, что кристалл имеет две близкорасположенные резонансные частоты.
Первая - это последовательная резонансная частота (f s ), которая возникает, когда реактивное сопротивление индуктивности (L) равно реактивному сопротивлению емкости C. В этом случае импеданс эквивалентной схемы равен сопротивлению R и частота колебаний определяется соотношением,
$$f = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$
Вторая - это параллельная резонансная частота (f p ), которая возникает, когда реактивное сопротивление ветви RLC равно реактивному сопротивлению конденсатора C m . На этой частоте кристалл обеспечивает очень высокий импеданс внешней цепи, а частота колебаний задается соотношением.
$$f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C_T}}$$
где
$$C_T = \frac{C C_m}{(C + C_m)}$$
Значение C m обычно очень велико по сравнению с C. Следовательно, значение C T приблизительно равно C и, следовательно, последовательная резонансная частота приблизительно равна параллельной резонансной частоте (т.е. f s = f p ).
Схема кварцевого генератора
Схема кварцевого генератора может быть сконструирована несколькими способами, например, настраиваемый коллекторный генератор, управляемый кристаллом, кварцевый генератор Колпитца, кварцевый генератор Клапа и т. Д. transistor pierce crystal oscillatorявляется наиболее часто используемым. Это схема, которую обычно называют схемой кварцевого генератора.
На следующей принципиальной схеме показано устройство кварцевого генератора транзистора.
В этой схеме кристалл включен как последовательный элемент в цепи обратной связи от коллектора к базе. Резисторы R 1 , R 2 и R E образуют цепь смещения постоянного тока, стабилизированную делителем напряжения. Конденсатор C E обеспечивает шунтирование по переменному току эмиттерного резистора, а катушка RFC (радиочастотный дроссель) обеспечивает смещение постоянного тока при развязке любого сигнала переменного тока на линиях электропередач от воздействия на выходной сигнал. Конденсатор связи C имеет незначительное сопротивление на рабочей частоте цепи. Но он блокирует любой постоянный ток между коллектором и базой.
Частота колебаний контура задается последовательной резонансной частотой кристалла, а ее значение определяется соотношением
$$f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$
Можно отметить, что изменения напряжения питания, параметров транзисторного устройства и т. Д. Не влияют на рабочую частоту схемы, которая стабилизируется кристаллом.
Преимущества
Преимущества кварцевого генератора следующие:
- У них высокий порядок стабильности частоты.
- Добротность (Q) кристалла очень высока.
Недостатки
Недостатки кварцевого генератора следующие:
- Они хрупкие и могут использоваться в цепях малой мощности.
- Частоту колебаний нельзя существенно изменить.
Стабильность частоты осциллятора.
Ожидается, что осциллятор будет поддерживать свою частоту в течение более длительного времени без каких-либо изменений, чтобы иметь более плавный чистый синусоидальный сигнал на выходе для работы схемы. Следовательно, термин «стабильность частоты» действительно имеет большое значение, когда речь идет об генераторах, будь то синусоидальных или несинусоидальных.
Стабильность частоты генератора определяется как способность генератора поддерживать требуемую частоту постоянной в течение максимально длительного промежутка времени. Попробуем обсудить факторы, влияющие на эту стабильность частоты.
Изменение рабочей точки
Мы уже сталкивались с параметрами транзистора и узнали, насколько важна рабочая точка. Стабильность этой рабочей точки для транзистора, используемого в схеме усиления (BJT или FET), требует большего внимания.
Работа используемого активного устройства регулируется так, чтобы соответствовать линейной части его характеристик. Эта точка смещается из-за колебаний температуры, что влияет на стабильность.
Колебания температуры
Баковый контур в цепи генератора содержит различные компоненты, определяющие частоту, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Все их параметры зависят от температуры. Из-за изменения температуры меняются их значения. Это приводит к изменению частоты контура генератора.
Из-за источника питания
Изменения подаваемой мощности также влияют на частоту. Вариации источника питания приводят к вариациям V cc . Это повлияет на частоту создаваемых колебаний.
Во избежание этого реализована регулируемая система электроснабжения. Вкратце это называется RPS. Детали регулируемого источника питания были подробно обсуждены в разделе «Электропитание» учебного пособия «ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ».
Изменение выходной нагрузки
Изменения выходного сопротивления или выходной нагрузки также влияют на частоту генератора. При подключении нагрузки эффективное сопротивление цепи резервуара изменяется. В результате изменяется добротность настраиваемого LC-контура. Это приводит к изменению выходной частоты генератора.
Изменения межэлементных емкостей
Межэлементные емкости - это емкости, которые возникают в материалах PN-перехода, таких как диоды и транзисторы. Они развиваются из-за заряда, присутствующего в них во время их работы.
Конденсаторы между элементами претерпевают изменения из-за различных причин, таких как температура, напряжение и т. Д. Эту проблему можно решить, подключив блокирующий конденсатор к соответствующему конденсатору между элементами.
Значение Q
В генераторах значение Q (добротности) должно быть высоким. Величина Q в настроенных генераторах определяет избирательность. Поскольку этот Q прямо пропорционален стабильности частоты настроенной схемы, значение Q следует поддерживать на высоком уровне.
Стабильность частоты математически может быть представлена как,
$$S_w = d\theta/dw$$
Где dθ - фазовый сдвиг, вносимый при небольшом изменении частоты номинальной частоты f r . Схема, дающая большее значение (dθ / dw), имеет более стабильную частоту колебаний.
Осциллятор, который работает со свойством отрицательного сопротивления, можно назвать осциллятором отрицательного сопротивления. Срокnegative resistanceотносится к состоянию, при котором увеличение напряжения в двух точках вызывает уменьшение тока. Некоторые из нелинейных устройств демонстрируют свойство отрицательного сопротивления при определенных условиях.
Свойство отрицательного сопротивления
Давайте посмотрим, как это происходит при приложении напряжения к нелинейному устройству, которое проявляет свойство отрицательного сопротивления. Чтобы понять это свойство, давайте посмотрим на график ниже, чтобы узнать изменения напряжения и тока.
По мере увеличения прямого напряжения ток быстро увеличивается и увеличивается до точки пика, называемой Peak Current, обозначаемый IP. Напряжение в этой точке называетсяPeak Voltage, обозначаемый VP. Этот момент обозначенAна графике выше. ТочкаA называется Peak Point.
Если напряжение увеличивается дальше VP, затем ток начинает убывать. Он уменьшается до точки, называемойValley Current, обозначаемый IV. Напряжение в этой точке называетсяValley Voltage, обозначаемый VV. Этот момент обозначенBна графике выше. ТочкаB называется Valley Point.
Следовательно, область между точкой A и указать B указывает на Negative resistance region. По достижении точки впадины и при дальнейшем увеличении напряжения ток начинает увеличиваться. Это означает, что область отрицательного сопротивления закончилась, и устройство работает нормально в соответствии с законом Ома. Этот регион называетсяPositive Resistance region, что обозначено точкой B В точку C в графике.
Некоторые генераторы демонстрируют свойство отрицательного сопротивления во время своей работы. Генератор с однопереходным соединением - лучший пример несинусоидального генератора (формирующий на выходе форму волны развертки), который демонстрирует свойство отрицательного сопротивления, тогда как генератор на туннельном диоде - лучший пример синусоидального генератора, который демонстрирует свойство отрицательного сопротивления.
В следующей главе этого руководства мы подробнее обсудим генераторы на туннельных диодах.
Схема генератора, построенная с использованием туннельного диода, называется генератором на туннельном диоде. Если концентрация примесей в нормальном PN-переходе сильно увеличена, этоTunnel diodeсформирован. Он также известен какEsaki diode, по имени его изобретателя.
Туннельный диод
Когда концентрация примесей в диоде увеличивается, ширина обедненной области уменьшается, распространяя некоторую дополнительную силу на носители заряда, чтобы пересечь переход. При дальнейшем увеличении этой концентрации из-за меньшей ширины обедненной области и увеличения энергии носителей заряда они проникают через потенциальный барьер, а не перелезают через него. Это проникновение можно понимать какTunneling отсюда и название, Tunnel diode.
На следующем изображении показано, как выглядит практичный туннельный диод.
Обозначения туннельного диода показаны ниже.
Для получения дополнительной информации о туннельных диодах, пожалуйста, обратитесь к нашему руководству по основам электроники .
Генератор туннельного диода
Туннельный диод помогает генерировать очень высокочастотный сигнал с частотой около 10 ГГц. Практическая схема туннельного диода может состоять из переключателя S, резистора R и источника питания V, подключенных к цепи резервуара через туннельный диод D.
За работой
Значение выбранного резистора должно быть таким, чтобы он смещал туннельный диод посередине области отрицательного сопротивления. На рисунке ниже показана практическая схема генератора с туннельным диодом.
В этой схеме резистор R 1 устанавливает правильное смещение для диода, а резистор R 2 устанавливает правильный уровень тока для цепи резервуара. Параллельная комбинация резистора R p, индуктивности L и конденсатора C формирует контур резервуара, который резонирует на выбранной частоте.
Когда переключатель S замкнут, ток в цепи немедленно возрастает до постоянного значения, значение которого определяется значением резистора R и сопротивлением диода. Однако, когда падение напряжения на туннельном диоде V D превышает напряжение в точке пика V p , туннельный диод переводится в область отрицательного сопротивления.
В этой области ток начинает уменьшаться, пока напряжение V D не станет равным напряжению в точке впадины V v . В этот момент дальнейшее увеличение напряжения V D переводит диод в область положительного сопротивления. В результате ток в цепи имеет тенденцию к увеличению. Это увеличение в схеме приведет к увеличению падения напряжения на резистор R , который уменьшает напряжение V D .
Характеристическая кривая VI
На следующем графике показаны VI-характеристики туннельного диода.
Кривая AB указывает область отрицательного сопротивления, когда сопротивление уменьшается при увеличении напряжения. Понятно, что точка Q находится посередине кривой AB. Q-точка может перемещаться между точками A и B во время работы схемы. Точка А называетсяpeak point а точка B называется valley point.
В ходе операции, после достижения точки В, увеличение тока в цепи будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R , который уменьшает напряжение V D . Это возвращает диод в область отрицательного сопротивления.
Уменьшение напряжения V D равно напряжению V P, и это завершает один рабочий цикл. Продолжение этих циклов вызывает непрерывные колебания, которые дают синусоидальный выходной сигнал.
Преимущества
Преимущества генератора на туннельных диодах заключаются в следующем:
- Имеет высокие скорости переключения.
- Он может обрабатывать высокие частоты.
Недостатки
Недостатки генератора на туннельных диодах следующие:
- Это маломощные устройства.
- Туннельные диоды немного дороже.
Приложения
Применения генератора на туннельном диоде следующие:
- Он используется в релаксационных генераторах.
- Он используется в генераторах СВЧ.
- Он также используется как сверхвысокоскоростное коммутационное устройство.
- Он используется как запоминающее устройство логической памяти.
После рассмотрения всех основных схем синусоидального генератора следует отметить, что существует множество генераторов, подобных упомянутым до сих пор. Генераторы, которые генерируют синусоидальные сигналы, являются, как уже говорилось, синусоидальными генераторами.
Генераторы, которые генерируют несинусоидальные сигналы (прямоугольные, развертки, треугольные и т. Д.), Являются несинусоидальными генераторами, которые мы подробно обсуждали в нашем руководстве по импульсным схемам .