1.1 Призначення та застосування пристрою 8

ЗМІСТ.

ВСТУП 4

1. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА 8

1.1 Призначення та застосування пристрою 8

1.2 Технічні характеристики пристрою 14

1.3.1 Генератор Хартлея 17

1.3.2 Генератор Колптіца 18

1.3.3 LC-генератор із емітерним зворотнім зв’язком 18

1.3.4 Двотактові генератори 19

1.4 Принципи роботи пристрою 21

2. СПЕЦІАЛЬНА ЧАСТИНА 25

2.1 Призначення блоку 25

2.2 Технічні характеристики блоку 28

2.3 Обгрунтування елементної бази 32

2.4 Принцип роботи блоку 35

2.5 Принцип роботи генератора, практична реалізація 36

3. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА 39

3.1 Розрахунок автогенератора 39

4. ТЕХНІКА БЕЗЕПЕКИ 44

4.1 Вимоги з охорони праці при роботі з автогенератором 44

4.2. Безпека при роботі з електрикою 45

5. ЕКСПЛУАТАЦІЙНА ЧАСТИНА 47

5.1 Експлуатація автогенераторів у різних схемах 47

5.2 Генератори RC-типу 48

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА

Вступ

Сучасна електроніка є важливим інструментом техніки, комунікацій і зв'язку. Життя сучасного суспільства неможливе без о бміну інформацією, який здійснюється за допомогою засобів сучасної електроніки.

Комп`ютерна схемотехніка - це науково-технічна дисципліна, яка вивчає теоретичні методи аналізу і синтезу схем електронних обчислювальних машин і засоби їх технічної реалізації. Розвиток комп’ютерної схемотехніки є основою удосконалення архітектури комп’ютерів, якісного підвищення їхньої продуктивності та надійності, істотного зменшення масових та габаритних показників

Розвиток електроніки дозволив створити елементну базу радіоелектроніки. Перший електронний прилад (вакуумний діод) винайшов Т.Едіссон (США), керований електронний прилад створив Л.Форест (Великобританія). Напівпровідниковий період схемотехніки пов'язаний з такими іменами, як К.Браун (Німеччина), О.В.Лосев, Д.Баруні (СРСР).

Створення такої елементної бази електроніки як інтегральні схеми, дозволило істотно зменшити габарити і спростити роботу всієї малопотужної електроніки від найпростіших радіоприймачів до сучасних обчислювальних комплексів.

Актуалізацією даної проблеми є розвиток радіоелектроніки, що вимагає створення джерел коливань НВЧ з усе більш низькими рівнями побічних шумових випромінювань і все меншою короткочасністю нестабільності частоти.

В даний час в НВЧ діапазоні одними з найкращих по шумовим характеристикам є автогенератори (АГ) на біполярних транзисторах (БТ). Тому питання теоретичного аналізу і розрахунку флуктуативних (або ж коливальних) характеристик, таких АГ, в даний час досить актуальні.

Більш того, у зв'язку з усе більш широким поширенням автогенераторних датчиків інформації про навколишнє середовище та об'єктах набула актуальності задача побудови малопотужних і крім того економічних (розрахованих на автономне живлення) малошумних НВЧ АГ. Оскільки вимоги високого ККД і низького рівня спектральної щільності потужності (СПМ) фазових флуктуацій є суперечливими, виникла необхідність теоретичного дослідження зв'язку між енергетичними та флуктуаційними характеристиками АГ. Крім того, для знаходження оптимальних режимів в таких АГ потрібен розрахунок їх енергетичних і флуктуаційних характеристик в перенапруженому режимі (ПР).

Особливістю автогенераторів на біполярних транзисторах є те, що адекватні їм динамічні моделі виявляються досить складними і форму коливань на їх нелінійних елементах, як правило, не можна вважати гармонійною.

Тому в таких АГ, навіть у недонапруженному режимі (НР) одногармонійний (ОГ) розра хунок флуктуацій дає результати, цінність яких, як правило, невелика.

Виклад стану питання аналізу флуктуацій в АГ, який, зокрема, розвинений спектрально - символічний підхід до аналізу флуктуацій в автономних системах з періодичними коливаннями, що включає полігармонійний аналіз стаціонарного режиму, його стійкості та чутливості до зміни параметра системи і полігармонійного аналізу флуктуації, дозволяє знаходити їх спектральні характеристики з будь-якою точністю.

На основі спектрально - символічного підходу в повному обсязі викладена система методів прикладного аналізу флуктуацій. У цю систему увійшли практично всі відомі у наш час прикладні спектральні методи аналізу флуктуацій в АГ.

Більшість методів, що використовувалися раніше для розрахунку флуктуацій в АГ, засновані на припущенні про близькість форми коливання на нелінійному елементі до гармонійної, на припущенні про повільності зміни обвідного коливання і не враховують вплив на АГ спектральних складових шумів, що знаходяться в околицях частот вищих гармонік.

Припущення про повільність зміни обвідного автоколивання призводить до неможливості визначення СПМ флуктуацій при великій відбудові (порядку і більше ширини смуги ланцюга зворотного зв'язку). Відсутність обліку як вищих гармонік коливання на нелінійному елементі, так і шумового впливу на АГ в околицях частот вищих гармон ік, у багатьох випадках (зокрема в НВЧ АГ на БТ) призводить до значних помилок у розрахунку СПМ флуктуацій частоти.

Досить повного теоретичного дослідження флуктуацій в АГ на БТ полігармонійним методом, до теперішнього часу немає. Немає також робіт з детальним аналізом протиріччя між вимогами підвищення ККД і зниження фазових флуктуацій в АГ. У зв'язку з тим, що вимоги до флуктуаційних характеристик АГ продовжують підвищуватися, дослідження за допомогою точних методів можливостей зниження флуктуацій до рівнів, обумовлених обмеженнями фундаментального характеру, є досить актуальним.

1 Загальна частина

1.1 Призначення та застосування пристрою.

Автогенератор - це насамперед, електронний генератор з самозбудженням.

Автогенератор виробляє електричні (електромагнітні) коливання, які підтримуються подачею по ланцюгу позитивного зворотного зв'язку, частини змінної напруги з виходу автогенератора на його вхід. Це забезпечуэться тоді, коли наростання коливальної енергії буде перевершувати втрати, а саме тоді, коли петлевий коефіцієнт підсилення більше 1. При цьому амплітуда початкових коливань буде наростати.

Такі системи називають автоколивальними системами або автогенераторами, а коливання, що ними генеруються - автоколиваннями.

Автогенератори застосовуються, наприклад, в радіопередавальних пристроях, і в нашій сучасності автогенераторне обладнання має для нас величезне значення. Необхідно додати й те, що автогенератори знайшли своє широке застосування в самих різних сферах і г алузях сучасної техніки.

Існує 2 режими роботи автогенератора: м'який і жорсткий режими.

М'який режим характеризується безумовним швидким встановленням стаціонарного режиму при включенні автогенератора.

Жорсткий режим вимагає додаткових умов для встановлення коливань: або великої величини коефіцієнта зворотного зв'язку, або додаткового зовнішнього впливу (накачування).

Існує кілька типів автогенераторів з певною структурою транзисторів. А саме генератори на польових транзисторах і на біполярних транзисторах.

Транзистор - електронний напівпровідниковий прилад, в якому струм, в ланцюзі двох електродів, управляється третім електродом.

Першими були винайдені польові транзистори (1928 рік), а біполярні з’явилися в 1947 році в лабораторії Bell Labs. І це була, без перебільшення, революція в електроніці.

Дуже швидко транзистори замінили вакуумні лампи в різних електронних пристроях. У зв'язку з цим зросла надійність таких пристроїв і набагато зменшилися їхні розміри. І донині, наскільки б «навороченою» не була мікросхема, вона все одно містить в собі безліч транзисторів.

До речі, спочатку «транзисторами» називали резистори, опір яких можна було змінювати за допомогою величини напруги, що подається. Якщо відволіктися від фізики процесів, то сучасний транзистор теж можна представити як опір, залежне від поданого на нього сигналу.

У чому ж відмінність між польовими і біполярними транзисторами? Відповідь закладена у самих їхніх назвах. В біполярному транзисторі в перенесенні заряду беруть участь і електрони, і ді рки («біс» - двічі). А в польовому (він же уніполярний) - або електрони, або дірки.

Також ці типи транзисторів різняться за областю застосування. Біполярні використовуються в основному в аналоговій техніці, а польові - в цифровій.

Основна область застосування будь-яких транзисторів - посилення слабкого сигналу за рахунок додаткового джерела живлення.

Польовий транзистор - напівпровідниковий прилад, через який протікає потік основних носіїв зарядів, регульований поперечним електричним полем, яке створюється напругою, прикладеною до одного з електродів такого приладу, що називають затвором.

Так як принцип дії польових транзисторів заснований на переміщенні основних носіїв заряду одного типу (електронами або дірками), такі прилади ще називають уніполярними, тим самим протиставляючи їх біполярним.

Польовий транзистор з керуючим pn-переходом - це польовий транзистор, в якому пластина з напівпровідника, наприклад n-типу, має на протилежних кінцях електроди (стік і джерело), за допомогою яких вона включається в керований ланцюг. Керуючий ланцюг підключається до третього електроду (затвора) і утворюється областю з іншим типом провідності, в даному випадку p-типом.

Джерело живлення, включене у вхідний ланцюг, створює на єдиному pn-переході зворотну напругу. У вхідний ланцюг також включається і джерело підсилюються коливань. При зміні вхідної напруги змінюється зворотна напруга на pn-переході, в зв'язку з чим змінюється товщина збідненого шару (n-канал), тобто площа поперечного перерізу області, через яку проходить потік основних носіїв заряду. Ця область називається каналом.

Електроди польового транзистора мають наступні назви:

- джерело (source) - електрод, з якого в канал входять основні носії заряду;

- стік (drain) - електрод, через який з ка налу виходять основні носії заряду;

- затвор (gate) - електрод, потрібен для регулювання поперечного перерізу каналу.

Провідність каналу може бути як n-, так і p-типу. Тому за типом провідності каналу розрізняють польові транзистори з n-каналом і р-каналом. Полярність напруг зсуву, що подаються на електроди транзисторів з n- і з p-каналом, протилежні.

Управління струмом і напругою на навантаженні, включених послідовно до каналу польового транзистора і джерела живлення, здійснюється зміною вхідної напруги, в результаті чого змінюється зворотна напруга на pn-переході, що веде до зміни товщини збідненого шару. При деякій замикаючій напрузі площа поперечного перерізу каналу стане рівною нулю, і струм в каналі транзистора стане дуже малим. У зв'язку з незначимістю зворотних струмів pn-переходу, потужність джерела сигналу мізерно мала.

Таким чином, польовий транзистор за принципом дії аналогічний вакуумному тріоду. Джерело в польовому транзисторі подібне катоду вакуумного тріода, затвор - сітці, стік - аноду.

При цьому існують і відмінності, наприклад:

- в транзисторі відсутній катод, який вимагає підігріву;

- будь-яку з функцій джерела та стоку може виконувати будь-який з цих електродів;

- існують польові транзистори як з n-каналом, так і з p-каналом, що використовується при виробництві комплементарних пар транзисторів.

Від біполярного транзистора польовий транзистор відрізняється, по-перше, принципом дії: в біполярному транзисторі управління вихідним сигналом проводиться вхідним струмом, а в польовому транзисторі - вхідною напругою або електричним полем.

По-друге, польові транзистори мають значно більші вхідні опори, що пов'язано із зворотним зміщенням pn-переходу затвору в розглянутому типі польових транзисторів.

По-третє, польові транзистори можуть ма ти низький рівень шуму (особливо на низьких частотах), так як в польових транзисторах не використовується явище інжекції неосновних носіїв заряду, і канал польового транзистора може бути відділений від поверхні напівпровідникового кристала. Процеси рекомбінації носіїв в pn-переході і в базі біполярного транзистора, а також генераційно - рекомбінаційні процеси на поверхні кристала напівпровідника супроводжуються виникненням низькочастотних шумів.

Малюнок 1.1. Біполярний транзистор n-p-n типу.

Малюнок 1.2. Біполярні транзистор p-n-p типу.

Біполярний транзистор складається з трьох областей: емітера, бази і колектора, на кожну з яких подається напруга. Залежно від типу провідності цих областей, виділяють n-p-n і p-n-p транзистори. Зазвичай область колектора ширше, ніж емітера. Базу виготовляють з слабколегірованих напівпровідників (через що вона має великий опір) і роблять дуже тонкою. Оскільки площа контакту емітер-база виходить значно менше площі контакту база-колектор, то поміняти емітер з колектором місцями за допомогою зміни полярності підключення можна. Таким чином, транзистор відноситься до несиметричних пристроїв.

В даний час для генерування низьких і інфранизьких частот широко використовуються генератори на польових транзисторах, в яких замість коливального контуру використовуються RC-фільтри.

RC-генератори, працюючи в порівняно широкому діапазоні частот від часток герца до декількох мегагерц, забезпечують достатню стабільність коливань і мають малі габарити і масу.

Застосування польових транзисторів в схемах RC-генераторів вигідно відрізняє їх від біполярних транзисторів можливістю використання в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку високоомних резисторів, що в свою чергу дозволяє використовувати конденсатори з меншими номіналами, що володіють більшою стабільністю.

Найпростіші RC-генератори на польових транзисторах зображені на малюнку (1.3). Як відомо, умови збудження генератора вимагають, щоб ланцюг зворотного зв'язку змінював на 180 °, для однокаскадного генератора, фазу сигналу, що надходить із стічним навантаженням в ланцюг затвору.

У схемі генератора, наведеного на малюнку (1.3-а), це досягається виконанням ланцюга зворотного зв'язку з кількох послідовно включених простих RC-ланок. Крім того, ослаблення сигналу при проходженні ланцюга зворотного зв'язку повинно компенсуватися посиленням каскаду.

Для ланцюгів з однаковими за значенням елементів R і С умова балансу фаз на частоті, що генерується f0 виконується при наступних співвідношеннях:

- Для триланкової: f0=0,065/RC;

- Для чотирьохланкової: f0=0,133/RC

Малюнок 1.3—Схеми найпростіших RC-генераторів.

1.3-а. З фазовим RC-ланцюжком; 1.3-б. З джерельним повторювачем;

1.3-в. З Т-подібним RC-мостом.

Для підвищення стійкості роботи генератора (через дію ланцюгом зворотного зв'язку резистора навантаження RС) часто вводять додатковий каскад - джерельний повторювач (мал. 1.3-б), що має високий вхідний опір.

Схема генератора з подвійним Т-подібним RC-фільтром (мал.. 1.3-в), елементи якого обрані таким чином: С1 = С2 = С; С3 = С / 0,207; R1 = R2 = R; R3 = 0,207R - функціонує за умови, якщо коефі цієнт посилення каскаду не менше 11. При цьому частота коливань

f0 = 1 / 2RСπ.

Розглянуті найпростіші RC-генератори на польових транзисторах не знайшли широкого застосування через властиві їм недоліків.

Перший недолік - це необхідність отримання великого коефіцієнта посилення каскаду, який у генератора з триланковим ланцюгом зворотного зв'язку повинен бути не менше 29. Практична реалізація такого коефіцієнта посилення скрутна через мале значення крутизни польових транзисторів. Якщо врахувати, що для поліпшення форми генерованих коливань вводиться негативний зворотній зв'язок, то коефіцієнт посилення каскаду повинен бути ще більше.

Другий недолік - неможливість перебудови в широкому діапазоні частот генераторів, виконаних за схемою з RC-ланцюгами і Т-подібним мостом у ланцюзі зворотного зв'язку.

1.2 Технічні характеристики пристрою.

Найбільш простий спосіб генерації синусоїдальних коливань полягає в компенсації загасання коливального LC-контура за допомогою підсилювача.

Розглянемо деякі точки зору на цю тему. На малюнку (1.4) показана структурна схема генератора. Підсилювач збільшує вихідну напругу блоку А, при цьому виникає додатковий зсув фази α між U2 і U1. До виходу підсилювача приєднаний резистор навантаження Rv і частотно-залежний ланцюг зворотного зв'язку, в якості якого, наприклад, може бути використаний коливальний контур. При цьому напруга зворотного зв'язку U3-kU2. Фазовий зсув між напругами U3 і U2 становить кут β.

Малюнок 1.4. Структурна схема генератора.

Для перевірки здатності генератора самозбуджуватися, необхідно розірвати ланцюг зворотного зв'язку і навантажити її вихід резистором Re, який відповідає вхідному опору підсилювача. При цьому застосована напруга U1 подається на вхід підсилювача, після чого вим ірюється U3. Умови самозбудження генератора будуть виконуватися, якщо вихідна напруга виявиться рівною вхідній.

Із цього витікають умови створення коливань:

U1=U3 =kAU1 (1.1)

Коефіцієнт посилення при замкненому ланцюзі зворотного зв’язку g при цьому складе:

g = kA = 1 (1.2)

Для цього потрібне виконання двох умов:

g = k × A = 1 (1.3)

і:

α + β = 0,2π (1.4)

Формула (1.3) визначає необхідну амплітудну умову виникнення коливань, яка полягає в тому, що генератор тільки тоді може перейти в режим автоколивання, коли підсилювач компенсує загасання в ланцюзі зворотного зв'язку. Формула (1.4) визначає необхідну фазову умову, що полягає у тім, що коливання виникають тільки тоді, коли вихідна напруга знаходиться у фазі з вхідною. Більш точні уявлення про те, яку форму кривої створює генератор на якій частоті, можна отримати тільки на основі аналізу параметрів ланцюга зворотного зв'язку. Як приклад розглянемо LC-генератор, схема якого показана на (мал. 1.5).

Малюнок 1.5. Схема LC-генератора.

Електрометричний підсилювач підсилює напругу U1 (t) в А раз. Так як виходи підсилювача є низькоомними, коливальний контур підключений паралельно опору резистора R. Для обчислення напруги зворотного зв'язку застосуємо правило вузлів закону Кирхгофа до точки 1 і отримаємо:

(1.5)

При U2 = AU1 отримуємо співвідношення:

(1.6)

Формула (1.6.) зображує диференціальне рівняння затухаючих коливань. Змінюючи коефіцієнти:

и , (1.7)

Класична форма диференціального рівняння:

(1.8)

Рівняння має наступне рішення:

(1.9)

Можна розглянути три випадки:

- γ> 0, тобто А <1.

- Амплітуда вихідної змінної напруги зменшується по експоненті:

Мають місце затухаючі коливання;

- γ <0, тобто А = 1.

Мають місце синусоїдальні коливання з частотою і постійною амплітудою, тобто не затухаючі коливання;

- γ <0, тобто А> 1.

Амплітуда вихідної змінної напруги зро стає по експоненті.

Рівняння (1.5) визначає необхідну умову існування коливань. Тепер можна уточнити цей результат: для А = 1 отримуємо синусоїдальну вихідну напругу з постійною амплітудою і частотою:

При ослабленні зворотного зв'язку амплітуда зменшується по експоненті, при посиленні - збільшується. Щоб генератор при включенні напруги живлення починав збуджуватися, значення А повинно бути більше одиниці

Коли А > 1 амплітуда коливань буде зростати по експоненті (за умови компенсації ослаблення підсилювачем) до моменту, коли настане перевантаження. При появі перевантаження значення А зменшується до тих пір, поки не досягне значення одиниці. Однак при цьому форма коливань на виході підсилювача буде відрізнятися від синусоїди. Якщо досягається бажана синусоїдальна форма вихідної напруги, необхідно забезпечити автоматичне регулювання посилення, таке, щоб А = 1, перш ніж підсилювач почне перевантажуватися. При високих частотах відмовляються від регулювання посилення, і в якості вихідного використовують напруги на коливальному контурі.

1.3.1 Генератор Хартлея.

Генератор Хартлея використовує котушку індуктивності з відведенням, тобто автотрансформатор. Індуктивність цієї котушки разом з паралельно включеним конденсатором утворює коливальний контур і визначає резонансну частоту.

На (мал. 1.6) зображена схема генератора Хартлея із загальним емітером. Крізь конденсатор С2 на базу транзистора надходить змінна напруга, яка по відношенню до колекторної напруги зсунута по фазі на 180º, і тому виникає зворотно-позитивний зв’язок.

Мал. 1.6. Схема генератора Хартлея зі спілним емітером.

Мал. 1.7. Схема генератора Хартлея зі спіл ьною базою.

Амплітуду напруги позитивного зворотного зв'язку можна встановлювати відповідним положенням відводу автотрансформатора. Струм спокою колектора буде встановлений завдяки негативному зворотному зв'язку по постійному струму через резистор R1 (мал. 1.6).

У генераторі Хартлея зображеному на (мал. 1.7), транзистор включно по схемі із спільною базою. Тому крізь конденсатор С1 з котушки індуктивності L на емітер транзистора надходить змінна напруга, яка збігається по фазі з напругою колектора, що відповідає позитивному зворотному зв'язку.

1.3.2 Генератор Колптіца.

Ознакою схеми генератора Колптіца є ємнісний дільник змінної напруги, який призначений для передачі частини вихідної напруги коливального контуру на вхід схеми в якості сигналу позитивного зворотного зв'язку. Послідовно включені конденсатори складають ємність коливального контуру:

(1.10)

Схемою з загальним емітером, наведеною на (мал. 1.8), відповідає схема (мал. 1.6). Вона ускладнена тим, що доповнена резистором в ланцюзі колектора R3, крізь який підводиться позитивна напруга живлення.

Значно простіше виявляється схема із загальною базою, представлена на (мал. 1.9), яка відповідає генератору Хартлея.

Малюнок 1.8. Схема генератора Колптіца зі спілним еміером.

Малюнок 1.9. Схема генератора Колптіца зі спільною базою.

1.3.3 LC-генератор із емітерним зворотним зв’язком.

Генератор може бути реалізований простим способом на основі диференціального підсилювача (мал. 1.10). У зв'язку з тим, що напруга на колекторі транзистора Т2 збігається по фазі з напругою на базі транзистора Т1, позитивний зворотний зв'язок забезпечується безп осереднім їх з'єднанням. Коефіцієнт підсилення схеми при замкнутому ланцюзі зворотного зв'язку пропорційний крутизні транзисторів. Його можна змінювати шляхом регулювання струму емітерів. Так як транзистори з UCB = 0 поки не реалізовуються, амплітуда вихідної напруги буде обмежена величиною порядку 0,5 В. Підсилювач для генератора з емітерним зворотним зв'язком, об'єднаний з вихідним каскадом і регулят ором підсилення, реалізований у вигляді інтегральної мікросхеми.

Мал. 1.10. Генератор із емітерним зворотним зв’язком.

1.3.4. Двотактові генератори.

Так само як в підсилювачах потужності застосовують двотактні схеми, щоб досягти більш високої потужності і більш високого коефіцієнта корисної дії можна створювати двотактні схеми генераторів. Відповідна схема показана на (мал. 1.11). Вона складається з двох генераторів Мейснера. Транзистори Т1 і Т2 в цій схемі будуть працювати по черзі.

Так як зміни потенціалу бази одного транзистора приводять до змін колектора іншого синфазно, схема спрощується за рахунок повороту фази на вторинній обмотці трансформатора. Ця можливість показана на (мал. 1.12). Позитивний зворотний зв'язок утворюється тут завдяки наявності ємнісних дільників напруги С1 і С2. Паралельно підключені до ємнісних дільників резистивні дільники напруги R1 і R2 служать для установки постійної складової потенціалу баз.

Перевагою двотактних генераторів, в порівнянні з однотактними, є більш висока вихідна потужність і менший рівень гармонік основного коливання.

Малюнок 1.11. Схема двотактного генератора з індуктивним позитивним зворотнім зв’язком.

Малюнок 1.12. Схема двотактного генератора з ємкісним позитивним зворотнім зв’язком.

Двотактний генератор може бути реалізований більш простим способом

(мал. 1.13): з одним коливальним контурами і одним операційним підсилювачем. Простіше кажучи, тут коливальний контур навантажено емітерним повторювачем на резистори Т3, і вони охоплені негативним зворотним зв'язком через джерело струму (генератор струму). Так як коливальний контур в цій схемі слабо пов'язаний з навантаженням, генератор формує змінну напругу з незначним вмістом вищих гармонійних складових. Резистор R6 призначений для обмеження напруги і, разом з тим, мало впливає на спотворення у разі перенавантаження.

Малюнок 1.13. Схема двохтактного генератора з джерелом регулюємого току.

Дільник напруги R4, R5 обмежує перевантаження і амплітуду змінної напруги. Змінний резистор R5 дозволяє здійснити налаштування симетрії, а R2 встановлює струм спокою джерел струму (генераторів струму). Оскільки вони впливають на зміст вищих гармонік, тобто на коефіцієнт нелінійних спотворень, їх потрібно вибирати так, щоб транзистори Т1 і Т2 працювали в режимі класу А. Резистори R1 визначають глибину позитивного зворотного зв'язку.

Можна також розглядати схему як негативний опір, що послаблює загасання в коливальному контурі. Для визначення його величини ми виходимо з позитивної зміни напруги ΔU1. Вона зменшує струм колектора Т2 на величину ΔU1 / R1 і забезпечує приріст колектора Т1 на таку ж величину. При цьому струм I1 зменшується на величину 2ΔU1 / R1. Д о коливального контуру, отже, підключається опір:

(1.11)

Щоб були виконані умови самозбудження коливань, потрібно вибирати опір ½R1 трохи меншим, ніж резонансний опір коливального контуру.

1.4 Принципи роботи пристрою.

Стабільність частоти LC-генераторів недостатня для багатьох застосувань. Вона залежить від температурних коефіцієнтів ємності й індуктивності коливального контуру. Значно кращої стабільності можна досягти застосуванням кварцових резонаторів, які являють собою кристал кварцу з нанесеними на її поверхню металевими електродами. У резонаторі електричним полем можна порушувати механічні коливання, і, якщо власна частота цих коливань збігається з частотою електричного поля, виникає резонанс. Тому кварцовий резонатор поводиться як коливальний контур високої добротності.

Температурний коефіцієнт резонансної частоти кварцу дуже малий, що досягається стабільністю частоти кварцового генератора яка знаходиться в межах:

(1.12)

Електричні характеристики кварцового резонатора, представлені еквівалентною схемою, показані на (мал. 1.14). Обидві величини С і L дуже добре визначені механічними властивостями кварцового кристала. Резистор R має малий опір, який характеризує затухання. Конденсатор С0 еквівалентний величині ємності, яка збуджується між електродами. Типовими значеннями для кварцового резонатора з частотою 4 МГц є:

L=100 мГн,

R= 100 Ом,

С=0,015 пФ,

С0=5 пФ.

Із цього слідує величина добротності:

(1.13)

При обчисленні резонансної частоти, насамперед, виходимо з повного опору кварцового резонатора. Без урахування опору резистора R з (мал. 1.14) отримали:

(1.14)

Знайдемо на яких частотах Zq = 0 і Zq = ∞. Кварцовий резонатор володіє послідовним і паралельним резонансом. При обчисленні частоти послідовного резонансу fs чисельник у формулі (1.14) приймається рівним 0, і тоді виходить:

(1.15)

Частота паралельного резонатора виходить при знаменнику, який дорівнює нулю:

(1.16)

Ймовірно, що частота послідовного резонансу залежить тільки від певного добутку LC, в той час як при паралельному резонансі на частоту значно впливає ємність електродів С0.

Малюнок 1.14. Еквівалентна схема кварцового генератора.

Часто виникає необхідність зміни частоти кварцового генератора в невеликому діапазоні для того, щоб встановити її рівною точно бажаною величиною. Для цього необхідний конденсатор, ємність якого повинна бути великою в порівнянні з С, включеною послідовно з кварцовим резонатором (мал.. 1.15).

Малюнок 1.15. Схема підстроювання резонансної частоти кварцового резонатора.

Для розрахунку зсуву резонансної частоти встановимо повний опір послідовного включення кварцового резонатора з конденсатором С5. З формули (1.14) виходить:

(1.17)

Прирівнюючи чисельник до нуля, отримуємо нову частоту послідовного резонансу:

(1.18)

Якщо розкласти в ряд цей вираз С << С0 + Сs то отримаємо:

(1.19)

Відносна зміна частоти при цьому складатиме:

(1.20)

Частота паралельного резонатора від С5 не залежить, так як у формулі (1.17) прирівнювати знаменник до нуля неприпустимо. Порівнюючи формули (1.18) і (1.16), робимо висновок, що за допомогою конденсатора ємністю Сs частоту послідовного резонансу можна підвищувати максимум до частоти паралельного.

2 Спеціальна частина.

2.1 Призначення блоку.

В електроніці, генератор (LС), використовується в змішувачах частоти сигналу. Цей процес перетворення частоти, також називають автогенерування, що виробляє сумарну і різничну частоту від частоти генерації і є частотою вхідного сигналу. Обробка сигналу на фіксованій частоті дає радіоприймачам поліпшену продуктивність.

Малюнок 2.1.Супергеретодинний радіоприймач.

Автогенератори використовуються в супергетеродинному приймачу, найбільш поширеного типу набув радіоприймальний ланцюг. Такі ланцюги також використовуються в багатьох схемах зв'язку, таких як модеми, кабельне телебачення, телевізійні приставки, системи мультиплексування з частотним поділом, використовувані в телефонних магістралях, системах телеметрії, в атомних годинниках, радіотелескопах і військових радіоелектронних протидійних системах.

Продуктивність системи обробки сигналів залежить від характеристик автогенератора. АГ повинен виробляти стабільну частоту з низькими гармоніками. Стабільність повинна прийматися з урахуванням температури, напруги і механічною дрейфу, в якості факторів. Генератор повинен виробляти достатню кількість вихідної потужності, щоб ефективно управляти подальшими етапами схем, такими як змішувач або помножувач частоти. Він повинен мати низький рівень фазового шуму, якщо термін сигналу має вирішальне значення. Канальні системи приймача, точність настройки синтезатора частот, повинні бути сумісні з резонансом каналів бажаних сигналів.

Кварцовий генератор є одним з найпоширеніших типів автогенераторів, що забезпечує хорошу стабільність і продуктивність при відносно низькій вартості, але його частота фіксована, так що зміна частоти потребує зміни кристалу. Налаштування на різних частотах вимагає змінної частоти генератора, що призводить до компромісу між стабільністю і перебудовою частоти. З появою високошвидкісної цифрової мікроелектроніки сучасні системи можуть використовувати синтезатори частот для отримання стабільних налаштувань генератора, але все одно мають прийняти до відома адекватні характеристики шуму.

У багатьох приймачів, функція генератора і з мішувача об'єднані в один етап під назвою "перетворювання" - це зменшує простір, вартість і енергоспоживання шляхом поєднання обох функцій в одному пристрої.

У телевізійному супутниковому приймачі мікрохвильові частоти, використовувані з супутника до прийомної антени, перетворюються в більш низькі частоти генератора і змішувача, встановленого на антені. Це дозволяє передати прийнятий сигнал по кабелю. У цій заявці, генератор має фіксовану частоту, частота сигналу перетворюється з пониженням частоти є величиною змінною.

Малюнок 2.2. Телевізійний супутниковий приймач.

Застосування автогенераторів в конструкції приймача вимагає догляду, це потрібно для переконання у відсутності паразитних сигналів та випромінювання. Такі сигнали можуть викликати перешкоди в роботі інших приймачів. Виявлення випромінювання генератора може розкрити присутність приймача, наприклад, у виявленні автомобільних радар-детекторів, або виявлення неліцензійних телевізійних мовних приймачів в деяких країнах.

Малюнок 2.3. Автомобільний радар-детектор.

2.2 Технічні характеристики блоку.

У схемі генератора Пірса, яка приведена на (мал. 2.4), кварцовий резонатор разом з конденсаторами С5 м С1, утворюють послідовний коливальний контур з послідовно включеною ємністю:

(2.1)

Коливальний контур збуджується з боку колектора. Якщо виходити з того, що струм в коливальному контурі більше, ніж струм збудження, то на конденсаторах С1 та Cs присутні протифазні сигнали. Внаслідок цього виникає позитивний зворотній зв’язок.

В якості підсилювача на даний час частіше використовуються інвертори на КМОН (комплементарний метал-оксидний-напівпровідник) транзисторах. Така схема представлена на (мал. 2.4). Вона потребує не тільки невелику кількість комплектуючих виробів, але й мінімально демпфірує.

Малюнок 2.4. Генератор Пірса з підсилювачем за схемою зі спільним еміттером.

Резистором встановлюється робоча точка на рівні Ue = Ua ≈ ½Ub. Він може бути дуже високоомним, так як практично ніякого вхідного струму транзистори не споживають.

Мал. 2.5. Генератор Пірса на КМОН інверторі в якості підсилювача.

Кварцовий генератор за схемою (мал. 2.6) працює так само, як мультивибратор з еміттерним зв’язком. Глибину позитивного зворотного зв’язку можна встановлювати, вимірюючи крутизну транзисторів за допомогою резисторів в ланцюгах емітерів. Опір резисторів обирають настільки великими, щоб схема іще впевнено генерировала, але не дуже сильно перевантажувалася. Тоді різниця вихідних напруг та, струм крізь кварцовий резонатор будуть приблизно синусоідальними. Відповідне автоматичне регулювання підсилення використовується, наприклад, в інтегральній мікросхемі МС12061.

Малюнок 2.6. Генератор на основі мультивібратора с еміттерним зв’язком.

Прецизіонний генератор с заземленим резонатором представлений на (мал.2.7). Щоб добротність кварцового генератора резонатора не погіршилась, джерело сигналу при послідовному резонансі повинно бути, по можливості, низькоомним. Цій меті служить емітерний повторювач, зібраний на ранзисторі Т1. Струм, що проходить крізь кварцовий резонатор Δl, після проходження крізь перетворювач струм-напруга на транзисторі Т2 створює напругу ΔVC2 = ΔIR2. Сигнал позитивного зворотного зв’язку надходить з виходу емітерного повторювача на транзисторі Т4 на базу повторювача на Т1. На частоті послідовного резонанса кварцового резонатора збільшується крутизна транзистора Т1 та, разом з нею, коефіцієнт підсилення схеми при замкнутому ланцюгу зворотного зв’язку. Аттенюатор R5, R6 встановлюють таким чином, щоб змінна напруга на кварцовому резонаторі складала не більше 10мВ. Тоді потужність, що розсіяна в кварцовому кристалі, буде настільки малою, що стабільність частоти не буде погіршуватися. Краще всього використовувати аттенюатор з електронним керуванням, наприклад примножувач крутизни, який за допомогою амплітудного регулятора встановлюють в необхідне положення.

Малюнок 2.7. Прецизіонний кварцовий генератор.

Кварцові резонатори для частот більше 30 МГц важко реалізуємі. Якщо виникає необхідність в генерації високих частот зі стабільністю, що відповідає кварцовим генераторам, можуть використовуватися або LC-генератори с низькочастотними стабільними кварцовими резонаторами, або схеми з кварцовими резонаторами, які працюють на вищих гармоніках.

Якщо розглядати представлену на (мал. 2.8) залежність реактивного опору кварцового резонатора від частоти, то видно, що вона володіє часними гармоніками резонанса. І також, для роботи кварцового резонатора на вищих гармоніках, необхідний підсилювач, коефіцієнт підсилення якого, поблизу бажаної частоти, був би максимальним. Цього можна досягти застосуванням додаткового LC-коливального контуру.

Малюнок 2.8. Типова частотна залежність комплексного опору кварцових резонаторів.

Якщо ввести кварцовий резонатор в ланцюг позитивного зворотного зв’язку в схему генератора Хартлея, виходить схема, що представлена на (мал. 2.9).

Малюнок 2.9. Схема генератора Хартлея з кварцовим резонатором.

LC-коливальний контур налаштовується на бажану гармоніку. Тоді для цієї частоти коефіцієнт підсилення буде найбільшим, і кварцовий резонатор буде збуджуватись відповідною гармонікою. Схема модифікованого генератора Колптиця представлена на (мал. 2.11).

Генератор з кварцовим резонатором в ланцюгу позитивного зворотного зв’язку зображений на (мал. 2.11). На частоті рез онанса LC-коливальний контур взаємодіє по ланцюгу позитивного зворотного зв’язку з бажаними гармоніками кварцового резонатора. Найпростіша реалізація необхідного високочастотного підсилювача отримується при використанні елемента ЕСЛ (Емітерно зв’язані логічні елементи). В першу чергу, для цього придатний приймач з лінії, так як у нього опорний потенціал по відношенню до VBB керується з зовні. Якщо коливальний контур підключений, як показано на мал. (2.12), режим підсилення відповідає оптимальній робочій точці. Конденсатор С1 служить коротким замиканням для VBB лише на високих частотах. Вихідне напруження в першому приближенні має синусоїдальну форму. Якщо потрібна прямокутна форма ЕСЛ-сигналу, то в подальшому необхідно використовувати приймач з лінії в режимі переключення.

Малюнок 2.11. Схема генератора Колптиця з кварцовим резонатором.

Малюнок 2.12. Генератор с емітерним зворотнім зв’язком та кварцовою стабілізацією частоти.

2.3 Обґрунтування елементної бази.

Принципова електрична схема генератора представлена на (мал.2.13).

Малюнок 2.13. Принципова електрична схема LC автогенератора з трансформаторним зворотнім зв’язком.

В цьому генераторі в якості підсилювального елемента використовується транзистор VT1 включений за схемою з загальним еміттером. Навантаженням транзистора є паралельний коливальний контур L2 C2. Цей контур використовується як коливальна система, за допомогою якої формуються коливання, та як вибірковий ланцюг, від якого залежить частота й форма коливань. Катушки індуктивності L1 та L2 утворюють високочастотний трансформатор. Крім того котушка L1 є елементом зворотного зв’язку, за допомогою якого коливання подаються на базу транзистора. Резистори R1 та R2 утворюють дільник напруги. За його допомогою на транзистор подається напруга зміщення U0, яким задається полож ення робочої точки на вольт-амперній характеристиці. Резистор R3 є температурною стабілізацією транзистора. Також R3 з конденсатором C4 утворює ланцюг автоматичного зміщення, який здійснює переключення генератора з м’якого режиму самозбудження в жорсткий. Конденсатори С1 та С3 є розділовими, та відділяють постійну складову струму живлення від змінної складової коливань. Електроживлення генератора здійснюється від джерела Ек.

Принцип дії генератора полягає в наступному. При включенні джерела живлення Ек виникає заряд конденсатора C2, який потім розряджається на L2. Таким чином, в контурі з’являються коливання. Ці коливання, за рахунок ЕДС взаємоіндукції, збуджують змінну напругу в котушці L1, яка разом з напругою зміщення U0 поступає на базу транзистора. За рахунок підсилювальних якостей, коливання, що виникли, наростають. По мірі наростання амплітуди коливань зростає струм бази транзистора. Постійна складова цього струму створює падіння напруги на R3 (змінна складова цього струму проходить крізь конденсатор С4). В наслідок цього, напруга зміщення, що подається на транзистор, зменшується. Зменшення U0 приводить до зміщення робочої точки вниз по характеристиці, і генератор переходить в жорсткий режим самозбудження. Коливання зростають до значення точки стійкої рівноваги, та потім генератор переходить в стаціонарний режим роботи.

Умови балансу амплітуд виконуються за рахунок підсилювальних якостей транзистора. Умова балансу фаз виконується за рахунок транзистора включеного за схемою із загальним емітером (здійснює зсув фази на 180°) та котушок індуктивності L1 та L2 (при подібному включенні, кожна котушка здвигає фазу на 90°).

Частота коливань які виробляються даним автогенератором визначається:

wг=l(sqlrt(L2С2)) (2.1)

Амплітуда генерованих коливань визначається виразом:

Umвых=Im1*wг*L2 (2.2)

Коефіцієнт зворотного зв'язку визначається виразом:

Кзз=М/L2 (2.3)

де М — взаємна індуктивність між котушками L1 и L2.

Умови самозбудження генератора визначаються нерівністю:

М(sqrt(L2C2 * QSдиф))>1 (2.4)

де Q — добротність коливального контуру;

Sдиф — диференціальна крутизна вольт-амперної характеристики посилюючого елементу.

2.4 Принцип роботи блоку.

Відомо, що при генерації низькочастотних синусоїдальних коливань досить важко забезпечити стабілізацію амплітуди. Набагато простіше формувати за допомогою тригера Шмітта і інтегратора змінну напругу трикутної форми. Надалі трикутні коливання можна перетворити в синусоїдальні. Так як при цьому методі одночасно виходять трикутні, прямокутні і синусоїдальні коливання, можна привести схеми, які працюють на цьому принципі як генератори функцій. Структурна схема такого пмал.трою представлена на (мал. 2.14).

Принцип його дії полягає в тому, що на вхід інтегратора подається напруга постійної величини, позитивної або негативної полярності, залежно від того, в якому напрямку вхідна напруга інтегратора має змінитися. Коли вихідна напруга інтегратора досягає порогу включення і відповідно виключення тригера Шмітта, полярність напруги на вході інтегратора змінюється на протилежну. Наслідком цього буде поява на виході інтегратора напруги трикутної форми, розмах якого визначаться рівнями спрацьовування тригера Шмітта.

Малюнок 2.13. Структурна схема функціонального генератора.

Є дві різні можливості реалізації схеми, що відрізняються способом інтегрування. У схемі на (мал. 2.14) на вході інтегратора встановлюється залежно від положення аналогового ключа постійна напруга + Ue або -Ue. У схемі на (мал. 2.15) точки +Ie і, відповідно, -Ie через аналоговий ключ заряджають конденсатор С. Внаслідок цього, формується лінійно, змінюється в часі підйом, і, відповідно, спад напруги. Напруга трикутної форми, яка вирізняється на конденсаторі, як правило, потребує перетворювача повних опорів. Перевага цього методу полягає ще й у тому, що для більш високих частот можна легше реалізувати перетворювач повних опорів і перемикач струму.

Малюнок 2.14. Функціональний генератор з інтегратором.

Малюнок 2.15. Функціональний генератор з джерелом постійного струму.

2.5. Практична реалізація.

Найпростіше застосування розглянутого на (мал. 2.14) принципу побудови генератора полягає у використанні в якості вхідної напруги інтегратора вихідної напруги тригера Шмітта. Така схема показана на (мал. 2.16). Вона характеризується наступними основними характеристиками.

- Частота:

- Амплітуда:

Тригер Шмітта видає постійну величину вихідної напруги, яка інтегрується інтегратором. Якщо його вихідна напруга перевищує рівень спрацьовування тригера Шмітта, останній негайно перемикається і змінює знак UR. Внаслідок цього зміна полярності напруги на виході інтегратора в протилежному напрямку призводить до перемикання тригера в зворотній стан. Щоб позитивний і негативний рівні результуючого сигналу були однакової величини, компаратор повинен володіти максимально симетричним вихідною напругою

± UR max. Тоді для коливань трикутної форми їх амплітуда складе:

(2.5)

Період коливань повинен дорівнювати чотириразовому відрізку часу, коли інтегратор змінює вихідна напруга від нуля до. При цьому воно буде дорівнювати:

(2.6)

Мал. 2.16. Схема простого функціонального генератора.

Генератор характеризується наступними основними характеристиками:

- Частота:

- Амплітуда:

Керований перемикач струму складається з транзисторів Т1... Т2. До тих пір поки керуючий сигнал має низький рівень (х = L), конденсатор С буде розряджатися струмом I через транзистор Т1. Коли напруга трикутної форми подолає значення -1В, перекидається прецизійний тригер Шмітта, реалізований за схемою, наведеною на (мал. 2.17), і керуючий сигнал приймає високий рівень (х = Н). Внаслідок цього Т3 закрив ається, і генератор струму на транзисторі Т2 включається. Він створює подвоєний струм через Т1, а саме 2I. Конденсатор С заряджається струмом I без необхідності вимикання транзистора Т1.

Коли напруга трикутної форми перевершить верхній рівень спрацьовування

+ 1В, тригер Шмітта повертається в стан, при якому х = L, і конденсатор С буде знову розряджатися. Для реалізації прецизійного тригера Шмітта призначений подвійний компаратор NE521 фірми Sighntics, оскільки обидва вже містять необхідні вентилі. Крім того, цей компаратор має малий час перемикання, всього близько 8 нс, що дає можливість генерації частот аж до декількох мегагерц. Перетворювач повних опорів на (мал.2.15) необхідний тільки тоді, коли потрібно подавати напругу трикутної форми на низькоомне навантаження. Підключення в схемі компаратори практично не спотворюють напруга трикутної форми.

Малюнок 2.17. Швидкий функціональний генератор з перемикачем струму і компаратором високої точності.

3 Розрахункова частина.

3.1 Розрахунок автогенератора.

Електричний розрахунок автогенератора включає в себе енергетичний розрахунок і розрахунок коливальної системи. При енергетичному розрахунку слід враховувати особливості транзисторів, які проявляються на високих частотах.

Принципова схема автогенератора заданого типу наведена на (мал. 3.1).

Малюнок 3.1. Принципова схема автогенератора.

Вибір транзистора.

Вибираємо транзистор беручи до уваги умови:

Гранична частота транзистора.

(3.1)

(3.2)

Відповідно до даних рівнянь вибираємо транзистор типу КТ363А, у якого:

(3.3)

(3.4)

(3.5)

(3.6)

Розрахунок елементів схеми.

- обраний кут відсічки колекторного струму.

- коефіцієнт розкладання Берга.

- коефіцієнт розкладання Берга.

(3.7)

- напруга джерела живлення (стандартна).

; (3.8)

Де – крутизна лінії критичного режиму вихідних характеристик транзистора.

- коефіцієнт використання джерела живлення.

Визначаємо амплітуду напруги на навантаженні колекторнго ланцюга:

(3.9)

Визначаємо амплітуду першої гармоніки струму колектора:

(3.10)

Визначаємо модуль еквівалентного опору навантаження генератора в критичному режимі:

(3.11)

Визначаємо амплітуду імпуль су струму колектора:

(3.12)

Визначаємо постійну складову струму колектора:

(3.13)

Визначаємо потужність, споживану від джерела живлення:

; (3.14)

Визначаємо потужність, що розсіюється на колекторі транзистора:

(3.15)

Перевіряємо умову по допустимої потужності транзистора:

(3.16)

Умова виконується.

Визначаємо середню крутизну прохідної характеристики транзистора:

(3.17)

Визначаємо коефіцієнт позитивного зворотного зв'язку (з умови балансу амплітуд):

(3.18)

Визначаємо хвильовий (характеристичний) опір контуру:

(3.19)

де - ємність контуру (вибираємо довільно).

Визначимо індуктивність контуру з формули:

(3.20)

(3.21)

- індуктивність контуру.

- характеристичний опір контуру.

(3.22)

- розраховане значення активного опору контуру.

- прийняте значення активного опору контуру.

Визначаємо значення ємності схеми, вирішуючи систему рівнянь:

(3.23)

- значення ємності (стандартне значення).

- значення ємності (стандартне значення).

Визначаємо амплітуду напруги на базі транзистора:

(3.24)

- напруга на базі транзистора.

Визначаємо необхідне зміщення на базі транзистора:

(3.25)

- необхідне зміщення на базі транзистора.

Далі розраховується опір подільника бази:

(3.26)

- постійний струм бази.

- прийняте значення опору дільника.

(3.27)

- струм дільника.

(3.28)

- розраховане значення опору R2.

- обране значення опору R2.

(3.29)

- розраховане значення опору R1.

Значення ємності конденсатора C3 обирається за умови:

(3.30)

Де:

(3.31)

(3.32)

- резонансна частота контуру.

- добротність контуру (виб

Дата добавления: 2015-09-29