ГЕНЕРИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ

12.1. Виды генераторов и их характеристики

В различных областях электронной техники широко используются в качестве отдельных приборов и как встроенные в аппаратуру устройства генераторы переменных сигналов. Они классифицируются по различным признакам:

- по диапазону частот – генераторы низких (до 300 кГц), высоких (от 300 кГц до 30 МГц) и сверхвысоких (выше 30 МГц) частот;

- по мощности – малой (до 30 мВт), средней (от 30 мВт до 3 Вт), большой (от 3 Вт до 1 кВт) и сверхбольшой (выше 1 кВт);

- по относительной нестабильности частоты формируемых сигналов ( , - фактическая частота, - заданная частота сигнала генератора) различают генераторы с высокой ( ), малой ( ) и сверхмалой ( ) нестабильностью частоты;

- по форме сигналов – генераторы гармонических сигналов, импульсные генераторы (с различной формой импульсов), генераторы сигналов специальной формы, генераторы шумовых сигналов;

- по принципиальной схеме – RC и LC генераторы, генераторы по схеме емкостной трехточки, мультивибраторы и т. д.;

- по способу возбуждения колебаний – самовоз-буждающиеся генераторы (автогенераторы), в которых колебания возникают при включении питания и генераторы с внешним возбуждением, в которых для возникновения колебаний требуется внешний запускающий сигнал.

Выходной сигнал генератора характеризуется частотой повторения, амплитудой (действующим значением), длительностью (для импульсных сигналов) и другими параметрами.

12.2. Структурная схема генератора гармонических колебаний, условия баланса амплитуд и фаз

Генератор представляет собой электронный усилитель с положительной обратной связью. Структурная схема генератора показана на рис. 12. 1. В его состав входят усилитель напряжения с комплексным коэффициентом передачи и четырехполюсник обратной связи Рис. 12.1

с коэффициентом пере-

дачи .

Выходное гармоническое напряжение с комплексной амплитудой через цепь обратной связи как напряжение поступает на вход усилителя ( ), суммируясь с его эквивалентными шумами на частоте с комплексной амплитудой .

В момент начала работы генератора (включения питания) и на входе усилителя присутствует только малое шумовое напряжение . Оно усиливается и появляется на выходе со значением , а на выходе четырехполюсника обратной связи (на входе усилителя) возникает напряжение . Очевидно, что для нарастания амплитуды колебаний на входе (выходе) генератора необходимо выполнение условия, называемого условием самовозбуждения генератора

. (12.1)

Как видно, для возникновения автоколебаний необходима положительная обратная связь с глубиной больше единицы (обычно ее выбирают равной 2-3). На рис. 12.2 показан полученный в результате моделирования пример временной диаграммы возникновения колебаний в гармоническом автогенераторе. Если условие самовозбуждения (12.1) не выполняется, то автоколебания не возникают.

Рис. 12.2

Если условие (12.1) выполняется, то с ростом амплитуды колебаний усилитель переходит в нелинейный режим, коэффициент усиления становится зависимым от амплитуды колебаний на выходе усилителя и с ее ростом падает. Стационарный режим работы гармонического автогенератора описывается уравнением

, (12.2)

которое распадается на два условия:

- баланса амплитуд

, (12.3)

- баланса фаз

, (12.4)

где - любое целое число.

Решение системы уравнений (12.3), (12.4) позволяет определить амплитуду и частоту автоколебаний. Часто оказывается, что уравнение (12.4) слабо зависит от амплитуды выходного напряжения, тогда из него можно приближенно определить частоту генерации , используя малосигнальное значение коэффициента усиления ,

. (12.5)

Чаще всего решение (12.5) ищется при .

12.3. Автогенераторы LC типа

Генераторы гармонический сигналов в диапазоне средних и высоких частот чаще всего строятся на основе резонансного усилителя. Вариант схемы такого автогенератора (рис. 11.17) с трансформаторной связью показан на рис. 12.3.

Частота колебаний генератора приближенно равна резонансной частоте контура

. (12.6)

Рис. 12.3

Нелинейные свойства усилительной части генератора (транзистора) описываются в соответствии со структурной схемой на рис. 12.4 колебательной характеристикой - зависимостью первой гармоники тока коллектора от амплитуды напряжения база – эмиттер на частоте генерации (не показаны цепи, обеспечивающие требуемый режим по постоянному току).

Рис. 12.4

На рис. 12.5а показан пример колебательной характеристики (кривая линия) в мягком режиме возбуждения (самовозбуждения). Он имеет место, если рабочая точка транзистора выбрана в линейной области динамических ВАХ (как в резистивном усилителе). Прямой линией показана зависимость для линейной части цепи (линия обратной связи).

Рис. 12.5

Прямая 2 соответствует выполнению условия самовозбуждения (12.1), при этом имеются две точки пересечения ее и колебательной характеристикой. В точке 0 имеется неустойчивое равновесие электронной системы и при любом отклонении от нуля напряжения ( на рис. 12.6) за счет внутренних шумов возникнет первая гармоника тока коллектора , которая приведет к росту напряжения , что в свою Рис. 12.6

очередь вызовет рост

(рис. 12.6). Рост будет продолжаться до стационарного значения в точке А.

В точке А имеет место устойчивое состояние электронной системы. При отклонении амплитуды колебаний на величину на рис. 12.6 амплитуда тока изменяется так, что амплитуда стремится к стационарному значению.

Прямая 1 на рис. 12.5а соответствует случаю невыполнения условия самовозбуждения (12.1), при этом имеется единственная точка 0 устойчивого равновесия системы, и при любом отклонении от нуля система возвратится в состояние покоя (проведите анализ самостоятельно).

На рис. 12.5б показан пример колебательной характеристики (кривая линия) в жестком режиме возбуждения, который имеет место, если рабочая точка размещается в начале входной динамической ВАХ (напряжение смещения мало). В этом случае при включении питания автоколебания не возникают, и для их появления необходим внешний запускающий импульс. Прямыми линиями показаны зависимости для линейной части цепи при выполнении (прямая 2) и невыполнении (прямая 1) условия возбуждения (12.1). Для прямой 2 имеется три точки пересечения с колебательной характеристикой, из которых точки 0 и А устойчивы, а точка B - неустойчива (проверьте это самостоятельно).

Условие самовозбуждения (12.1) обеспечивается соответствующим выбором коэффициента связи (взаимной индуктивности M) катушек L и .

Наличие высокочастотного трансформатора L, . является существенным технологическим недостатком автогенератора на рис. 12.3. На практике проще генератор по схеме емкостной трехточки, показанный на рис. 12.7а. И нем транзистор включен в схеме с общим коллектором. Резисторы обеспечивают режим работы каскада по постоянному току и могут выбираться из рассмотренных ранее соображений.

Рис. 12.7

Колебательная система генератора показана отдельно на рис. 12.7б. Транзистор подключен к ней в трех точках (К – коллектор, Э – эмиттер и Б – база), чем и обусловлено название схемы автогенератора. Коэффициент связи транзистора с контуром рис. 12.7б равен

, (12.7)

с его увеличением повышается глубина положительной обратной связи. Обычно величину выбирают в интервале . При больших повышается уровень нелинейных искажений выходного сигнала.

Частота автоколебаний определяется выражением

. (12.8)

Проведем схемотехническое моделирование автогенератора по схеме емкостной трехточки (рис. 12.8).

Рис. 12.8

На рис 12.9 показаны временные диаграммы выходного напряжения (вверху) и тока коллектора транзистора (внизу).

Рис. 12.9

Как видно, в начале наблюдается переходной процесс нарастания амплитуд колебаний, которые имеют гармонический характер. После достижения минимальными значениями тока коллектора нулевого уровня транзистор переходит в нелинейный режим отсечки тока, ток коллектора становится импульсным и рост его первой гармоники замедляется. Далее генератор постепенно переходит в стационарный режим и на его выходе формируются близкие к гармоническим колебания с постоянной амплитудой (при импульсном токе коллектора это обусловлено фильтрующими свойствами колебательного контура). Частота колебаний генератора в модели на рис. 12.8 равна 164,3 кГц (расчетное значение 160,7 кГц).

12.4. Автогенераторы RC типа

В области низких частот (например, 1 кГц) в LC генераторах необходимо использовать большие индуктивности и емкости, что технологически неудобно, прежде всего из-за значительных габаритов. В этом случае применяются схемы RC генераторов, в которых используются усилитель с резистивно–емкостными связями и частотозависимые RC цепи (фазовращатели). На рис. 12.10 показана модель (и схема) RC генератора. В его состав входят эмиттерный повторитель на транзисторе Q1, усилитель с резистивно – емкостными связями на транзисторе Q2 и RC фазовращатель ( ).

На рис. 12.11 показана временная диаграмма напряжения на выходе генератора (на коллекторе транзистора Q2). Частота колебаний равна 5 кГц. Как видно, форма колебаний заметно отличается от гармонической (релаксационные колебания), что обусловлено плохими фильтрующими свойствами усилителя и цепи обратной связи.

Для улучшения формы колебаний в RC генераторах используют цепи авторегулирования, которые уменьшают усиление по мере роста амплитуды колебаний.

Рис. 12.10

Рис. 12.11

Генератор можно реализовать на основе операционного усилителя, пример его схемы и модели показан на рис. 12.12а, а на рис. 12.13 приведена временная диаграмма выходного напряжения ОУ.

Генератор содержит усилитель на базе ОУ, в цепь положительной обратной связи которого включен мост Вина (рис. 12.12б).

Рис. 12.12

Рис. 12.13

Проведите исследование приведенных схем самостоятельно.

12.5. Импульсные генераторы

В электронной технике широко применяются генераторы импульсов различной формы. Наиболее распространены генераторы прямоугольных импульсов различного типа на дискретных транзисторах и интегральных схемах.

На рис. 12.14 показана модель транзисторного мультивибратора, а на рис. 12.15 - временные диаграммы выходных напряжений на коллекторах транзисторов.

Рис. 12.14

Рис. 12.15

Фактически мультивибратор представляет собой два резистивных усилителя, у каждого из которых выход соединен через емкость с входом другого (при этом обеспечивается положительная обратная связь). Так как усилители широкополосные, то форма колебаний далека от гармонической. На коллекторах транзисторов присутствуют противофазные последовательности прямоугольных импульсов.

Импульсный генератор можно реализовать на операционном усилителе, как показано в модели на рис. 12.16. Временные диаграммы выходного напряжения ОУ приведены на рис. 12.17.

Рис. 12.16

Рис. 12.17

13. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

13.1 Структурная схема источника питания

Для питания электронных устройств необходим источник электрической энергии (источник питания), чаще всего источник постоянного напряжения.

Для питания переносной аппаратуры используют электрические батареи или аккумуляторы. Стационарная аппаратура чаще всего питается от силовой сети переменного тока с частотой 50 Гц и действующим значением напряжения 220 В.

Высокое переменное напряжение чаще всего непригодно для непосредственного использования и его необходимо преобразовать в постоянное напряжение, обычно с типовыми значениями напряжения питания полупроводниковой аппаратуры В. Структурная схема простого сетевого источника питания показана на рис. 13.1.

Рис. 13.1

Напряжение силовой сети (которое присутствует в домашней розетке) подается на силовой трансформатор, представляющий собой несколько обмоток (катушек индуктивности) на общем сердечнике (магнитопро-

Рис. 13.2 воде), изготовленном из пластин

трансформаторного железа, как условно показано на рис. 13.2.

На первичную обмотку подается напряжение силовой сети , а с вторичной обмотки (их может быть несколько) снимается переменное напряжение с требуемым действующим значением (например, 15 В). Магнитопровод обеспечивает «замыкание» силовых линий магнитного поля.

Выпрямитель преобразует двухполярные импульсы тока во вторичной обмотке трансформатора в однополярные (положительные или отрицательные), которые поступают в сглаживающий фильтр, на выходе (емкости) которого формируется постоянное напряжение. Выходное напряжение фильтра пропорционально напряжению силовой сети и изменяется при его колебаниях (от до ). Если подобное непостоянство напряжения питания недопустимо, то напряжение с выхода сглаживающего фильтра подается на электронный стабилизатор, формирующий стабильное напряжение питания при наличии изменений сетевого напряжения.

13.2. Выпрямитель

Различают две основных схемы выпрямителя - однополупериодную (рис. 13.3а) и двухполупериодную (рис. 13.3б).

Рис. 13.3

Сетевое напряжение с действующим значением 220В подается на первичную обмотку силового трансформатора Тр.

На его вторичной обмотке (или двух вторичных обмотках) формируется пониженное переменное напряжение , поступающее на выпрямитель, построенный на одном или двух полупроводниковых силовых диодах.

Рассмотрим однополупериодный выпрямитель (рис. 13.3а). Расчет этой нелинейной цепи, эквивалентной показанной на рис. 8.2, можно провести численным или графоаналитическим методом (повторите соответствующий материал). В результате нетрудно получить временные диаграммы входного напряжения выпрямителя , тока диода и напряжения на нагрузке , показанные на рис. 13.4а. Как видно, за счет вентильных свойств полупроводникового диода VD выпрямитель из гармонического сетевого напряжения формирует однополярные импульсы напряжения на нагрузке только в течение половины периода, чем и обусловлено его название. Во второй половине периода сетевого напряжения мощность в нагрузку не передается, что является существенным недостатком рассматриваемой схемы.

Рис. 13.4

Для получения отрицательных напряжений необходимо изменить на обратное включение диода VD.

Существенно лучшими характеристиками обладает двухполупериодный выпрямитель, схема которого показана на рис. 13.3б. Аналогично предыдущему нетрудно получить временные диаграммы его токов и напряжений, показанные на рис. 13.4б. Как видно, для положительной полуволны сетевого напряжения открыт диод VD1 и закрыт VD2, а для отрицательной – наоборот. В результате в нагрузке суммируются токи диодов и напряжение на ней возникает для каждой полуволны сетевого напряжения, что удваивает передаваемую в нагрузку мощность.

Недостатком рассмотренной двухполупериодной схемы выпрямителя является необходимость двух одинаковых вторичных обмоток. Его лишена мостовая схема выпрямителя, показанная на рис. 13.5.

Рис. 13.5

При положительной полуволне сетевого напряжения («+» в точке A и «-» в точке B) открыты диоды VD₁ и VD₂ (они соединены последовательно с нагрузкой и через них протекает импульс тока ) и закрыты диоды VD₃ и VD₄. При отрицательной полуволне («-» в точке A и «+» в точке B) открыты диоды VD₃ и VD₄ (через них протекает импульс тока ) и закрыты диоды VD₃ и VD₄.

Временные диаграммы токов и напряжений те же, что и на рис. 13.4б при замене и .

13.3. Сглаживающий фильтр

Сглаживающий низкочастотный фильтр предназначен для преобразования пульсирующего напряжения на нагрузке (рис. 13.4) в постоянное. Он включается между выпрямителем и нагрузкой. Простейшие типы фильтров показаны на рис. 13.6.

Рис. 13.6

Рассмотрим работу однополупериодного выпрямителя и С-фильтра, схема цепи показана на рис. 13.7а, ее модель - на рис. 13.7б. На рис. 13.8 представлены результаты схемотехнического моделирования работы выпрямителя.

Рис. 13.7

В верхней части рис. 13.8 приведены временные диаграммы напряжений на вторичной обмотке трансформатора

с амплитудой 15 В (гармоническая кривая) и на нагрузке - постоянное напряжение с «пилообразной» компонентой, которую называют пульсациямиот 14,25 В до11,92 В, при этом изменение напряжения на нагрузке (амплитуда пульсаций) равно 2,33 В.

Рис. 13.8

В нижней части рис. 13.8 показаны временные диаграммы токов диода (импульсная кривая) и тока нагрузки А (практически постоянная линия).

При положительной полуволне напряжения возникает импульс тока диода (первый раз большой, а в последующем их амплитуда падает), который заряжает конденсатор сглаживающего фильтра. После его прекращения конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки, при этом напряжение на нем медленно падает до появления следующего импульса тока. Частота пульсаций равна 50 Гц.

В двухполупериодном выпрямителе (проведите его моделирование самостоятельно) импульсы тока возникают в два раза чаще, частота пульсаций становится равной 100 Гц и их амплитуда уменьшается, то есть выпрямитель работает лучше.

Использование более сложных фильтров уменьшает пульсации. Фильтры типа RC (рис. 13.6б) применяются в маломощных выпрямителях с малыми токами нагрузки. Фильтры типа LC (рис. 13.6в) сложнее и дороже (требуется большая индуктивность L – дроссель), однако их эффективность значительно выше, особенно в мощных выпрямителях.

Выходное напряжение выпрямителя изменяется прямо пропорционально сетевому напряжению. Для устранения этого недостатка и резкого снижения амплитуды пульсаций между выпрямителем и нагрузкой включают электронный стабилизатор напряжения.

13.4. Электронный стабилизатор

Электронные стабилизаторы напряжения делятся накомпенсационные и импульсные.

Структурная схема компенсационного стабилизатора показана на рис. 13.9. Регулирующий элемент (проходной транзистор) компенсирует разницу между входным и выходным напряжением. Схема управления сравнивает выходное напряжение с фиксированным заданным

Рис. 13.9 значением от источ-

ника опорного напряжения (выделяет их разность), усиливает разностный сиг-

нал и управляет регулирующим элементом, ее питание осуществляется от входного нестабильного напряжения.

Простейшая схема компенсационного стабилизатора показана на рис. 13.10а.

Рис. 13.10

Источником опорного напряжения является стабилитрон VD (повторите необходимый материал). Управляющее напряжение между базой и эмиттером проходного транзистора VT1 равно разности опорного и выходного напряжений и поддерживается транзистором на постоянном уровне В в зависимости от типа транзистора и значения сопротивления R. Например, с ростом входного напряжения начинает возрастать и выходное, однако при этом уменьшается и транзистор начинает закрываться, что приводит к падению выходного напряжения до требуемого уровня (вариант падения входного напряжения рассмотрите самостоятельно).

Таким образом, проходной транзистор компенсирует избыток входного напряжения по сравнению с требуемым выходным напряжением, которое определяется напряжением стабилизации стабилитрона. Очевидно, что входное напряжение должно быть больше выходного на несколько вольт.

Модель рассмотренного стабилизатора (с выпрямителем) показана на рис. 13.10б.

Временные диаграммы напряжений на входе выпрямителя , выходе выпрямителя (входе стабилизатора) , на нагрузке (выходе стабилизатора) и на проходном транзисторе (между коллектором и эмиттером) показаны на рис. 13.11 (сравните их с приведенными в верхней части рис. 13.8).

Рис. 13.11

Как видно, в установившемся режиме напряжение на нагрузке практически постоянно, пульсации отсутствуют.(они скомпенсированы стабилизатором – изменением напряжения ).

При изменении входного напряжения стабилизатора в области выходное напряжение мало изменяется, о чем свидетельствует полученная в ходе моделирования зависимость , показанная на рис. 13.12.

Рис. 13.12

Недостатком компенсационных стабилизаторов является большая мощность рассеивания на проходном транзисторе, особенно при большом токе нагрузке и значительной разнице между входным и выходным напряжениями. При этом снижается коэффициент полезного действия (КПД) стабилизатора, равный отношению выходной мощности к входной ,

. (13.1)

Например, при В, В и А на коллекторе транзистора рассеивается мощность 16 Вт и . Для отвода тепла необходимо использовать радиатор, что увеличивает габариты и усложняет конструкцию стабилизатора.

Высокий КПД обеспечивают импульсные стабилизаторы напряжения. Их структурная схема имеет вид рис. 13.9, но в этом случае регулирующий элемент (транзистор) работает в ключевом режиме (он либо открыт, либо закрыт). Переключение транзистора осуществляет импульсная схема управления, которая сравнивает выходное и опорное напряжения и выбирает такую длительность открывающего транзистор импульса, чтобы выходное напряжение на накопительной емкости оставалось постоянным. В ключевом режиме регулирующий транзистор потребляет небольшую мощность (практически только в моменты переключения), что позволяет получать высокие значения КПД ( ). Для улучшения технических характеристик используется накопительная индуктивность.

Развернутая функциональная схема импульсного стабилизатора показана на рис. 13.13, упрощенные временные диаграммы приведены на рис. 13.14.

Рис. 13.13

Выпрямитель выдает постоянное напряжение . Электронный ключ ЭК (транзистор) замыкается и размыкается по сигналу от схемы управления в виде последовательности прямоугольных импульсов (рис. 13.14), их высокий уровень замыкает ключ. При замыкании ключа ток от выпрямителя через индуктивность L протекает через нагрузку и за-

ряжает емкость C (диод VD закрыт).

После размыкания ключа ток индуктивности продолжает протекать в том же направлении (в соответствии с законом коммутации, рассмотренном при изучении переходных процессов) и начинает уменьшаться. При этом напряжение на индуктивности и на диоде меняет знак Рис. 13.14

и диод открывается. Таким

образом, энергия, накопленная индуктивностью в открытом состоянии ключа, дополнительно заряжает конденсатор C и передается в нагрузку.

Схема управления сравнивает выходное напряжение с опорным и при наличии отклонения изменяет длительность импульсов (этот процесс называют широтно-импульсной модуляцией – ШИМ), увеличение приводит к росту выходного напряжения. Частота импульсной последовательности обычно постоянна и составляет несколько десятков килогерц.

Электронная промышленность выпускает готовые интегральные схемы управления импульсными стабилизаторами.

Импульсные устройства стабилизации и преобразования постоянных напряжений создают помехи, которые могут оказывать влияние на работу чувствительной электронной аппаратуры (радиоприемных устройств, биомедицинских приборов), что является существенным недостатком импульсных стабилизаторов.