Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических (синусоидальных) колебаний или каких-либо иных - импульсных генераторов, генераторов колебаний специальной формы (прямоугольных, пилообразных, треугольных). Описание схем генераторов целесообразно начать с самых простых - релаксационных генераторов.
Релаксационный генератор
Устройство релаксационных генераторов очень простое - конденсатор заряжается от источника постоянного напряжения через резистор, а по достижению определенного напряжения быстро разряжается, и цикл начинается вновь, в итоге релаксационный генератор генерирует колебания пилообразной формы. Поясним работу релаксационного генератора на неоновой лампе (это газоразрядная лампа, в которой оптическое излучение возникает при электрическом разряде в атмосфере инертного газа (неона) под низким давлением), схема ниже.
Конденсатор С заряжается через резистор R, при достижении на нем напряжения Uз, достаточного для зажигания неоновой лампы Л, лампа зажигается, конденсатор начинает разряжаться; по достижении на нем напряжения гашения Uг лампа гаснет, вновь восстанавливается ее высокое сопротивление, и цикл повторяется. График напряжения на выходе схемы на рисунке справа. Напряжение зажигания неоновых ламп обычно находится в пределах 80-90 В, а напряжение гашения меньше на 20-40 В, таков и размах выходного напряжения генератора.
На постоянную составляющую выходного напряжения релаксационного генератора наложено переменное напряжение пилообразной формы, частота которого определяется параметрами лампы (ее напряжениями зажигания и гашения), напряжением источника питания и постоянной времени цепи RC.
Идея релаксационного генератора нами усвоена, сейчас нам достаточно знать, что существуют релаксационные генераторы и на полупроводниковых приборах.
Генератор на полупроводниковом триоде
Ниже схема генератора с трансформаторной связью, обычно не применяющаяся вследствие своей простоты и связанных с этим недостатков, но позволяющая понять принцип работы устройства.
Работы схемы основана на принципе положительной обратной связи.
Существует способ т.н. ударного возбуждения колебательного контура. В схеме выше при включении питания на колебательный контур LC подается импульс тока, и контур отзывается на это "звучанием" на своей резонансной частоте. Здесь полная аналогия с раскачиванием качелей, которым придали начальный толчок. Но как затухают колебания качелей, так затухли бы и колебания в контуре, если бы не были приняты специальные меры по его дальнейшей раскачке.
С катушкой контура L индуктивно связана катушка связи Lсв. (Обычно обе катушки располагаются на одном каркасе, с возможностью изменения коэффициента связи путем перемещения одной из катушек, взаимного сближения или удаления одной от другой, см. Урок 3).
Возникшие в контуре LC колебания передаются в катушку связи, а с нее в цепь базы транзистора Т. После усиления этих колебаний через ток коллектора оказывается воздействие на катушку L, и в зависимости от изменения тока коллектора колебания в катушке либо поддерживаются, либо затухают. Выбор одного из 2 вариантов развития событий зависит от того, какого рода обратная связь установилась между выходом схемы (током коллектора) и входом (током базы).
При отрицательной обратной связи (ООС), которая стремится стабилизировать работу охваченной связью системы, колебания быстро затухают (это и есть стабилизация). При положительной обратной связи (ПОС) система становится неустойчивой, в ней возникают колебания, величина которых ограничивается только напряжением питания, а частота определяется резонансными свойствами контура LC (колебания других частот просто не выделяются колебательным контуром и соответственно не могут передаться в цепь базы). Необходимый вид обратной связи (ПОС) выбирается правильным подключением концов катушки связи в цепь база-эмиттер. Неправильное подключение превращает ПОС в ООС, и колебания не возбуждаются.
Подобные схемы, усложненные цепями задания режима и цепями дополнительной стабилизации, находят широкое применение на практике. Ниже схема генератора с трансформаторной обратной связью, мгновенно узнаваемая как приведенная выше схема, усложненная известными вам элементами стабилизации режима каскада с ОЭ. Начала обмоток L и Lсв на схеме обозначены точками; подобное подключение гарантирует правильное задание обратной связи.
Единственное изменение - если катушку связи Lсв включить между базой и эмиттером, точку соединения резисторов Rб1 и Rб2 невозможно будет подключить к базе (которая по постоянному току заземлена катушкой связи), и для исключения этого катушка связи включена между точкой соединения резисторов Rб1 и Rб2 и базой, а "заземление" одного из выводов катушки связи по переменному току обеспечивается конденсатором Сб.
Индуктивная трехточка
Другая популярная схема генератора - "трехточка", емкостная или индуктивная. На рисунке ниже индуктивная трехточка.
В коллекторную цепь транзистора включена нижняя по схеме часть катушки L, а с верхней части снимается напряжение обратной связи, через конденсатор Ссв подаваемое на базу. Можете ли вы ответить, отчего напряжение на базу считается снимающимся с верхней части катушки, а не со всей катушки?
Условием запуска любой схемы генератора является правильная фазировка напряжения обратной связи, достаточный коэффициент усиления транзистора и правильный выбор коэффициента связи.
На практике применяются схемы генераторов на операционных усилителях (ОУ), урок 14, и транзисторах иной структуры, чем биполярные, что является темой последующих уроков.
Кварцевый генератор
Кварцевый генератор - это устройство, генерирующее колебания тактовой частоты с высокими показателями стабильности. В основе конструкции находится кварцевый резонатор - пластина из искусственного кварца, который относится к пьезоэлектрикам. (Пьезоэлектрики - это диэлектрики, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект)).
Кристаллы кварца производятся для использования на частотах от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. Ниже на рисунке кварцевый резонатор на частоту 20 МГц.
Кварцевый резонатор ведет себя как RLC схема, и обеспечивает как последовательный, так и параллельный резонанс. Частота последовательного резонанса на несколько килогерц ниже, чем параллельного. На корпусе резонатора указана частота его последовательного резонанса. Стабильность частоты кварцевого резонатора порядка одной стотысячной-одной десятимиллионной.
Небольшая дополнительная емкость, подключенная параллельно кристаллу, понижает частоту его колебаний. Конденсатор, подключенный последовательно с кристаллом, повышает частоту его колебаний.
Обратная связь в схеме генератора обычно осуществляется через усилитель, к которому подключается кварцевый кристалл. Ниже схема простого кварцевого генератора с т.н. "часовым" кварцем на частоту 32.768 Гц.
Подобные генераторы служат эталоном времени, обеспечивая высокую точность хода в наручных и настенных часах, будильниках, таймерах. Частота 32768 Гц выбрана оттого, что при делении на 15-разрядном двоичном счётчике (2^15 = 32768) получается точный интервал в 1 секунду.
Генератор с фазосдвигающей цепочкой
В Уроке 6 мы разобрали схему фазовращателя на 180°, что позволяет создать генератор частоты на инвертирующем каскаде, включив фазовращатель в цепь обратной связи.
Ниже аналогичная схема с 4-звенным фазовращателем, также обеспечивающим сдвиг фазы на 180° на определенной частоте.
Единственное, что следует усвоить - если фазовращатель обеспечивает сдвиг фаз на 180°, то для охвата каскада положительной обратной связью каскад должен быть инвертирующим, что и обеспечивает однокаскадный усилитель по схеме с ОЭ.
Генератор с мостом Вина
Мост Вина, по сути представляющий собой полосовой фильтр, на частоте своего максимального пропускания обладающий коэффициентом пропускания 1/3 без сдвига фаз, также рассматривался в Уроке 6.
Мост Вина также позволяет построить генератор частоты, но для охвата устройства ПОС, с учетом отсутствия сдвига фаз у моста Вина, усилительное устройство, охватываемое ОС, также не должно создавать сдвига фаз. Поскольку усилитель по схеме с ОЭ является инвертирующим, генератор строится на 2 каскадах усиления. Одна из подобных схем ниже.
Мост Вина образован резисторами R1, R3 и конденсаторами C1, C2. Как установлено выше, для запуска генерации необходимо 2 каскада усиления по схеме с ОЭ. Поскольку общий коэф. усиления 2 каскадов превышает требуемое значение 3, появляется возможность дополнительно охватить 2-каскадный усилитель цепью ООС (конденсатор С5 и резистор R6) для стабилизации частоты и амплитуды выходного сигнала.
Мультивибратор
Выше были описаны генераторы сигналов, к которым предъявляется требование генерации синусоидальных сигналов, и принимаются специальные меры для отсутствия искажений выходного сигнала.
Мультивибратор же - это генератор сигналов прямоугольной формы, одна из наиболее простых и надежных схем. В мультивибраторе на 2 транзисторах транзисторы работают в режиме переключения (Урок 11), схема мультивибратора ниже.
Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов по схеме с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого. Нагрузка левого по схеме транзистора - резистор R1, правого - телефон BF1, т.е. схема представляет собой "пищалку".
При подключении питания оба транзистора пропускают ток, поскольку на базы подается смещение через резисторы R2 и R3. Однако такое состояние неустойчиво, из-за наличия в схеме ПОС усилитель самовозбуждается, и на выходе появляется череда прямоугольных импульсов. Длительность каждого импульса пропорциональна постоянной времени, определяемой сопротивлением резистора в цепи базы и емкостью конденсатора. Ниже на графиках отображены формы напряжений на базах и коллекторах транзисторов мультивибратора.
Схемотехника для начинающих