Układy generacyjne. - Politechnika Wrocławska

Transkrypt

Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Układy generacyjne
Wrocław 2009
Wprowadzenie
GENERATORY – układy elektroniczne, które w kontrolowany sposób
przetwarzają energię źródła zasilania w drgania elektryczne o określonym
kształcie, częstotliwości i mocy przekazując je do obciążenia.
1
Rodzaje
Podział ze względu na stałość częstotliwości i mocy generowanych drgań:
⇒ generatory częstotliwości – duża stałość częstotliwości (wzorce f, wzbudnice
nadajników),
⇒ generatory mocy – duża moc wyjściowa i duża sprawność energetyczna bez
optymalizacji stałości częstotliwości.
Podział ze względu na sposób generacji drgań:
⇒ generatory przebiegu sinusoidalnego (analogowe),
⇒ generatory przebiegów niesinusoidalnego (prostokątny) – przerzutniki,
⇒ cyfrowe generatory DDS (bezpośrednia synteza cyfrowa - Direct Digital
Synthesis)
Parametry generowanych drgań
Częstotliwość generowanego przebiegu
Zakres przestrajania.
Stałość częstotliwości:
⇒ bezwzględna niestałość częstotliwości:
∆f (t ) = f (t ) − f 0
f0 – częstotliwość na początku obserwacji,
f(t) – częstotliwość w w chwili t obserwacji.
⇒ względna niestałość częstotliwości:
δf (t ) =
∆f (t )
f0
Dobowe stałości częstotliwości dla generatorów:
– atomowych
±(10-12 – 10-14),
– kwarcowych ±(10-6 – 10-10),
– LC
±(10-3 – 10-4),
– RC
±(10-2 – 10-3).
⇒ stałość częstotliwości – średnia względnych niestałości f mierzonych w czasie
T
doby lub roku:
∆f
1
=
f0
f0
∫ (df )dt
0
T
2
Parametry generowanych drgań
Wartość amplitudy.
Zawartość harmonicznych w nominalnych warunkach pracy.
Poziomy i widma fluktuacji amplitudy i fazy.
Moc i sprawność.
Generatory przebiegu
sinusoidalnego (analogowe)
Wrocław 2009
3
Wprowadzenie
Drgania sinusoidalne – podstawowy rodzaj drgań występujący w przyrodzie.
u (t ) = U sin (2πft + φ )
Drgania tego typu znajdują powszechne zastosowanie w urządzeniach nadawczoodbiorczych, w aparaturze kontrolno-pomiarowej, w systemach cyfrowych do
generacji wzorcowych przedziałów czasu.
Rodzaje generatorów
⇒ generatory sprzężeniowe – element aktywny objęty pętlą +SZ, dzięki czemu uzyskuje
się odtłumienie obwodu generacyjnego,
⇒ generatory dwójnikowe (generatory o ujemnej rezystancji) – element
o ujemnej rezystancji lub konduktancji wykorzystany jest do odtłumienia obwodu
generacyjnego.
typu N (np. dioda tunelowa)
Odtłumienie obwodu rezonansowego jest
możliwe jeśli w P0 wypadkowa
konduktancja obwodu równoległego jest
równa 0.
W odtłumionym (bezstratnym) układzie
rezonansowym
powstają
niegasnące
drgania, gdy:
GR < g u
ω0 = 2πf 0 =
1
LC
4
Rodzaje generatorów
⇒ generatory sprzężeniowe – element aktywny objęty pętlą +SZ, dzięki czemu uzyskuje
się odtłumienie obwodu generacyjnego,
⇒ generatory dwójnikowe (generatory o ujemnej rezystancji) – element
o ujemnej rezystancji lub konduktancji wykorzystany jest do odtłumienia obwodu
generacyjnego.
typu S (np. tranzystor lawinowy, tyrystor)
Odtłumienie obwodu rezonansowego jest
możliwe jeśli w P0 wypadkowa rezystancja
obwodu szeregowego jest równa 0.
W odtłumionym (bezstratnym) układzie
rezonansowym
powstają
niegasnące
drgania, gdy:
RS < ru
ω0 = 2πf 0 =
1
LC
Generatory sprzężeniowe
⇒ generatory LC,
⇒ generatory ze stabilizacją piezoelektryczną – kwarcowe,
⇒ generatory RC.
5
Warunek wzbudzenia drgań
Ogólny schemat blokowy generatora sprzężeniowego
wzmocnienie wzmacniacza bez SZ
U
k u ( jω ) = 2 = k u exp( jϕ u )
U1
transmitancja pasywnego czwórnika SZ
U
β u ( jω ) = β = β u exp ( jϕ β )
U2
transmitancja układu ze SZ
k u ( jω )
U
k f ( jω ) = 2 =
E g 1 − k u ( jω )β u ( jω )
U1
U2
Aby sprawdzić czy generator jest zdolny do generacji
drgań, należy:
– przerwać obwód SZ,
– obciążyć WY SZ rezystancją równa RWE wzmacniacza,
– podać na wzmacniacz napięcie U1,
– zmierzyć napięcie U2,
– generator jest zdolny do wytworzenia drgań gdy U1 = U2
(amplituda i faza)
U 1 ( jω ) = U 2 ( jω ) = β u ( jω )k u ( jω )U 1 ( jω )
Wzmocnienie w pętli SZ musi być zatem równe:
k u ( jω )β u ( jω ) = Re(k u β u ) + j Im(k u β u ) = k u β u exp[ j (ϕ u + ϕ β )] = 1
6
Warunek amplitudy:
k u β u = 1 = Re(k u β u ) = 1
drgania mogą być generowane wówczas, gdy wzmacniacz kompensuje tłumienie
wprowadzone przez obwód SZ (w praktyce warunek ≥ 1, gdyż nawet niewielkie
zmniejszenie wzmocnienia mogłoby prowadzić do zerwania drgań; warunek > 1
może powodować zniekształcenia UWY wynika to z nieliniowości wzmacniacza)
Warunek fazy:
Im(k u β u ) = 2πn,
lub
ϕ u + ϕ β = 2πn,
gdzie
n = 0,1,2...
drgania mogą być generowane wówczas, gdy napięcie wyjściowe jest w fazie
z napięciem wejściowym
Warunki generacji powinny być spełnione tylko dla jednej określonej częstotliwości.
Zapewnia się to z pewnym przybliżeniem przez odpowiedni dobór elementów RC lub LC.
Zasada działania generatora LC
ku
βu
7
Proces wzbudzenia drgań – miękkie
Proces narastania drgań i osiągania stanu ustalonego generatora można przedstawić w oparciu o ch-yki
przejściowe ku i β u . Nieliniowości elementów aktywnych powodują, że ch-yki wzmacniaczy są także
nieliniowe i zależne od klasy pracy wzmacniaczy. Ch-yka βu jest liniowa, jeśli jest on zrealizowany
z liniowych elementów pasywnych
Ch-yka wzmacniacza w początkowym okresie jest
liniowa (wzmacniacz klasy A, AB lub B).
Nawet dla małych amplitud napięcia ku β u >> 1.
Po załączeniu napięcia zasilania i przypadkowym
pobudzeniu (np. napięciem szumów) amplituda drgań
narasta od wartości początkowej U(0) do wartości
ustalonej U(∞) w pkt P, w którym ku β u = 1. Dalszy
wzrost amplitudy nie jest możliwy
Proces wzbudzenia drgań – twarde
Ch-yka wzmacniacza narasta dopiero po pewnej
wartości progowej napięcia U1 (wzmacniacz klasy C).
Przy małych amplitudach napięcia warunek generacji
nie jest spełniony ( k u < 1 / β u ).
Aby nastąpiło wzbudzenie drgań układ musi być silnie
pobudzony, np. przez podanie napięcia zasilania.
Amplituda drgań narasta od wartości początkowej
U(0) > 0 do wartości ustalonej U(∞) w pkt P, w którym
ku β u = 1.
8
Proces wzbudzenia drgań – ukł.autom.polaryzacji obw.wej.wzm.
Wzmacniacz selektywny pracuje w klasie C z dynamiczną
polaryzacją obwodu wejściowego.
Na początku wzmacniacz pracuje w klasie A – wzbudzenie
miękkie.
Pod wpływem narastającej amplitudy drgań wytwarza się
rosnące napięcie polaryzujące obwód wejściowy
wzmacniacza przesuwając punkt pracy wzmacniacza do
klasy C.
Generatory LC
Rodzaje
W generatorach LC stosuje się tranzystory bipolarne lub unipolarne, można je realizować
również na wzmacniaczach operacyjnych lub bramkach cyfrowych.
Połączenie elementu aktywnego z obwodem rezonansowym może być realizowane za
pomocą obwodów sprzęgających wykonanych jako transformatory, dzielniki
pojemnościowe lub indukcyjne.
Istnieją 3 podstawowe struktury generatorów LC (różne sprzężenie obwodu
rezonansowego
z elementem aktywnym)
– generator Colpitssa,
– generator Hartleya,
– generator Meissnera.
Na tej bazie powstało wiele innych odmian generatorów np.:
– generator Clappa odmiana Colpittsa,
– generatory kwarcowe (Pierce’a) odmiana Colpittsa i Hartleya.
9
Generatory LC
Rodzaje
Generator Colpitssa
Generator Hartleya
Generator Meissnera
gdy węzeł 1 uziemiony – konfiguracja OB. Lub OG; gdy węzeł 2 uziemiony – konfiguracja OE lub OS
Generatory LC
Warunki generacji – generator „trójpunktowy” - OG
Układ z elementem aktywnym (JFET) nieobciążającym obwód rezonansowy – konfiguracja OG
obwód rezonansowy to elementy X1, X2, X3,
G0 element reprezentujący straty obwodu,
Ponieważ OG nie zmienia fazy napięcia wyjściowego U3,
dzielnik X1, X2 musi się składać z reaktancji tego samego typu
aby podział U3 był bez zmiany fazy.
jeśli X1, X2 = XC to X3 = XL – generator Colpittsa
jeśli X1, X2 = XL to X3 = XC – generator Hartleya
Z warunku fazy wyznaczyć można częstotliwość drgań generatora (dla częstotliwości rezonansowej
ω0 obwód rezonansowy reprezentuje konduktancję G0)
X1 + X 2 + X 3 = 0
Z warunku amplitudy otrzymujemy:
k u 0 (ω 0 )β 0 (ω 0 ) = k u (ω 0 )
X1
≥1
X1 + X 2
10
Generatory LC
Warunki generacji – generator „trójpunktowy” - OG
k u 0 (ω 0 )β u (ω 0 ) = k u (ω 0 )
X1
≥1
X1 + X 2
Ponieważ ku(ω0) jest duże, to przy ku >> 1 warunek amplitudy jest łatwy do spełnienia nawet przy
X1 << X2, tj. przy:
C1 >> C2 dla Colpittsa,
L1 << L2 dla Hartleya.
Warunek ten jest szczególnie istotny dla tranzystorów bipolarnych, wówczas X1 jest bocznikowane
niewielką rwej tranzystora. Wpływ tej rezystancji będzie mały, gdy X1 << X2 oraz X1 << rwej.
Generatory LC
Warunki generacji – generator „trójpunktowy” - OS
Układ z elementem aktywnym (JFET) – konfiguracja OS, obciążenie GL
Układ OS odwraca fazę o 1800, zatem dzielnik X1, X2 powinien wnieść dalsze przesunięcie o 1800
tak aby była zgodność faz napięć U1 oraz U3. Słuszny jest zatem warunek fazy jak dla OG:
X1 + X 2 + X 3 = 0
11
Generatory LC
Konduktancję G0 można przetransformować do zacisków do których przyłączona jest GL
G0' =
G0
p2
p=
X2
X1 + X 2
Generatory LC
Dla częstotliwości rezonansowej (ω0) transmitancje ku i β u wynoszą:
k u (ω 0 ) =
β u (ω 0 ) =
−gm
g ds + G L + G0 / p 2
X1
X
1
= − 1 = 1−
X1 + X 3
X2
p
Zatem warunek amplitudy przyjmuje postać:

 1 
− gm
1 −  = 1
k u (ω 0 )β u (ω 0 ) = 
2 
/
g
+
G
+
G
p
p
L
0
 ds

Po przekształceniu:
p 2 (g ds + G L + g m ) − pg m +G 0 = 0
12
Generatory LC
Warunkiem powstania drgań w układzie jest, aby pierwiastki równania były rzeczywiste.
Otrzymujemy jeden pierwiastek:
p1 ≈
gm
g m + GL
Ponieważ:
p1 =
gm
X2
≈
X 1 + X 2 g m + GL
otrzymujemy warunek amplitudy:
X 1 GL
≈
X 2 gm
Generatory LC
Warunki generacji – generator Colpittsa, Hartleya
Warunki powstania drgań w układzie Colpittsa:
– amplitudy:
C2 GL
=
C1 g m
– fazy:
1
1
+
= ω 02 L
C1 C 2
Warunki powstania drgań w układzie Hartleya:
– amplitudy:
L1 G L
=
L2 g m
– fazy:
L1 + L2 =
1
ω 02 C
13
Generatory LC
Generator Hartleya – zasilanie szeregowe (WE)
Składowa stała
rezonansowego.
IC
płynie
przez
cewkę
obwodu
Połączenie obwodu rezonansowego z bazą tranzystora
oddzielone jest przez Cb sprzęgającą.
Na Cb po wytworzeniu się drgań pojawia się dodatkowe
napięcie przesuwające stopniowo pkt. pracy tranzystora
do pracy w klasie AB, B lub C.
Stała czasowa rozładowania Cb powinna być duża
w porównaniu z okresem drgań generatora.
Częstotliwość generowanych drgań
częstotliwości obwodu rezonansowego.
równa
jest
Generatory LC
Generator Hartleya – zasilanie równoległe (WE)
Składowa stała IC płynie przez dławik w.cz. a nie płynie
przez obwód rezonansowy (obwód równoległy).
Obwód rezonansowy zapewnia 1800 przesunięcia
fazowego (WE-kolejne 1800) – spełniony warunek fazy.
Częstotliwość generowanych drgań równa jest
Sposób zasilania stosowany szczególnie w generatorach
mocy, ponieważ przez dławik nie płynie prąd w.cz.
i zapewnione jest dzięki temu dobre dopasowanie źródła
zasilającego.
W układzie również występują małe straty mocy
w obwodzie zasilania.
Wada: trudność wykonania dławika tak by nie posiadał
własnych rezonansów.
14
Generatory LC
Generator Hartleya – zasilanie od strony emitera (WB)
Składowa stała IC płynie przez obwód rezonansowy. Sygnał
z obw.rezon. przez SZ (Ce) nie jest przesunięty w fazie – WB
nie zmienia fazy zatem mamy +SZ.
Częstotliwość generowanych drgań równa jest częstotliwości
obwodu rezonansowego.
Układ stosowany w generatorach małej mocy.
Generatory LC
Generator Hartleya
Przestrajanie (zmiana generowanej f) może być realizowane przez zmianę L lub C
(częściej stosowane).
Aby uzyskać dużą stałość częstotliwości (ograniczyć wpływ temperatury) należy
stosować obwód rezonansowy o dużej Q.
15
Generatory LC
Generator Colpittsa – zasilanie równoległe (WE)
Składowa stała IC płynie przez dławik w.cz. i nie płynie
przez obwód rezonansowy. Obwód rezonansowy zapewnia
1800 przesunięcia fazowego (WE-kolejne 1800) – spełniony
warunek fazy. Częstotliwość generowanych drgań równa jest
Sposób zasilania stosowany szczególnie w generatorach
mocy, ponieważ przez dławik nie płynie prąd w.cz.
i zapewnione jest dzięki temu dobre dopasowanie źródła
zasilającego.
W układzie również
w obwodzie zasilania.
występują
małe
straty
mocy
Wada: trudność wykonania dławika tak by nie posiadał
własnych rezonansów.
Generatory LC
Generator Colpittsa – zasilanie od strony emitera (WB)
Układ stosowany w generatorach małej mocy.
16
Generatory LC
Generator Colpittsa
Przestrajanie (zmiana generowanej f) może być realizowane przez zmianę L lub
jednoczesną zmianę C przy zachowaniu ich stałego stosunku.
Generatory LC
Generator Meissnera
Sprzężenie
obwodu
transformator
rezonansowego
poprzez
Rozcięcie pętli pozwala na określenie
wzmocnienia kuβ u.
Zakładając częstotliwość graniczną tranzystora
dużo większa od częstotliwości generacji
można przyjąć, że ywej tranzystora ma ch-er
rzeczywisty.
Obwód LC dla częstotliwości rezonansowej:
f0 =
Model liniowy z rozcięta pętlą SZ
1
2π LC
można zastąpić konduktancją dynamiczną G0
G0 =
ω0C
Q
Q – dobroć układu
17
Generatory LC
Generator Meissnera
Wypadkowa konduktancja obwodu dla częstotliwości rezonansowej f0
G R = G0 + p12 g 11 + p 22 G L
Ponieważ OE odwraca fazę o 1800, to dla spełnieni warunku fazy, dodatkowe przesunięcie o 1800
musi zapewnić transformator (przy odpowiednim połączeniu w obwodzie bazy).
Warunek amplitudy

− gm
k u (ω 0 )β u (ω 0 ) = 
2
2
 g ds + p1 g 11 + p 2 G L

(− p1 ) = 1


Z tego warunku wyznaczamy przekładnię transformatora.
Generatory LC
Generator Meissnera – zasilanie szeregowe (WE)
Obwód rezonansowy musi dać przesunięcie 1800
realizowane jest to poprzez nawinięcie uzwojeń trafo.
w przeciwnym kierunku.
Cb zapewnia mała impedancję w obwodzie sterującym
dla przebiegów w.cz. (zwiera RB1, RB2), ponadto jest
elementem automatycznej polaryzacji bazy.
Gdy narasta amplituda drgań na Cb stopniowo narasta
ujemne napięcie (ładowanie impulsami IB). Dzięki
temu generator wzbudza się miękko (klasa A)
a w miarę narastania amplitudy drgań jego punkt
pracy przesuwa się do klasy AB, B lub C.
W tym sposobie pracy układ wykazuje własności
stabilizujące amplitudę generowanego przebiegu.
18
Generatory LC
Generator Meissnera – zasilanie równoległe (WE)
Cb1 spełnia podobna role jak C przy zasilaniu
szeregowym.
Cb2 sprzęga obwód rezonansowy z kolektorem
tranzystora.
Generatory LC
Generator Meissnera
Przestrajanie (zmiana generowanej f) może być realizowane przez zmianę C
w obwodzie rezonansowym.
19
Generator Meissnera
Generator Hartleya
20
Generator Colpittsa
Generatory LC
Generator Clappa – odmiana Colpittsa
Indukcyjność zastępcza:
LZ = L −
1
ω 2 C3
silnie rośnie wraz ze wzrostem f, dzięki temu w układzie
zwiększa się stałość częstotliwości generowanych drgań.
W układzie tym C1, C2, L mogą być znacznie większe niż
odpowiedniki w układzie Colpittsa.
Istotna zaleta przy projektowaniu generatorów o dużych
częstotliwościach, wówczas wartości C1, C2, L potrzebne do
zapewnienia wymaganej częstotliwości drgań stają się
porównywalne z pojemnościami i indukcyjnościami
pasożytniczymi układu.
21
Generatory kwarcowe
Rezonator kwarcowy
Przetwornik elektromechaniczny składający się z wibratora
kwarcowego i obudowy chroniącej go przed wpływami
zewnętrznymi.
Element kwarcowy wycięty z monokryształu kwarcu, najczęściej
w postaci prostokątnych lub okrągłych, płaskich lub
soczewkowatych płytek.
Na element kwarcowy napyla się elektrody z cienkich warstw
metalicznych (złoto, srebro, aluminium).
Jeżeli od elektrod przyłożone zostanie napięcie zmienne (sinus) to
w elemencie piezoelektrycznym (kwarc) wytworzy się zmienne
pole elektryczne. W wyniku zjawiska piezoelektrycznego wibrator
zaczyna drgać, co prowadzi do pojawienia się na jego powierzchni
zmiennych ładunków elektrycznych (płynie prąd).
Rezonator zachowuje się jak obwód rezonansowy o dużej dobroci. Współczynnik temperaturowy
częstotliwości rezonansowej jest bardzo mały. Osiągalna stałość częstotliwości duża: ±(10-6 – 10-10).
Generatory kwarcowe
Rezonator kwarcowy – model zastępczy
L, R i C odpowiadają parametrom mechanicznym kwarcu, (L – masa kwarcu, R – oporność
mechaniczna, C – sprężystość płytki kwarcu),
C0 – pojemność statyczna elektrod i przewodów doprowadzających.
Przykładowe parametry rezonatorów
22
Generatory kwarcowe
Rezonator kwarcowy – rezonanse
Dobroć rezonatora (duża bo duży stosunek L do C):
Q=
Impedancja rezonatora:
ZK =
1
R
L
C
ω 2 LC − 1
ω C 0 + C − ω 2 LCC 0
j
⋅
W układzie rezonatora mogą występować dwa rodzaje rezonansu:
⇒ szeregowy (ZK = 0)
fS =
⇒ równoległy (ZK = ∞)
fR =
1
2π LC
1+
1
2π LC
C
C
= fS 1+
C0
C0
fS zależy tylko od parametrów kwarcu natomiast fR również od C0 związanej z pojemnościami
montażowymi. W związku z tym rezonans równoległy jest mniej stabilny.
Generatory kwarcowe
Rezonator kwarcowy – rezonanse
Pomiędzy fs a fr reaktancja rezonatora ma ch-er
indukcyjny a więc może on pracować jako
element indukcyjny w typowym układzie
Colpittsa.
Dzięki dużej dobroci rezonatora (stroma ch-ka
fazowa w około fr) uzyskuje się dużą stabilność f
generowanego sygnału.
23
Generatory kwarcowe
Rezonator kwarcowy – strojenie
Często pojawia się konieczność dostrojenia kwarcu w niewielkim zakresie. W tym celu do kwarcu
szeregowo dopina się dodatkowy CS o wartości dużo większej od C.
ZK '=
Wypadkowa impedancja tego połączenia:
uwzględniając, że C<<C0 + CS:
C + C 0 + C S − ω 2 LC (C 0 + C S )
1
⋅
jωC S
C 0 + C − ω 2 LCC 0


C
f S ' = f S 1 +

 2(C 0 + C S ) 
względna zmiana częstotliwości:
∆f
C
=
f
2(C 0 + C S )
Dodatkowa CS nie zmienia fR (zero mianownika ZK nie zależy od CS). Przy CS dążącym do 0,
fS można zwiększyć prawie do fR.
Generatory kwarcowe
Generator Colpittsa – Pierce’a
Generator pracuje w rezonansie równoległym
(obwód rezonansowy zapewnia przesunięcie
fazy 1800).
Od zastępczej pojemności dzielnika C1, C2
zależy generowana częstotliwość (obwód
rezonansowy X, C1, C2 ).
Od
stosunku
C1/C2
zależy
wartość
współczynnika SZ i spełnienie warunku
amplitudy.
24
Generatory kwarcowe
Rodzaje rezonansów
Układ w rezonansie szeregowym
Układ w rezonansie równoległym
R2
X
-E
-E
+E
+E
R1
R1
R2
UWY
UWY
X
R3
R3
X w pętli +SZ (nie zmienia fazy)
X w pętli -SZ (zmienia fazę o 1800)
Generatory kwarcowe
Generator sygnału prostokątnego
25
Generatory kwarcowe
Generator drgań o f ponadpodstawowej
Wytworzenie kwarcu na f większą niż 30 MHz jest trudne. Większe f można wytwarzać
synchronizując generator LC rezonatorem o mniejszej f w pętli fazowej PLL, lub pobudzić
kwarc do drgań na wyższej harmonicznej.
Rezonator jest włączony w obwód +SZ (rezonans
szeregowy). Główny obwód rezonansowy LC (o mniejszej
dobroci) dostrojony musi być do fs lub jej harmonicznej.
Umożliwia to generowanie stabilnych częstotliwościowo
sygnałów o f ≥ fs.
Generatory RC
Generatory RC stosuje się do pracy w zakresie małych częstotliwości (kilka Hz do
kilkuset Hz). W tym zakresie f w generatorach LC wartości L i C stają się zbyt duże (nie
nadają się do miniaturyzacji) a dobroć obwodu rezonansowego maleje.
Generator RC można zrealizować zastępując obwód rezonansowy LC biernym filtrem
pasmowoprzepustowym RC. Stosowane są struktury selektywne (mostek Wiena,
podwójne T, bocznikowane T, itp.) oraz przesuwniki fazowe RC.
W porównaniu z generatorami LC mają gorszą stałość częstotliwości [±(10-2 – 10-3)],
jednakże generują sygnał o bardzo małych zniekształceniach i umożliwiają przestrajanie
f w zakresie 1:10 na jednym podzakresie.
Generatory RC powszechnie stosowane są jako generatory serwisowe i laboratoryjne.
26
Generatory RC
Mostek Wiena
β=
U wy
U we

  R1 
jωRC

−
= 
2 2 2
1 − ω R C + j 3ωRC   R1 + R2 
1
444
424444
3 1424
3
β+
β−
Mostek jest idealnie zrównoważony, gdy moduł transmitancji β osiąga minimum.
Wówczas:
f
1
R2
1
1
Q= 0 =
ω0 =
=2
β+ =
∆f 3
R1
RC
3
Generatory RC
Mostek Wiena
Przy ω0 transmitancja β wynosi 0. Aby
zatem zostały spełnione warunki generacji
należałoby
zastosować
wzmacniacz
o Ku→∞.
W ω0 następuje również przeskok
przesunięcia fazowego pomiędzy π/2 a -π/2.
Oznacza to, że przy pełnym zrównoważeniu
nie jest możliwe zbudowanie generatora.
Koniecznie
staje
się
zatem
rozrównoważenie mostka
v=
ε=
ω ω0
−
ω0 ω
- odstrojenie,
R2
− 2 << 1 - współczynnik rozstrojenia mostka dla ω0 ,
R1
27
Generatory RC
Mostek Wiena
Przy niezrównoważonym mostku możemy
zapisać:
β+ =
1
3 + jv
f0 generatora zależy od elementów RC
β− =
1
3+ε
R1 R2 decydują o spełnieniu warunku generacji
oraz ustalają amplitudę generowanego sygnału
Generatory RC
Mostek Wiena
ν
1− j
1
1
ε
ε
−
=
β = β+ −β− =
ν  ε 
3 + jv 3 + ε 9 
1 + j 1 + 
ε  ν 

zakładając ν << 3 (dla ω=ω0, ν=0) w zakresie ε<<3 otrzymujemy:
ε
ν
ν

β ≈ 1 − j  = β 0  1 − j 
9
ε
ε

Wówczas dobroć mostka wynosi:
Q=
ω0 − 2 1
1
= =
2 εω0 ε 9 β 0
28
Generatory RC
Mostek Wiena
Z warunku amplitudy ku(ω0) β (ω0) ≥1 otrzymujemy:
ε≥
9
ku (ω0 )
Fazy transmitancji β + i β - są zgodne. Przy ε ≥ 0 mostek nie odwraca fazy i warunek fazy
jest spełniony dla ω0 niezależnie od stopnia niezrównoważenia mostka.
R1 R2 pracują zwykle w gałęzi automatycznej regulacji wzmocnienia (ARW) generatora.
Generatory RC
Mostek Wiena – ARW
Układ ARW zrealizowany jako podwajacz napięcia
niesymetryczny z JFET linearyzowanym.
JFET spełniający rolę regulowanej elektrycznie
rezystancji pracuje w obszarze liniowym (triodowym),
w którym zastosowano linearyzację ch-yk wyj przy
pomocy –SZ (R2).
⇒ napięcie na C2 jest ujemne i bezpośrednio steruje
bramkę JFET-a,
⇒ gdy amplituda UWY rośnie to rośnie ujemne napięcie
na C2 ,
⇒ rośnie ujemne napięcie na bramce JFET,
⇒ rośnie rezystancja statyczna JFET rDS,
⇒ rośnie –SZ,
⇒ maleje amplituda napięcia wyjściowego.
29
Generatory impulsowe –
przerzutniki
Wrocław 2009
Praca impulsowa tranzystora – klucz
eg
stan aktywny
tranzystora
EF
ic
ICsat
t
T
t
T
włączenie
tranzystora
-ER
ube
EC
uwy
stan nasycenia
tranzystora
UBEwł
t
UCEsat
Rb C we
-ER
t
td
tf
ts tr
ib
+EC
RC
IBwł
stan zatkania
tranzystora
T
IBR
RB
t
tb
Uwy
Eg
Ube
30
Rodzaje przerzutników
Układy przerzutnikowe zbudowane są najczęściej w postaci dwóch kaskodowo połączonych
inwerterów, objętych szerokopasmowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Silne +SZ wywołuje
zjawisko niestabilności, prowadząc do szybkiego przerzutu od jednego stanu stabilnego do drugiego.
Silne +SZ prowadzi do ch-tyki przejściowej o ujemnym nachyleniu co oznacza, że ch-tyka zakreśla
pętle histerezy.
Przerzutnik różnią się od układów analogowych ze +SZ (generatory), że ich Uwy zmienia się
skokowo a nie łagodnie jak w generatorach.
⇒ przerzutnik bistabilny: charakteryzuje się dwoma stanami stabilnymi, w których może
pozostawać nieskończenie długo. Przejście pomiędzy stanami następuje pod wpływem impulsu
zewnętrznego.
⇒ przerzutnik monostabilny (uniwibrator): charakteryzuje się jednym stanem stabilnym. Drugi
stan trwa tylko przez określony czas, zależny od wartości elementów układu. Po upływie tego stanu
samoczynnie wraca do stanu stabilnego. Przejście układu do stanu quasi-stabilnego inicjowane
sygnałem zewnętrznym.
⇒ przerzutnik astabilny (multiwibrator): nie ma stanu stabilnego lecz dwa stany quasi-stabilne.
Stale zmienia swój stan pod wpływem pobudzenia zewnętrznego. Okresowe samoczynne
przechodzenie z jednego stanu w drugi wyznaczają czasy przeładowania elementów reaktancyjnych.
31
Każdy z przerzutników można zrealizować w podstawowej strukturze dobierając odpowiednie
człony sprzęgające (rezystory lub kondensatory)
Przerzutnik
Człon S1
Człon S2
R
R
Monostabilny
(uniwibrator)
R
C
Astabilny
(multiwibrator)
C
C
Bistabilny
(przerzutnik
Schmitta)
Przerzutnik
Rodzaje
bistabilny
przerzutników
- symetryczny
Na S podajemy dodatnie napięcie:
– T1 przewodzi,
– maleje UC1,
– maleje IB2,
– UC2 rośnie,
– wzrasta IB1 płynący przez R1.
Stan ustalony, gdy UC1 spadnie do wartości UCEsat
(T2 zatkany a T1 przez płynący IB1 utrzymany
w stanie przewodzenia).
Odłączenie napięcia z S niczego nie zmienia (stan
ustalony).
Stan poprzedni przez podanie napięcia na R
Gdy R = S = H oba tranzystory
nasycone, po zaniku napięcia
jeden przewodzi, drugi zatkany
ale nie wiadomo który. Stan
logicznie zabroniony !!
32
Przerzutnik
Rodzajebistabilny
przerzutników
– Schmitta
Inicjacja przeskoku poprzez zmianę określonej wartości UWE.
Przerzutnik
– Schmitta
Rodzajebistabilny
przerzutników
Przetwornik sin na prostokąt
Gdy UWE przekroczy UPH (górny próg przełączania) to UWY skacze do UWYmax (górna granica wysterowania).
Gdy UWE spada poniżej UPL (dolny próg przełączania) o UWY powraca do UWYmin (dolna granica).
Szerokość pętli histerezy – jest to różnica napięć pomiędzy poziomem wł. a wył.
Histereza tym mniejsza im mniejsza różnica pomiędzy UWYmax a UWYmin lub im większe tłumienie
wprowadzane przez dzielnik R1, R2.
→ ∞
Zmniejszając histerezę osłabiamy +SZ co prowadzi do tego, że układ przestaje być bistabilny (dla R1 
Zwykły wzmacniacz dwustopniowy).
33
Przerzutnik
monostabilny
W stanie ustalonym T2 przewodzi a T1 zatkany.
Dodatni impuls UWE powoduje przejście T1 do
stanu przewodzenia. Wskutek tego UC1 skokowo
od wartości UCC zmienia się do 0. Skok ten
przeniesiony zostaje przez RC na bazę T2.
UB2 zmienia się od 0,6V do –UCC + 0,6V ≈ –UCC
i T2 zostaje zatkany.
R1 w SZ podtrzymuje przewodzenie T1 nawet po
powrocie UWE do 0.
C ładuje się przez R
t
−


U B 2 (t ) ≈ U CC 1 − 2e RC 


T2 jest zatkany, aż UB2 wzrośnie do 0,6V. Nastąpi to po czasie
Po tym czasie T2 znowu zaczyna przewodzić (stan stabilny).
.
T ≈ RC ln 2 ≈ 0,7 RC
Przerzutnik
monostabilny
Układ wraca do stanu stabilnego nawet, gdy czas
trwania impulsu UWE jest dłuższy od T
(T1 przewodzi do chwili zaniku UWE i +SZ nie
działa.
Po procesie przełączania C musi naładować się
przez RC. Jeśli nie zdąży całkowicie się naładować
do chwili nowego impulsu UWE, czas trwania
następnego impulsu ulega skróceniu.
Jeżeli efekt ten ma być mniejszy niż 1%, T1 musi
być zatkany co najmniej przez T = 5RCC
34
Przerzutnik
monostabilny
Przerzutnik
astabilny
Rodzaje
przerzutników
t1 = R1C1 ln 2
t 2 = R2C2 ln 2
W czasie t1 zablokowany jest tranzystor T1 a w t2 T2.
Stan układu zmienia się zawsze, gdy zaczyna przewodzić
dotychczas zatkany tranzystor.
Układ trudny w realizacji (warunki na odpowiedni dobór
R, problemy ze wzbudzaniem układu) nie stosuje się w
praktyce.
35
Rodzaje
Przerzutnik
przerzutników
astabilny
Multiwibrator tego typu znajduje bardzo szerokie zastosowanie w praktyce. Stosowany
jest głównie w układach z fazową pętlą sprzężenia zwrotnego (PLL). Jako układ
generacyjny przestrajany w dużym zakresie wolnozmiennym napięciem sterującym
(generatory VCO – voltage controlled oscilator).
Generatory VCO
- ze sprzężeniem emiterowym
f =
I
4U BE C
36
Przerzutniki
z bramkami
logicznymi
Rodzaje
przerzutników
Bistabilny – RS (NAND)
Przerzutniki
z bramkami
logicznymi
Rodzaje
przerzutników
Bistabilny – Schmitta (NAND)
Wartości
napięć
przełączania
zależą od wartości R1 i R2
37
Przerzutniki
z bramkami
logicznymi
Rodzaje
przerzutników
Monostabilny (NAND)
W stanie stabilnym B2 jest wyłączona (niski poziom dzięki
R – ok. 220-500Ω) a B1 włączona. Podanie stanu niskiego
na WE przełącza układ w stan niestabilny, który jest
podtrzymywany przez SZ tak długo dopóki napięcie na C
jest wyższe niż napięcie progowe bramki (1,4V dla TTL)
t p ≈ RC
Przerzutniki
z bramkami
logicznymi
Rodzaje
przerzutników
Astabilny (NAND)
f =
1
1
=
t1 + t 2 R1C1 + R2C 2
zalecane R1= R2 ≈ 2kΩ
Zmianę f oraz współczynnika wypełnienia uzyskuje się
przez zmianę C1, C2
38
Przerzutniki
z WO
Rodzaje
przerzutników
Bistabilny – Schmitta
UI2 =
U O min R1
R1 + R2
U I1 =
U O max R1
R1 + R2
Przerzutniki
z WO
Rodzaje
przerzutników
Astabilny
R2, R3 stanowią +SZ o współczynniku sprzężenia,
który ustala na WE- napięcie βU0:
R3
β=
R
+ R3
2
R1, C tworzą integrator +SZ.
Działanie układu polega na okresowej zmianie
stanu nasycenia wzmacniacza (od – Usat do +Usat)
T = 2 R1C ln
1+ β
1− β
Jeżeli R3 ≈ 0,9 R2 czyli β ≈0,47 to:
f =
1
2 R1C
39
Generatory VCO
- integrator przerzutnik
Przerzutniki
z WO
Rodzaje
przerzutników
Monostabilny
D1 ogranicza od góry UC do 0,7V dzięki
czemu otrzymujemy stan stabilny U0=+Usat
a U+=β Usat.
Jeśli na UI damy ujemny impuls o ampl.
≥βUsat to U+=-βUsat i ukł. przejdzie w stan
niestabilny (U0=-Usat). Czas trwania stanu
zależy od naładowania C1 do -β Usat (powrót do stab.stanu).
t p = R1C1 ln
1
1− β
Jeżeli R3 ≈ 1,7 R2 czyli β ≈0,63 to: t p = R1C1
40
Przerzutniki
z WO
Rodzaje
przerzutników
Monostabilny
Gdy odwrócimy D1 D2 otrzymamy odwrotną polaryzuję.
C2, R4, D2 tworzą obwód kształtujący impuls wyzwalający.
Przerzutniki
z układem 555
555
Uniwersalny i szeroko stosowany układ regeneracyjnego formowania impulsów – układ scalony 555.
Układ opracowany przez firmę Signetics produkowany w kilku odmianach przez wiele firm.
Układ 555 charakteryzuje się:
– małą wrażliwością na zmiany napięcia zasilającego,
– dużą stałością temperaturową,
– generowania impulsów o czasie trwania od mikrosekund do kilku minut,
– możliwością regulowania wypełnienia impulsów przy pracy astabilnej,
– małym poborem prądu,
– duża obciążalnością (do 200mA),
– dużą odpornością na zakłócenia.
Stosując układ 555 można zrealizować:
– przerzutnik monostabilny,
– przerzutnik astabilny,
– dyskryminator szerokości impulsów,
– analogowy dzielnik częstotliwości,
– modulator szerokości impulsów,
– przetwornik napięcie – częstotliwość.
41
Przerzutniki
z układem 555
555 – budowa
– przerzutnik RS,
– dzielnik napięciowy,
– dwa komparatory,
– tranzystor rozładowujący,
– bramka separująca wyjście
Przerzutniki
z układem 555
Monostabilny
W stanie stabilnym C jest rozładowany przez
tranzystor T w układzie 555.
Po podaniu krótkiego, ujemnego impulsu
wyzwalającego, przerzutnik RS zmienia stan, na
WY pojawia się wysoki poziom napięcia (H)
i tranzystor T zostaje odcięty.
C zaczyna się ładować ze stałą czasową RC.
Gdy napięcie na C przekroczy 2/3UCC na wyj z K1
pojawia się stan wysoki napięcia (H) i przerzutnik
RS zostaje wyzerowany.
Czas trwania impulsu WY:
T nasyca się, C rozładowuje, układ powraca do
stanu stabilnego.
T = 1,1 R C
42
Przerzutniki
z układem 555
Astabilny
WE wyzwalania i progowe połączone ze sobą.
C ładuje się prądem z RA i RB, rozładowuje przez prąd z RB i tranzystor T z układu 555.
Samoczynnie układ przełącza się w chwili przekroczenia przez napięcie uC poziomu
2/3 UCC przy ładowaniu C i 1/3 UCC przy rozładowaniu C
Częstotliwość drgań:
Współczynnik wypełnienia impulsów WY:
1
1
f = =
T 0,693(R A + 2 RB )C
D=
t2
RB
=
T R A + RB
Generatory funkcyjne
Wrocław 2009
43
Rodzaje Wstęp
przerzutników
Generatorem funkcyjnym nazywamy układ, wytwarzający
zsynchronizowanych przebiegów o różnych kształtach ale tej samej f.
kilka
wzajemnie
Generatory wytwarzają na ogół przebiegi trójkątne, prostokątne i sinusoidalne, dostępne
z oddzielnych wyjść.
Do budowy używa się WO i komparatorów.
Rodzaje
Sposoby
przerzutników
generacji
Układ
kształtujący
44
Rodzaje
Generator
przerzutników
funkcyjny
f =
1
2π R p R3C1C2
Rp =
R1 R3
R1 + R3
Wskutek +SZ wy. komparatora i we. filtru, układ generuje sin, z którego na komparatorze
kształtowany jest jest prostokąt. Z prostokąta kształtowany jest trójkąt w układzie integratora.
Wtórnik separuje wy. prostokąta od wej. filtra.
f regulowana jest potencjometrem R1.
Generator
funkcyjny
Rodzaje
przerzutników
Układ scalony
R, C określają f. Konstrukcja sprowadza się do odtworzenia noty aplikacyjnej.
Na wej A0 i A1 ustalany jest cyfrowo rodzaj przebiegu (1,X – sin; 0,0 – prostokąt; 0,1 – trójkąt).
P – regulacja f (od 0,2 Hz do 20 MHz).
Uwyp-p = 2V
45
46
ICL8038
obsolet
Podsumowanie:
1. Warunki wzbudzenia drgań w generatorach
sprzężeniowych
(praktyczne
praykłady
schematów)
2. Podstawowe generatory LC (przykładowe
praktyczne schematy),
3. Wiena (poglądowy schemat generatora)
4. Schemat zastępczy i rezonanse rezonatora
kwarcowego,
5. Przerzutniki (monostabilny, bistabilny, astabilny)
– przykładowe schematy,
6. Schematy blokowe generatorów funkcyjnych,
47

Układy generacyjne. - Politechnika Wrocławska

Transkrypt

Podobne dokumenty

Półprzewodniki typu n i p. Złącze p-n

Historia elektroniki. Elementy bierne.

Wizja 2014 - Czesław M. Rodkiewicz Scholarship Foundation