Как работает генератор синусоидального сигнала на одном транзисторе. Какие элементы входят в схему генератора. Как рассчитать частоту генерируемого сигнала. Какие преимущества и недостатки у такой схемы.
Принцип работы генератора синусоидального сигнала на транзисторе
Генератор синусоидального сигнала на одном транзисторе представляет собой простую схему для получения сигнала синусоидальной формы. Основными элементами такого генератора являются:
- Транзистор, работающий в активном режиме
- RC-цепочка для создания положительной обратной связи
- Резисторы для задания рабочей точки транзистора
Работа генератора основана на принципе положительной обратной связи. Часть выходного сигнала с коллектора транзистора через RC-цепь подается обратно на базу, усиливается транзистором и снова поступает на выход. При выполнении определенных условий в схеме возникают незатухающие колебания синусоидальной формы.
Схема генератора синусоидального сигнала на одном транзисторе
Простейшая схема генератора синусоидального сигнала на одном транзисторе выглядит следующим образом:
- Транзистор включен по схеме с общим эмиттером
- В цепи коллектора — резистор нагрузки
- В цепи базы — делитель напряжения для задания рабочей точки
- Между коллектором и базой — RC-цепочка обратной связи
RC-цепочка обеспечивает необходимый фазовый сдвиг для возникновения генерации. Частота колебаний определяется параметрами RC-цепи.
Расчет частоты генерируемого сигнала
Частота колебаний в генераторе синусоидального сигнала на транзисторе рассчитывается по формуле:
f = 1 / (2π * √(R1*R2*C1*C2))
Где:
- R1, R2 — сопротивления резисторов в RC-цепи
- C1, C2 — емкости конденсаторов в RC-цепи
При этом для устойчивой работы генератора необходимо выполнение условия:
R1*C1 = R2*C2
Преимущества и недостатки генератора на одном транзисторе
Основные преимущества генератора синусоидального сигнала на одном транзисторе:
- Простота схемы
- Низкая стоимость
- Малое количество компонентов
- Возможность работы в широком диапазоне частот
К недостаткам такой схемы можно отнести:
- Невысокая стабильность частоты
- Зависимость параметров от температуры
- Относительно высокий уровень гармонических искажений
Области применения генераторов на транзисторах
Генераторы синусоидального сигнала на одном транзисторе находят применение в следующих областях:
- Радиолюбительские конструкции
- Учебные лабораторные стенды
- Простые измерительные приборы
- Маломощные передатчики
- Звуковые генераторы
Благодаря простоте схемы такие генераторы часто используются для демонстрации принципов работы генераторов и изучения основ радиотехники.
Настройка и регулировка генератора синусоидального сигнала
Для получения стабильных колебаний при настройке генератора синусоидального сигнала на транзисторе необходимо:
- Подобрать оптимальный режим работы транзистора по постоянному току
- Обеспечить баланс фаз в цепи обратной связи
- Отрегулировать коэффициент усиления для поддержания стабильных колебаний
Настройка обычно производится с помощью осциллографа путем регулировки сопротивлений в цепи базы транзистора. Правильно настроенный генератор должен выдавать стабильный синусоидальный сигнал с минимальными искажениями.
Как улучшить характеристики генератора на транзисторе
Для улучшения параметров генератора синусоидального сигнала на одном транзисторе можно применить следующие методы:
- Использовать стабилизацию напряжения питания
- Применить температурную компенсацию
- Ввести автоматическую регулировку усиления
- Использовать кварцевый резонатор для стабилизации частоты
- Применить двухтактную схему для снижения искажений
Эти меры позволят повысить стабильность частоты, снизить уровень гармоник и улучшить другие характеристики генератора. Однако следует учитывать, что это приведет к усложнению схемы.
Сравнение с другими типами генераторов
По сравнению с другими типами генераторов синусоидального сигнала, схема на одном транзисторе имеет следующие особенности:
- Проще по схемотехнике, чем LC-генераторы
- Дешевле в реализации, чем генераторы на операционных усилителях
- Работает в более широком диапазоне частот, чем RC-генераторы
- Уступает по стабильности кварцевым генераторам
- Имеет более высокий уровень искажений, чем мостовые RC-генераторы
Выбор типа генератора зависит от конкретных требований к параметрам сигнала и условий применения схемы.
Генератор синусоидального сигнала на одном транзисторе. Расчёт
Для некоторых устройств требуется простой генератор синусоидальных колебаний с широким диапазоном генерируемых мощностей. В этой работе предлагается такое устройство работающее всего на одном транзисторе. Устройство позволяет генерировать синусоидальные колебания в большом диапазлоне частот, который определяется только типом транзистора и отдавать мощность в нагрузку от 0.01 до 10 Вт.
Принципиальная схема генератора представлена на рисунке ниже.
Резисторы R1-R2 задают постоянное смещение на базу транзистора VT1, который с помощью цепочки из конденасторов C1-C4 и индуктивности L1 генерирует необходимый нам сигнал.
Дроссель L2 желателен, но необязателен; его назначение — обеспечивать баласт, при нём схема, без нагрузки, будет потреблять в два-три раза меньшую мощность.
Нагрузка же подсоединяется ко вторичной обмотке катушки L1.
Это может быть трансформатор Тесла (ТТ), реактивная нагрузка, или светодиоды, например по схеме лечебной катушки.
К слову, если все элементы генератора рассчитаны точно, то работа ТТ в некоторых случаях может быть эффективнее, чем по схеме качера Бровина.
Схема может быть легко управляема внешним низкочастотным генератором с тем, чтобы получить на выходе пачки импульсов. Это можно сделать, если верхний по схеме вывод R2 подать на выход драйвера этого генератора. Другой способ получения пачек — уменьшение сопротивления цепочки R1-R2; при определённом значении генератор переходит в режим так называемых «рыбок» — пачек импульсов с пологим нарастанием и спадом. Этот режим имеет черезвычайно низкое потребление от источника питания.
Расчёт
Общий расчёт определяется довольно простыми оптимальными соотношениями между ёмкостями:
\[C_1/C_3 = 10, \quad C_2 = C_3, \quad C_3/C_4 = 5 \qquad (1.1) \]
Резонансная частота генератора будет находиться так:
\[f_r = {1 \over 2 \pi \sqrt{L_1 C_3}} \qquad (1.2) \]
Значение сопротивлений определяется коэффициентом усиления транзистора VT1 (\(k_{e}\)) и напряжением питания \(U\),
которое может быть от 2 до 30В в зависимости от типа транзистора и необходимой мощности.
Детали
Для небольших значения напряжения питания 2..4В и мощности до 0.1Вт вполне подойдёт распостранённый транзистор серии КТ315А или его аналог: 2N2712, 2SC633, BFP719. Для больших мощностей хорошо походит транзистор 2SC5200 или C4793. Если мощность генератора до 1Вт, то его можно не ставить на радиатор.
Дроссель L2 можно ставить любой стандартный: 100-200мкГн, например такой. Конденсатор C4 необязателен. Он необходим только для коррекции правильной синусоиды на выходе генератора.
Автор также рекомендует ознакомиться с генератором высоковольтных импульсов на одном mosfet-транзисторе. Его схемотехника такая же простая и он может работать с любой индуктивной нагрузкой. Также, может быть интересен генератор для длинной линии с несколькими режимами работы.
Генераторы, схемы
Генератор — это усилитель с такой положительной обратной связью, которая обеспечивает поддержание сигнала на выходе усилителя без подачи внешнего входного сигнала.
Генератор преобразует постоянный ток (получаемый от источника питания) в переменный сигнал. Для возникновения устойчивых колебаний должны выполняться два основных требования:
а) обратная связь должна быть положительной;
б) полный петлевой коэффициент усиления должен быть больше 1.
Существует два типа генераторов: генераторы синусоидальных сигналов, вырабатывающие гармонические сигналы, и генераторы несинусоидальных сигналов, называемые также релаксационными генераторами или мультивибраторами, обычно вырабатывающие прямоугольные сигналы.
Генераторы с резонансным контуром в цепи коллектора
В схеме генератора на рис. 33.1 элементы L2 и C2 образуют резонансный контур, с которого снимается выходной сигнал.
Рис. 33.1. Генератор с резонансным Рис. 33.2. Генератор с резонансным контуром в
контуром в цепи базы.
цепи коллектора.
Часть этого выходного сигнала подается обратно на вход через трансформаторную связь L1 – L2 таким образом, чтобы сигнал обратной связи совпадал по фазе с сигналом на входе. Транзистор включен по схеме с ОЭ и работает в режиме класса А, который задается цепью смещения R1 – R2. Конденсатор C1 обеспечивает развязку для резистора R2 цепи смещения, а конденсатор C3 — развязку для обычного стабилизирующего резистора R3 в цепи эмиттера.
Генераторы с резонансным контуром в цепи базы
В схеме генератора на рис. 33.2 разделительный конденсатор C2 обеспечивает работу транзистораT1 в режиме класса С. Элементы L2 и C1 образуют резонансный контур.
Положительная обратная связь осуществляется через конденсатор C3 и трансформатор Тр1.
Трехточечная схема генератора с индуктивной обратной связью (схема Хартли)
В этом генераторе (рис. 33.3) катушка индуктивности с отводом L1 обеспечивает необходимую обратную связь на эмиттер транзистора. Элементы C2 и L1 образуют резонансный контур.
Трехточечная схема генератора с емкостной обратной связью (схема Колпитца)
В этом случае используется расщепленный конденсатор C1 — C2 (рис. 33.4). Элементы C1 — C2 и L1 образуют резонансный контур, конденсатор C3 обеспечивает работу транзистора в режиме класса С.
Генераторы с фазосдвигающей цепью обратной связи, или RC-генераторы
Синусоидальные колебания можно также получить с помощью специально подобранных RC-цепочек обратной связи, как показано на рис.
33.5. RC-секции R1– C1, R2– C2, R3– C3 образуют фазосдвигающую цепь, которая на заданной частоте обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 180°. Поскольку транзистор сдвигает фазу сигнала на 180°, то в петле обратной связи получается полный фазовый сдвиг 360°. Таким образом, обратная связь оказывается положительной. Обычно номиналы всех резисторов и всех конденсаторов в фазосдвигающей цепи выбираются одинаковыми, и каждая RC-секция вносит фазовый сдвиг 60°.
Рис. 33.3. Схема Хартли. Рис. 33.4. Схема Колпитца.
Рис. 33.5.RC-генератор с фазосдвигающей цепью обратной связи на элементах R1– C1,
R2– C2, R3– C3, обеспечивающей сдвиг фазы сигнала на 180°.
Еще раз отметим, что вся фазосдвигающая цепь обеспечивает фазовый сдвиг 180° только на одной частоте, определяемой номиналами используемых компонентов.
Кварцевые генераторы
Одним из самых важных требований, предъявляемых к генератору, является стабильность частоты генерируемых им колебаний. Изменения частоты могут быть вызваны, например, изменением емкости или индуктивности элементов резонансного контура или изменением параметров транзистора при колебаниях температуры. Стабильность частоты можно улучшить путем точного подбора элементов схемы, в том числе транзистора. Для обеспечения очень высокой стабильности частоты применяется кристалл кварца, точно задающий и стабилизирующий частоту колебаний. В небольших пределах частоту генератора с кварцевой стабилизацией можно изменять с помощью конденсатора переменной емкости, подключаемого параллельно кристаллу кварца. Кварцевые генераторы используются в цветных телевизорах для генерации поднесущей частоты 4,43 МГц с точностью до нескольких герц.
УВЧ-генераторы
Генераторы очень высоких и ультравысоких частот (УВЧ) по принципу работы аналогичны другим генераторам. Однако из-за очень высокой частоты емкости и индуктивности элементов настройки С и L очень малы. Катушку индуктивности может заменить одна полоска проводника или простая петля из меди. В качестве конденсатора может служить варактор. Для построения резонансной схемы иногда используются отрезки длинных линий, имеющих распределенную емкость и индуктивность.
Генераторы несинусоидальных сигналов
Эти генераторы, называемые еще релаксационными генераторами, вырабатывают прямоугольные импульсные сигналы путем переключения одного или двух транзисторов из открытого состояния в закрытое и обратно. Несинхронизированный мультивибратор, описанный в предыдущей главе, является примером такого генератора. Другой разновидностью генератора несинусоидальных сигналов является блокинг-генератор.
Блокинг-генератор
В генераторе этого типа применяется трансформаторная обратная связь с коллектора на базу транзистора (рис.
33.6). Работа этой схемы основана на том, что в силу трансформаторной связи напряжение на базе будет наводиться только при изменении тока коллектора, то есть при его увеличении или уменьшении. В первом случае действует положительная обратная связь, во втором — отрицательная. При первом включении схемы транзистор открывается, его коллекторный ток увеличивается, создавая напряжение обратной связи на базе, в результате чего транзистор открывается еще больше. Когда достигается насыщение, увеличение коллекторного тока прекращается, что вызывает появление на базе напряжения противоположной полярности. Это напряжение закрывает транзистор. Транзистор удерживается в закрытом состоянии отрицательным зарядом на конденсаторе С до тех пор, пока этот конденсатор в достаточной степени не разрядится через резистор R. После этого транзистор снова отпирается и описанный процесс повторяется.
Выходное напряжение блокинг-генератора представляет собой последовательность узких импульсов (рис.
33.7). Ширина (длительность) импульса определяется параметрами трансформатора, а временной интервал между импульсами — постоянной времени RC. Поэтому частоту колебаний блокинг-генератора можно изменять путем изменения номинала резистора R.
Рис. 33.6. Блокинг-генератор.
Рис. 33.7. Выходной сигнал блокинг-генератора.
Рис. 33.8. Генератор на однопереходном транзисторе.
Вторичная обмотка трансформатора является коллекторной нагрузкой транзистора. Быстрое изменение тока через эту обмотку при закрывании транзистора приводит к появлению большой противоЭДС и большого выброса коллекторного напряжения. Этот выброс напряжения может превысить максимально допустимое коллекторное напряжение и вызвать разрушение транзистора. Для защиты транзистора параллельно первичной обмотке трансформатора включается диод D1.
В нормальном режиме этот диод смещен в обратном направлении и закрыт. Открывается он только в том случае, когда напряжение на коллекторе транзистора превышает напряжение источника питания VCC.
Генераторы на однопереходных транзисторах
Полупроводниковые приборы, имеющие на характеристике участок с отрицательным сопротивлением, например одиопереходные транзисторы, могут быть использованы в генераторах. На рис. 33.8 приведена схема генератора на однопереходном транзисторе. Транзистор смещен в ту область своей выходной характеристики, где выходной ток увеличивается при уменьшении входного напряжения, то есть в область отрицательного сопротивления. Он попеременно открывается и закрывается без какой-либо обратной связи. Выходное напряжение на базе 2 (b2) представляет собой последовательность импульсов. Еще один выходной сигнал — последовательность импульсов противоположной полярности — можно снять с базы 1 (b1).
С эмиттера транзистора можно снять пилообразный сигнал. Частота генерируемых импульсов определяется постоянной времени R1C1.
Генераторы пилообразного напряжения
На рис. 33.9 показана схема генератора, вырабатывающего пилообразный сигнал при подаче на его вход прямоугольных импульсов. На участке периода входной последовательности импульсов между точками А и В (рис. 33.10) на базе транзистора действует нулевое напряжение, и транзистор находится в состоянии отсечки, т. е. закрыт. Конденсатор C1 постепенно заряжается через резистор R1. Прежде чем конденсатор полностью зарядится, на вход поступает положительный фронт ВС импульса, переключающий транзистор в проводящее состояние. В результате конденсатор C1 очень быстро разряжается через открытый транзистор. Конденсатор находится в разряженном состоянии во время действия импульса (вершина CD).
Отрицательный фронт DE импульса переключает транзистор в состояние отсечки, конденсатор C1 снова начинает заряжаться и т. д.
Рис. 33.9. Генератор пилообразного напряжения,
управляемый последовательностью
прямоугольных импульсов.
Рис. 33.10. Форма сигналов на входе и
выходе генератора пилообразного напряжения.
Тот же принцип заряда и разряда конденсатора используется и в других генераторах пилообразного напряжения. На рис. 33.11 приведены схемы двух таких генераторов на основе несинхронизированного мультивибратора и блокинг-генератора соответственно, применяемых в блоках: развертки телевизоров. Потенциометр R1 управляет частотой развертки (кадровой синхронизацией), а потенциометр R2 — амплитудой сигнала развертки (размером изображения по вертикали).
Рис.
33.11. Генераторы пилообразного напряжения на основе (а) несинхронизированного мультивибратора и (б) блокинг-генератора, применяемые в блоках кадровой развертки телевизоров.
В этом видео рассказывается о генераторах для исследования, настройки и испытаний систем и приборов:
Добавить комментарий
Транзисторы: Генератор синусоиды с фазовым сдвигом
В какой-то момент, по причинам, которые я сейчас не могу вспомнить, я попытался смоделировать несколько простых синусоидальных генераторов. Вот один из них. В нем используется один транзистор для обеспечения усиления и ряд RC-элементов для обеспечения фазового сдвига. Первоначальная схема могла быть из одной из коллекций схем Графа (в прошлом году я позаимствовал один из генераторов из библиотеки), хотя это довольно распространенная схема, и вы найдете ее воспроизведенной в другом месте.
Книги, как правило, просто представляют его как синусоидальный осциллятор вместе с формулой для определения частоты по значениям RC-элементов. В этом блоге я собираюсь использовать симулятор, чтобы рассмотреть его более подробно и посмотреть, насколько хорошо он воспроизводит синусоидальную волну.
Основная схема
Вот основная схема, как ее обычно представляют. У оригинала был резистор 3k3 для нагрузки коллектора, но я заменил его на 2k2 (очевидно, транзистор, который я использую, имеет гораздо более высокий hFE, чем тот, который использовался изначально в этой схеме).
Вот форма выходного сигнала при выполнении теста схемы на переходные процессы. Синусоидальная волна может иметь незначительное количество гармонических искажений и при этом выглядеть вполне приемлемо для глаз, поэтому, если мы видим, что она на самом деле выглядит плохо, это действительно так.
Как это работает?
Транзистор сконфигурирован как усилитель с общим эмиттером.
Мы говорим, что эмиттер является общим, потому что вход подается между эмиттером и базой, а выход — между коллектором и эмиттером (поскольку транзистор имеет три ножки, одна всегда должна быть общей для входа и выхода). Конфигурация с общим эмиттером дает нам усиление по напряжению — она усиливает сигнал на базе — а также инвертирует сигнал, давая фазовый сдвиг на 180 градусов. Выходной сигнал возвращается через три RC-цепи на вход. На некоторой частоте задержка через эти элементы приведет к сдвигу фазы еще на 180 градусов (номинально 60 градусов для каждой RC-пары), и мы удовлетворяем условиям для генерации от положительной обратной связи (сдвиг фазы на 360 градусов по контуру и достаточное усиление, чтобы компенсировать убытки).
Это своего рода идеальная картина, когда мы можем представить, что транзистор образует хороший (линейный) усилитель, коэффициент усиления просто уравновешивает потери, и мы видим красивые синусоидальные волны по всему контуру. Реальность сильно отличается.
При запуске сигнал будет нарастать (первоначально он возникает из-за шума, создаваемого подаваемым питанием). После нескольких циклов оно ограничивается, потому что оно стало почти таким же, от пика до пика, что и напряжение питания. На верхнем конце он замедляется прямо у рельса (что дает довольно мягкий верх) из-за очень нелинейной характеристики основания по мере снижения напряжения там. Это также тот случай, когда каждый RC-каскад нагружает предыдущий, а последний работает на очень нелинейную нагрузку, которую представляет транзистор, поэтому любая идея, что мы получаем хороший, аккуратный фазовый сдвиг на 60 градусов от каждого каскада, вылетает из головы. окно. Это очень грязно, и подход симулятора, а не аналитический, имеет большой смысл.
Дальнейшее исследование
Вот схема, которую я расширил в рамках симуляции с тестовыми измерителями для измерения сигналов в различных точках. Я включил начальное условие 0 В на базе транзистора, чтобы убедиться, что он запустился должным образом [потребность в чем-то дополнительном, чтобы запустить генератор, является обычным явлением при моделировании — этот дуется с его выходом в 4,3 В, если вы не даете ему немного поощрения].
Вот осциллограммы
Глядя на эти осциллограммы, вы можете видеть, что реальность находится в милях (километрах, если хотите) от идеала. Для больших сигналов однотранзисторный усилитель с общим эмиттером очень плох в своей линейности [на самом деле мне следует написать о нем блог «Транзисторы»,] и выходной сигнал сильно отличается по форме от сигнала на базе, который генерирует Это. У нас также есть ситуация, когда транзисторный вход нагружает RC-цепи, поэтому они не фильтруют выходной сигнал так, как вы могли бы ожидать.
Мне пришло в голову, что один интересный способ осмыслить происходящее состоит в том, что у нас есть аналоговый компьютер, который решает проблему: «какая форма волны нам нужна на выходе, чтобы, подаваемая по цепи и усиливаемая транзистор, получается идеальная копия самого себя?» Форма волны, которую мы видим на осциллографе, является решением этой проблемы (я говорю «а», а не «то», потому что возможно, что может быть более одного решения — на самом деле есть, потому что немного больше размышлений показывает, что есть статический уровень постоянного тока, который также является решением, хотя произойдет ли это на самом деле — в отличие от симулятора, где это естественное решение — другой вопрос).
Макет
Здесь он построен на макете. Вы видите, насколько это просто.
Вот «трассировка выходных данных. На макетной плате мой транзистор имеет коэффициент усиления, отличный от коэффициента усиления в симуляторе, и поэтому рабочая точка постоянного тока на выходе немного ниже. Как следствие, ограничение находится внизу, когда транзистор достигает насыщения, а не вверху.
Вот результат, если я получу осциллограф, чтобы сделать FFT этой формы волны
, что дает нам лучшее представление о том, насколько плохим сине . В идеале должна быть только основная (половина деления от левого края), но поскольку она есть, кажется, что есть все возможные дополнительные гармоники (за исключением, что любопытно, 8-й гармоники — возможно, они берут ее по очереди). чтобы был выходной).
Что ж, думаю, хватит с этим экспериментировать.
У этой схемы вполне могут быть и другие применения, но если вам нужна синусоида хорошего качества, то она либо нуждается в значительном улучшении (несколько транзисторов с обратной связью вокруг них для линеаризации отклика, было бы хорошим началом), либо вам нужно рассмотрите что-нибудь еще, может быть осциллятор моста Вина. Вот интересное примечание по применению (стр. 29 и далее), которое поможет, если вы когда-нибудь захотите попробовать устройство с очень, очень низким показателем искажения [это должно считаться одним из лучших примечаний по применению, когда-либо написанных]:
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an43f.pdf
Транзистор в качестве генератора синусоидального сигнала (генератора)
Поиск товаров
Евро (€) Болгарский лев (лв.)
Цена по запросу
Артикул: лейболд-P4.1.6.3 Категории: LD Didactic, Электроника, Физика, Ученические эксперименты, Компоненты и основные схемы Теги: Эксперименты, Лаборатории, Лейболд, Физика, Студенческие эксперименты
В эксперименте P4.
1.6.3 генератор синусоидальных колебаний настраивается с помощью мостового генератора Вина и двухкаскадного усилителя. Исследованы рабочие параметры и свойства схемы.
Более подробную информацию об этом товаре можно найти здесь.
- Составные части
