Схема автогенератора на транзисторе: принцип работы и основные виды — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает схема автогенератора на транзисторе. Какие виды автогенераторов существуют. Чем отличаются LC- и RC-автогенераторы. Как реализуются схемы автогенераторов с трансформаторной связью.

Содержание

Принцип работы автогенератора на транзисторе

Автогенератор на транзисторе представляет собой электронную схему, способную генерировать периодические колебания без внешнего источника сигнала. Основными элементами автогенератора являются:

Транзистор — активный элемент, обеспечивающий усиление сигнала
Колебательный контур (LC или RC) — задает частоту генерируемых колебаний
Цепь положительной обратной связи — возвращает часть выходного сигнала на вход для поддержания колебаний
Источник питания — обеспечивает энергию для работы схемы

Принцип работы автогенератора основан на положительной обратной связи. При включении питания в колебательном контуре возникают случайные колебания. Часть этого сигнала через цепь обратной связи поступает на вход транзистора, усиливается и снова попадает в контур. Если выполняются определенные условия по фазе и амплитуде, колебания будут нарастать и установятся на постоянном уровне.

Условия самовозбуждения автогенератора

Для устойчивой работы автогенератора должны выполняться два основных условия:

Баланс фаз — суммарный фазовый сдвиг в цепи обратной связи должен быть равен 0 или кратен 360°.
Баланс амплитуд — коэффициент усиления в петле обратной связи должен быть больше или равен 1.

Выполнение этих условий обеспечивает самовозбуждение и поддержание стабильных колебаний на заданной частоте. При этом амплитуда колебаний ограничивается нелинейностью характеристик транзистора.

Основные виды автогенераторов на транзисторах

В зависимости от типа используемого колебательного контура различают два основных вида автогенераторов:

LC-автогенераторы

Используют колебательный контур из катушки индуктивности и конденсатора. Основные преимущества:

Высокая стабильность частоты
Возможность работы на высоких частотах (до сотен МГц)

Высокая добротность и малые искажения сигнала

Недостатки — сложность перестройки частоты, громоздкость на низких частотах.

RC-автогенераторы

Используют цепочки из резисторов и конденсаторов. Основные преимущества:

Простота конструкции
Легкость перестройки частоты
Миниатюрность на низких частотах

Недостатки — меньшая стабильность частоты, ограничение по верхней рабочей частоте (до 500 кГц).

Схема LC-автогенератора с трансформаторной связью

Рассмотрим принцип работы простого LC-автогенератора с трансформаторной обратной связью:

Основные элементы схемы:

Транзистор VT1 — усилительный элемент
Колебательный контур L1C1 — задает частоту генерации
Трансформатор T1 — обеспечивает обратную связь
Резисторы R1, R2 — задают режим работы транзистора
Конденсатор C2 — блокировочный

Принцип работы:

При включении питания в контуре L1C1 возникают слабые колебания
Эти колебания усиливаются транзистором VT1
Через трансформатор T1 усиленный сигнал поступает обратно в контур
Процесс повторяется, амплитуда нарастает до установившегося значения

Частота генерации определяется параметрами контура: f = 1/(2π√LC). Такая схема способна генерировать стабильные синусоидальные колебания в широком диапазоне частот.

Схема RC-автогенератора с мостом Вина

Одной из популярных схем RC-автогенераторов является генератор с мостом Вина:

Основные элементы:

Транзисторы VT1, VT2 — усилительный каскад
Цепочки R1C1 и R2C2 — частотозадающая цепь (мост Вина)
Резисторы R3-R6 — задают режим работы транзисторов
Конденсаторы C3, C4 — разделительные

Принцип работы:

Мост Вина обеспечивает положительную обратную связь на определенной частоте
Усилитель на VT1, VT2 компенсирует потери в мосте
На выходе формируются синусоидальные колебания

Частота генерации определяется элементами моста Вина: f = 1/(2πRC). Такая схема позволяет получить малые искажения сигнала и легко перестраивается по частоте.

Стабилизация амплитуды колебаний

Важной задачей при разработке автогенераторов является стабилизация амплитуды выходных колебаний. Для этого применяются различные методы:

Ограничение амплитуды за счет нелинейности транзистора
Введение отрицательной обратной связи по амплитуде
Использование термисторов в цепи обратной связи
Автоматическая регулировка усиления (АРУ)

Рассмотрим схему LC-генератора со стабилизацией амплитуды с помощью АРУ:

Принцип работы системы АРУ:

Часть выходного сигнала выпрямляется диодом VD1

Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром R3C2
Полученное постоянное напряжение управляет усилением транзистора VT1
При увеличении амплитуды усиление уменьшается и наоборот

Такая схема позволяет получить стабильную амплитуду колебаний при изменении напряжения питания или параметров элементов схемы.

Применение автогенераторов

Автогенераторы на транзисторах находят широкое применение в различных областях электроники:

Радиопередающие устройства
Измерительная техника (генераторы сигналов)
Системы радиолокации
Преобразователи частоты
Синтезаторы частот
Тактовые генераторы цифровых устройств

Выбор конкретной схемы автогенератора зависит от требуемой частоты, стабильности, уровня выходного сигнала и других параметров.

Заключение

Автогенераторы на транзисторах являются важным классом электронных устройств. Они позволяют получать периодические сигналы различной формы и частоты. Понимание принципов работы и основных схем автогенераторов необходимо для разработки современных радиоэлектронных устройств.

Основные моменты, которые следует запомнить:

Автогенератор содержит усилительный элемент, колебательную систему и цепь обратной связи
Существуют LC- и RC-автогенераторы с различными свойствами
Для работы автогенератора необходимо выполнение баланса фаз и амплитуд
Важную роль играет стабилизация амплитуды выходных колебаний
Автогенераторы широко применяются в радиотехнике и электронике

Дальнейшее изучение схемотехники автогенераторов позволит создавать более совершенные и эффективные электронные устройства.

1.5 Схема автогенератора с трансформаторной связью на биполярном транзисторе

Известно много разновидностей конкретных схем автогенераторов на транзисторах. Все они обязательно содержат:

транзистор;
LC– колебательный контур;
цепь положительной обратной связи;
источник питания.

Обычно LC– автогенераторы выполняются на однокаскадном усилителе, гдеLC– контур включается, как правило, в коллекторную цепь, а звено положительной обратной связи — катушкаL_св— в цепь базы. Рассмотрим наиболее часто используемую схему автогенератора (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема LC- автогенератора на биполярном транзисторе

Назначение деталей схемы:

R₁иR₂– делитель напряжения для подачи напряжения смещения на базу транзистора;
RэCэ – цепь автоматического смещения рабочей точки на характеристиках транзистора и термостабилизации транзистора;
LC– параллельный колебательный контур;
L_св– катушка положительной обратной связи;
C– конденсатор для соединения одного из концов катушки связи с общей шиной (заземления) по переменному току.

В момент подключения автогенератора к источнику питания в коллекторной цепи транзистора появляется переменный коллекторный ток из-за наличия в колебательном контуре случайных колебаний электрических зарядов.

Обратная связь трансформаторного типа осуществляется с помощью катушки связи L_св– она управляет работой транзистора. КатушкаL_свиндуктивно связана с катушкойL, т.е. находится в ее магнитном поле.

Проходя через катушку Lпеременный ток создает вокруг нее переменное магнитное поле, изменяющееся с частотой. В катушке обратной связиL_св, наводится ЭДС индукции – переменное напряжение той же частоты. Оно прикладывается между базой и эмиттером транзистора. Это напряжение вызывает пульсацию коллекторного тока при отпирании и запирании транзистора.

Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное транзистором переменное напряжение. В свою очередь это приводит к новому нарастанию напряжения на катушке связи, которое влечет за собою новое нарастание амплитуды тока коллектора и т. д.

Однако, процесс нарастания коллекторного тока не бесконечен. Усиление транзистора происходит лишь в пределах активного участка выходной характеристики транзистора, а на участке насыщения коллекторный ток практически не изменяется, т.е. усиление фактически отсутствует. Что же касается амплитуды колебаний в контуре, то ее рост ограничивается сопротивлением потерь контура, а также затуханием, вносимым в контур за счет протекания тока в базовой части контура.

Анализ работы автогенератора проводят на основе решения его дифференциального уравнения. Но сначала рассмотрим

свободные колебания в LC—контуре. Это необходимо сделать в связи с тем, что колебательный контур является главным элементом автогенератора гармонических колебаний, а источник постоянного тока, регулятор и цепь обратной связи – вспомогательными элементами, с помощью которых лишь компенсируются потери энергии в колебательном контуре.

При кратковременной подаче энергии в контур в нем возникают свободные колебания, которые описываются дифференциальным уравнением:

где r – сопротивление катушки и подводящих проводов. После дифференцирования по t и деления на L уравнение принимает вид:

. (9)

Вводя обозначение (– коэффициент затухания контура) и учитывая, что, последнее уравнение можно записать в окончательном виде:

. (10)

С учетом того, что в радиоэлектронике используются колебательные контуры с малыми потерями, решение дифференциального уравнения (10) будет иметь вид

, (11)

где — начальная амплитуда тока в колебательном контуре, зависящая от запасенной контуром энергии, а– частота свободных колебаний.

Свободные колебания в контуре имеют форму, показанную на рисунке 7. Очевидно, в обычном контуре свободные колебания будут затухающими из-за наличия потерь (сопротивление r).

Составим дифференциальное уравнение колебаний в транзисторном автогенераторе с трансформаторной связью на полевом транзисторе (рисунок 8), предполагая, что частота генерируемых колебаний достаточно низка и можно не учитывать инерционные свойства транзистора и величину его входного сопротивления.

Рисунок 7 – Свободные колебания в колебательном контуре

Рисунок 8 – Схема замещения транзисторного LC-автогенератора по переменному току

Для этой схемы справедливы следующие уравнения:

(12)

Заменив во втором уравнении (12) ток в емкостной ветви контура через ток в индуктивной ветви и коллекторный ток: и продифференцировав полученное выражение по времени, получим дифференциальное уравнение автогенератора для токов:

. (13)

Поскольку в рассматриваемой схеме автогенератора существует обратная связь, на затворе транзистора возникает переменное напряжение , которое является функцией тока в индуктивной ветви контура:

Знак «±» обусловлен тем, что катушка обратной связи может быть включена либо согласно, либо встречно по отношению к контурной катушке L. M – коэффициент взаимной индуктивности катушек.

Если ток стока зависит только от напряжения на затворе, то:

(14)

Тогда уравнение (13) принимает вид

, (15)

Преобразуем правую часть (15):

. (16)

Подставим выражение (16) в уравнение (15) и проведем элементарные преобразования. Опуская в дальнейшем индекс «зи» при U, получим основное уравнение автогенератора:

. (17)

Это нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка точного решения в настоящее время не имеет, но существуют приближенные способы его решения. Оно необходимо для анализа работы автогенератора.

Схемы автогенераторов | Основы электроакустики

Главная » Генераторы сигналов » Устройство и принцип действия генераторов гармонических колебаний

Схемы автогенераторов

Схемы автогенераторов Кроме рассмотренных ранее схем с трансформаторной связью широко распространены трехточечные схемы с индуктивной автотрансформаторной и емкостной ОС, в которых колебательный контур подключается к электродам транзистора (по переменному току высокой частоты) тремя точками Э, Б, отвод Э от контурной катушки подключен к эмиттеру через малое внутреннее сопротивление источника Ек), а также схемы RС-генераторов. Элементы контура к электродам транзистора должны подключаться так, чтобы выполнялось фазовое условие самовозбуждения генератора. В автотрансформаторной схеме с индуктивной ОС) напряжение ОС снимается с части витков Lc контурной катушки LK, которые заключены между эмиттером и базой транзистора, и через конденсатор С1 подается на его базу. Мгновенные значения напряжений на катушках Lc и LK относительно средней точки противоположны (сдвинуты по фазе на 180°) и усилительный каскад дополнительно сдвигает фазу на 180°, в результате чего в схеме устанавливается положительная ОС и обеспечивается баланс фаз. Амплитудное условие самовозбуждения удовлетворяется подбором величины ОС (числа витков катушки связи). В схеме с емкостной резонансный колебательный контур образован конденсаторами Cl, C2 и катушкой LK. Напряжение ОС снимается с конденсатора С2. Фазовое условие самовозбуждения в схеме удовлетворяется, поскольку мгновенные значения напряжения на конденсаторах противоположны. Условие баланса амплитуд обеспечивается выбором емкости конденсатора С2. При ее увеличении ОС уменьшается. Настройку контура генератора удобно производить конденсатором переменной емкости СК| включаемым параллельно катушке контура. При включении конденсатора СЗ в контур последовательно с катушкой LK обеспечивается повышение стабильности частоты генератора при изменениях температуры и напряжения источника питания. Рабочий режим транзистора по постоянному току и его термостабилизация устанавливаются в приведенных схемах с помощью делителя R1R2 и резистора R3.

RC-генераторы формируют гармонические колебания низких частот. На низких частотах затруднительно использование частотно-избирательных LC-цепей вследствие значительного увеличения размеров элементов контура, снижения его добротности, невозможности плавной перестройки контура в широком диапазоне частот. Поэтому для генераторов низких частот применяют частотно-избирательные (фазирующие) RС-цепи. Структурная схема генератора с частотно-избирательной ЯС-цепью содержит широкополосный усилитель ШУ и фазирующую цепь частотно-избирательной обратной связи ЦОС. В качестве фазирующей цепи используют, одно- или многозвенные ЯС-фильтры, обеспечивающие требуемый фазовый сДвиг на частоте генерируемых колебаний. Чтобы чаетота колебаний в генераторе в основном определялась параметрами звеньев фазирующей цепи, а их амплитуда оставалась стабильной в заданном диапазоне частот, усилитель должен иметь большой коэффициент усиления по току и обладать высоким входным и относительно малым выходным сопротивлениями.

Схема RС-генератора с трехзвенной фазирующей RС-цепью. Напряжение на выходе резисторного усилителя сдвинуто по фазе на 180° относительно напряжения на входе. Чтобы получить положительную *ОС в генераторе, трехзвенная фазирующая цепь должна обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг сигнала на 180°. Фазирующая цепь вызывает затухание сигнала, поэтому для выполнения условия баланса амплитуд в схеме используют транзистор с относительно большим коэффициентом передачи тока (А21э>45).

Схема RС-генератора с Г-образной фазирующей цепью показана на рис. 105, в. Генератор представляет собой двухкаскадный широкополосный резисторный усилитель с положительной ОС. Каждый из резисторных каскадов изменяет фазу колебании на 180°, поэтому баланс фаз в схеме обеспечивается автоматически. Чтобы генератор работал на одной частоте, условие баланса фаз должно выполняться лишь на рабочей частоте генератора. Для выполнения этого условия в цепь ОС включена фазирующая Г-образная цепь с последовательно соединенными элементами C1R1 и параллельно соединенными C2R2. Цепь C1R1 создает положительный фазовый сдвиг, a C2R2 — отрицательный. На определенной частоте фазовый сдвиг сигнала будет скомпенсирован (окажется равным нулю). На этой частоте и будет осуществляться баланс фаз, т.е. наступит самовозбуждение генератора. Частота генератора to = 1/\/C1RlC2R2 , а при R1=R2=R и С1=С2=С, w=1/RС. Коэффициент передачи фазосдвигающей цепи , а при R1=R2=R и С1=С2=С Kос=1/3. Очевидно, условие баланса амплитуд в схеме выполняется лишь при коэффициенте усиления двухкаскадного усилителя K>3. Свойства фазосдвигающей цепи реализуются при высоком вход-ном сопротивлении первого каскада и малом выходном сопротивлении второго каскада. Для этой цели первый каскад выполняют на полевом транзисторе. Для стабилизации амплитуды колебаний в генератор введена ООС на нелинейных элементах (терморезисторах, лампах накаливания), сопротивление которых зависит от проходящего тока. Регулирование рабочей частоты осуществляется изменением параметров двух элементов фазирующей цепи, поэтому в схеме используют сдвоенные переменные резисторы или сдвоенные конденсаторы переменной емкости.

Генераторы гармонических колебаний

Устройство и принцип действия генераторов гармонических колебаний

Режим работы транзистора в схеме усилительного каскада

Создание гармонических сигналов

Стабилизация частоты генераторов

RC – автогенераторы

Усилитель на полевом транзисторе

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Bipolar Transistor Cookbook — Часть 5 которые генерируют сигналы квадратной или прямоугольной формы и используют транзисторы в качестве цифровых переключающих элементов.

В выпуске этого месяца описываются практические способы использования биполяров в линейном режиме для создания простых, но полезных схем генераторов синусоидального сигнала и белого шума. В выпуске этой серии, который выйдет в следующем месяце, будут рассмотрены практические схемы мультивибраторов биполярных генераторов сигналов.

ОСНОВЫ ГЕНЕРАТОРА

Чтобы генерировать достаточно чистые синусоидальные волны, генератор должен удовлетворять двум основным конструктивным требованиям, как показано на Рисунок 1 . Во-первых, выход его усилителя (А1) должен быть возвращен на его вход через частотно-избирательную цепь (А2) таким образом, чтобы сумма фазовых сдвигов усилителя и цепи обратной связи равнялась нулю градусов (или 360°) при желаемой частоты колебаний, т. е. так, чтобы x° + y° = 0° (или 360°). Таким образом, если усилитель создает фазовый сдвиг на 180° между входом и выходом, частотно-селективная сеть должна ввести дополнительные 180° фазового сдвига.

РИСУНОК 1. Основная схема и условия, необходимые для генерации синусоидального сигнала.

Второе требование состоит в том, что коэффициент усиления усилителя должен точно компенсировать потери в цепи частотно-избирательной обратной связи на желаемой частоте колебаний, чтобы общий коэффициент усиления системы был равен единице, например, A1 x A2 = 1. Если коэффициент усиления ниже единицы схема не будет колебаться, а если больше единицы, она будет перегружена и будет генерировать искаженные формы волны. Сеть частотно-селективной обратной связи обычно состоит из CR-, LC- или кварцевого фильтров; практические схемы генераторов, в которых используются частотно-избирательные фильтры C-R, обычно генерируют выходные частоты ниже 500 кГц; те, которые используют частотно-избирательные фильтры LC, обычно генерируют выходные частоты выше 500 кГц; те, которые используют кристаллические фильтры, генерируют сверхточные частоты сигнала.

ГЕНЕРАТОРЫ C-R

Простейший синусоидальный генератор C-R относится к фазовому типу, который обычно принимает базовую форму, как показано на рис. 2 . Здесь три идентичных фильтра верхних частот CR каскадно образуют фильтр третьего порядка, который вставляется между выходом и входом инвертирующего (фазовый сдвиг 180 °) усилителя; фильтр дает полный фазовый сдвиг на 180° при частоте fo, равной примерно 1/(14RC), так что полная схема имеет сдвиг контура на 360° при этом условии и колеблется на частоте fo, если усилитель имеет достаточное усиление (около х29), чтобы компенсировать потери фильтра и, таким образом, дать среднее усиление контура, незначительно превышающее единицу.

РИСУНОК 2. Фильтр верхних частот третьего порядка, используемый в качестве основы генератора с фазовым сдвигом.

Обратите внимание на Рисунок 2 , что каждый отдельный каскад фильтра верхних частот C-R пропускает высокочастотные сигналы, но отбрасывает низкочастотные. Его выходной сигнал снижается на 3 дБ при частоте разрыва 1/(2 RC) и падает со скоростью 6 дБ/октаву, когда частота снижается ниже этого значения. Таким образом, базовый фильтр 1 кГц дает подавление 12 дБ для сигнала частотой 250 Гц и 20 дБ для сигнала частотой 100 Гц. Фазовый угол выходного сигнала опережает угол фазы входного и равен арктангенсу 1/(2fCR), или +45° при fc. Каждый этап C-R известен как фильтр первого порядка. Если несколько (n) таких фильтров соединены каскадом, результирующая схема называется фильтром «n-го порядка» и имеет крутизну, превышающую fc, равную (n x 6 дБ)/октаву.

На рис. 3 показана схема практичного фазовращателя с частотой 800 Гц, который может работать от любого источника постоянного тока в диапазоне от 9 до 18 В. Чтобы первоначально настроить схему, просто подстройте RV1 так, чтобы схема генерировала достаточно чистую синусоидальную волну на выходе, как это видно на осциллографе — выходной уровень сигнала полностью регулируется с помощью RV2.

РИСУНОК 3. Генератор с фазовым сдвигом 800 Гц.

Основные недостатки простых фазовращателей Рис. 3 заключаются в том, что они имеют довольно плохую внутреннюю стабильность усиления и что их рабочую частоту нельзя легко изменить. Гораздо более универсальный осциллятор C-R может быть построен с использованием мостовой сети Wien.

На рис. 4 показаны основные элементы мостового генератора Вина. Сеть Вина состоит из R1-C1 и R2-C2, значения которых сбалансированы так, что C1=C2=C и R1=R2=R. Фазовые сдвиги этой сети отрицательны на низких частотах, положительны на высоких и равны нулю на центральной частоте 1/(6,28CR), при которой сеть имеет коэффициент затухания, равный трем. Таким образом, сеть можно заставить колебаться, подключив неинвертирующий усилитель x3 с высоким входным импедансом между его выходной и входной клеммами, как показано на схеме.

РИСУНОК 4. Основная схема генератора Вина.

На рис. 5 показан простой генератор Вина с фиксированной частотой, в котором транзисторы Q1 и Q2 подключены как усилители с низким коэффициентом усиления с общим эмиттером. Q2 дает коэффициент усиления по напряжению, немного превышающий единицу, и использует резистор R1 сети Вина в качестве нагрузки коллектора, а Q1 представляет собой высокий входной импеданс по отношению к выходу сети Вина, и его усиление регулируется через RV1. Значения компонентов показывают, что схема колеблется с частотой около 1 кГц — при использовании RV1 следует настроить так, чтобы на выходе генерировался слегка искаженный синусоидальный сигнал.

РИСУНОК 5. Практический генератор Вина 1 кГц.

На рис. 6 показана усовершенствованная конструкция генератора Вина, который потребляет 1,8 мА от источника питания 9 В и имеет выходную амплитуду, которая полностью регулируется в диапазоне до 6 В от пика к пику с помощью RV2. Q1-Q2 представляют собой комплементарную пару с общим эмиттером с прямой связью и обеспечивают очень высокий входной импеданс базы Q1, низкий выходной импеданс коллектора Q2 и неинвертированное усиление по напряжению x5,5 по постоянному току и от x1 до x5,5. AC (переменная через RV1). Красный светодиод генерирует напряжение 1,5 В с низким импедансом, которое подается на базу Q1 через резистор R2 и, следовательно, смещает выход Q2 до статического значения +5 В. Сеть Вина R1-C1 и R2-C2 подключена между выходом Q2 и входом Q1, и при использовании RV1 просто настраивается так, чтобы при просмотре выхода схемы на осциллографе генерировалась стабильная и визуально чистая форма сигнала. В этом случае амплитуда колебаний ограничивается примерно 6 В от пика к пику из-за начала ограничения положительного пика, когда усилитель начинает входить в режим насыщения. Если RV1 тщательно отрегулировать, это ограничение может быть уменьшено до почти незаметного уровня, что позволяет генерировать синусоидальные волны хорошего качества с менее чем 0,5% THD.

РИСУНОК 6. Мостовой синусоидальный генератор Вина 1 кГц с переменной амплитудой на выходе.

Схема Рис. 6 может быть модифицирована для обеспечения работы с регулируемой частотой в ограниченном диапазоне путем уменьшения значений резисторов R1 и R2 до 4,7 кОм и их последовательного соединения с переменными резисторами номиналом 10 кОм. Обратите внимание, однако, что генераторы Вина с переменной частотой лучше всего строить с использованием операционных усилителей или других линейных ИС в сочетании с системами обратной связи с автоматической регулировкой усиления, используя различные стандартные схемы этого типа, которые были опубликованы в предыдущих выпусках этого журнала. .

ГЕНЕРАТОРЫ L-C

Синусоидальные генераторы C-R обычно генерируют сигналы в диапазоне от 5 Гц до 500 кГц. Генераторы LC обычно генерируют их в диапазоне от 5 кГц до 500 МГц и состоят из частотно-селективной сети LC, которая подключена к контуру обратной связи усилителя.

Простейший LC-транзисторный генератор представляет собой генератор с обратной связью с настроенным коллектором, показанный на рис. 7 . Q1 подключен как усилитель с общим эмиттером, с базовым смещением, обеспечиваемым через R1-R2, и эмиттерным резистором R3, развязанным по переменному току через C2. L1-C1 образует цепь настроенного коллектора, а обратная связь между коллектором и базой обеспечивается через L2, который индуктивно связан с L1 и обеспечивает действие трансформатора. Выбирая фазу этого сигнала обратной связи, можно сделать так, чтобы схема давала нулевой фазовый сдвиг петли на настроенной частоте, так что она колебалась бы, если коэффициент усиления петли (определяемый отношением витков T1) больше единицы.

РИСУНОК 7. Генератор обратной связи с настроенным коллектором.

Характерной чертой любой LC-схемы является то, что соотношение фаз между ее током возбуждения и наведенным напряжением изменяется от -90° до +90° и равно нулю на центральной частоте, определяемой как f = 1/(2 LC). Таким образом, схема (рис. 7) дает нулевой общий фазовый сдвиг и колеблется на этой центральной частоте. С показанными значениями компонентов частоту можно изменять от 1 МГц до 2 МГц с помощью C1. Эта базовая схема может быть разработана для работы на частотах в диапазоне от нескольких десятков Гц при использовании многослойного трансформатора с железным сердечником до десятков или сотен МГц с использованием радиочастотных технологий.

ВАРИАНТЫ СХЕМЫ

Рисунок 8 показывает простую вариацию схемы Рисунок 7 — генератор Хартли. Его коллекторная нагрузка L1 отводится примерно на 20% вниз от его вершины, и к этой точке подключается положительная шина питания; Таким образом, L1 дает действие автотрансформатора, в котором напряжение сигнала наверху L1 на 180° не совпадает по фазе с напряжением на его низком конце (коллектор Q1). Сигнал с верхней части катушки подается на базу Q1 через C2, и, таким образом, схема колеблется с частотой, заданной значениями LC.

РИСУНОК 8. Базовый осциллятор Хартли .

Обратите внимание на вышеприведенное описание, что действие генератора зависит от какой-то точки отвода общего сигнала в настроенной цепи, так что получается действие автотрансформатора с фазовым разделением. Эта точка ответвления не обязательно должна быть встроена в катушку настройки, но может быть превращена в конденсатор настройки, как в схеме генератора Колпитца, показанной на рис. 9 . С показанными значениями компонентов эта конкретная схема колеблется с частотой около 37 кГц.

РИСУНОК 9. Генератор Колпитца 37 кГц.

Модификация конструкции Колпитца, известная как осциллятор Клаппа или Гурье, показана на рис. 10 . C3 включен последовательно с L1 и имеет меньшее значение по сравнению с C1 и C2. Следовательно, резонансная частота схемы определяется в основном L1 и C3 и почти не зависит от изменений емкости транзисторов и т. д. Таким образом, схема обеспечивает превосходную стабильность частоты. С показанными значениями компонентов он колеблется с частотой около 80 кГц.

РИСУНОК 10. 80 кГц Генератор Гурье или Клаппа.

На рис. 11 показан генератор Reinartz, в котором настроечная катушка имеет три обмотки с индуктивной связью. Положительная обратная связь получается путем соединения сигналов коллектора и эмиттера транзистора через обмотки L1 и L2. Обе эти катушки индуктивности подключены к L3, и цепь колеблется с частотой, определяемой L3-C1. На диаграмме показаны типичные отношения витков катушки для схемы, которая колеблется с частотой в несколько сотен кГц.

РИСУНОК 11. Базовый осциллятор Reinartz .

Наконец, На рисунках 12 и 13 показаны версии эмиттерных повторителей генераторов Хартли и Колпитца. В этих схемах транзисторы и подстроенные контуры L1-C1 каждый дают нулевой фазовый сдвиг на частоте колебаний, а подстроенный контур дает усиление по напряжению, необходимое для обеспечения генерации.

РИСУНОК 12. Версия генератора Хартли с эмиттерным повторителем.

РИСУНОК 13. Версия эмиттерного повторителя генератора Колпитца.

МОДУЛЯЦИЯ

Цепи L-C генератора Рис. 7 — 13 можно легко модифицировать для получения модулированных (AM или FM) выходных сигналов, а не непрерывных (CW). Рисунок 14 , например, показывает схему Рисунок 7 , модифицированную для работы в качестве генератора частоты биений 456 кГц (BFO) с возможностью амплитудной модуляции (АМ). Стандартный транзисторный трансформатор ПЧ 465 кГц (T1) используется в качестве настроенного контура LC, а внешний сигнал AF может подаваться на эмиттер Q1 через C2, таким образом эффективно модулируя напряжение питания Q1 и тем самым модулируя амплитуду несущего сигнала 465 кГц. Схема может быть использована для создания глубины модуляции до 40%. C1 имеет низкий импеданс для несущей частоты 465 кГц, но высокий импеданс для сигнала модуляции ЗЧ.

РИСУНОК 14. 465 кГц BFO с возможностью AM.

На рис. 15 показана приведенная выше схема, модифицированная для предоставления возможности частотной модуляции (ЧМ) вместе с настройкой варактора через RV1. Кремниевый диод 1N4001 D1 используется в качестве недорогого варакторного диода, который при обратном смещении (как неотъемлемая часть его основного действия кремниевого диода) по своей природе имеет емкость (несколько десятков пФ), которая уменьшается с приложенным обратным напряжением. D1 и блокировочный конденсатор C2 соединены последовательно и фактически соединены с настроенной цепью T1 (поскольку шины питания цепи закорочены вместе, если речь идет о сигналах переменного тока).

РИСУНОК 15. 465 кГц BFO с варакторной настройкой и возможностью FM.

Следовательно, центральную частоту генератора можно изменять, изменяя емкость D1 через RV1, а ЧМ-сигналы можно получать, подавая сигнал модуляции ЗЧ на D1 через C3 и R4.

КРИСТАЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Генераторы с кварцевым управлением обеспечивают превосходную точность и стабильность частоты. Кварцевые кристаллы имеют типичные значения добротности около 100 000 и обеспечивают примерно в 1000 раз большую стабильность, чем обычная LC-схема. Их рабочая частота (которая может варьироваться от нескольких кГц до 100 МГц) определяется механическими размерами кристалла, который может быть разрезан для последовательного или параллельного резонансного режима. Устройства с последовательным режимом имеют низкий импеданс в резонансе, а устройства с параллельным режимом имеют высокий импеданс в резонансе.

На рис. 16 показан широкодиапазонный кварцевый генератор, предназначенный для использования с кварцевым генератором с параллельным режимом. На самом деле это схема генератора Пирса, и ее можно использовать практически с любым хорошим кварцем с параллельным режимом от 100 кГц до 5 МГц без необходимости модификации схемы.

РИСУНОК 16. Широкодиапазонный генератор Пирса использует кварц с параллельным режимом.

В качестве альтернативы, На рис. 17 показан генератор Колпитца с частотой 100 кГц, разработанный для использования с кварцевым редуктором с последовательным возбуждением. Обратите внимание, что настроенный контур L1-C1-C2 предназначен для резонирования на той же частоте, что и кристалл, и что значения его компонентов должны быть изменены, если используются другие частоты кристалла.

РИСУНОК 17. В генераторе Колпитца 100 кГц используется кварцевый резонатор.

Наконец, На рис. 18 показан исключительно полезный двухтранзисторный генератор, который можно использовать с любым последовательно-резонансным кварцем от 50 кГц до 10 МГц. Q1 подключен как усилитель с общей базой, а Q2 как эмиттерный повторитель, а выходной сигнал (от эмиттера Q2) возвращается на вход (эмиттер Q1) через C2 и последовательно-резонансный кварц. Эта превосходная схема будет колебаться с любым кристаллом, который подает малейшие признаки жизни.

РИСУНОК 18. Широкодиапазонный (50 кГц-10 МГц) генератор может использоваться практически с любым кварцем с последовательным возбуждением.

ГЕНЕРАТОРЫ БЕЛОГО ШУМА

Одним из полезных линейных, но несинусоидальных сигналов является так называемый белый шум, который содержит полный спектр случайно генерируемых частот, каждая из которых имеет одинаковую среднюю мощность при усреднении за единицу времени. Белый шум полезен при тестировании усилителей ЗЧ и ВЧ и широко используется в системах звуковых генераторов со специальными эффектами.

На рис. 19 показан простой генератор белого шума, в котором используется тот факт, что все стабилитроны генерируют существенный белый шум при работе с малым током. Резисторы R2 и ZD1 включены в петлю отрицательной обратной связи между коллектором и базой усилителя с общим эмиттером Q1, таким образом стабилизируя рабочие уровни схемы по постоянному току, а петля развязана по переменному току через C1. Таким образом, ZD1 действует как источник белого шума, включенный последовательно с базой Q1, который усиливает шум до полезного уровня около 1,0 вольта от пика к пику. В этой схеме можно использовать любой стабилитрон от 5,6 до 12 В.

РИСУНОК 19. Транзисторно-стабилитронный генератор белого шума.

РИСУНОК 20. Двухтранзисторный генератор белого шума.

Рис. 20. представляет собой простой вариант описанной выше конструкции, в котором в качестве генерирующего шум стабилитрона используется обратно смещенный переход база-эмиттер транзистора 2N3904 (который «стабилизируется» при напряжении около 6 В). NV

конденсатор — Что такое двухтранзисторный генератор?

1) Зачем вообще нужны R4 и R1? Зачем нам ограничивать ток, протекающий через транзисторы и заряжающий конденсаторы?

Транзисторы работают в диапазоне коллекторных токов — вы можете посмотреть это [для разных типов (см. https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/2N3904.pdf) . Минимальные значения , используемые для R1 и R4, будут определять максимальный ток коллектора . Это значение можно легко рассчитать (используя закон Ома), если предположить, что все напряжение питания падает на резисторе. В случае с 2Н3904 максимальный ток 200 мА. Если не ограничить этот ток, это приведет к повреждению/разрушению транзистора.

Они также действуют как часть схемы для создания напряжения переключения для одной стороны конденсаторов

2) Почему R2 и R3 включены в схему? Кажется, что они не имеют абсолютно никакой функции.

R2 и R3 имеют две функции .

Первый должен включить транзисторы, подключив базы транзисторов к положительному источнику питания через подходящий резистор, который ограничивает ток базы до безопасного значения.

При первом включении схемы ОДИН из этих транзисторов включается первым и запускает процесс.

Вторая функция заключается в зарядке других обкладок конденсатора, прикрепленных к основаниям транзистора, путем подключения их к положительному источнику питания.

Когда один транзистор включается, это приводит к тому, что напряжение на базе другого транзистора становится ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ и выключается. Это отрицательное (базовое) напряжение также подключено к положительному источнику питания через R2 или R3 (в зависимости от того, какую базу мы рассматриваем). Напряжение ПОСЛЕ этого резистора в это время примерно ДВА раза превышает напряжение питания (от +V до -V). { этот эффект иногда используется для создания отрицательного источника питания из положительного источника питания или для удвоения напряжения источника питания }

Пластина конденсатора должна заряжаться примерно от -В до +В, а когда оно достигает 0,6 В (чуть более на полпути) это приводит к включению транзистора. Это составляет около 50% конечного напряжения, до которого он пытается зарядиться, и занимает около 0,7 x постоянной времени (либо C1R2, либо C2R3).