Тема 1.9 Селективні підсилювачі

1Характеристики послідовного та паралельного контурів.

2 Підсилювачі резонансні LC-типу.

3 RC-вибіркові системи. Подвійний Т-міст.

4 Селективні RC-підсилювачі

Література: Бойко, с.122 – 123, В.І.Мілих, с.555-557

Література:		Бойко В.І., Гуржій А.М.Основи технічної електроніки, 2007
		Бойко В.І., Гуржій А.М., Жуйков В.Я. Основи схемотехніки електронних систем, 2004
		Гуржій А.М.,Самсонов В.В., Поворознюк Н.І. Імпульсна та цифрова техніка, 2005
		Джонс М.Х. Електроніка-Практичний курс, 2006
		Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы, 2002
		Колонтоєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка, 2003
Самостійно	год.	Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители Питання для розгляду 1. Схеми індуктивної та ємнісної триточки [1], с. 221-224; Гершунский, с. 338 2. RC – генератор на операційному підсилювачі, з фазообертальним колом на трьох RC-ланках [1], с. 227-230; Скаржепа, Сенько, Электроника и микросхемотехника, с.93 (рис. 6.4 а, б) Завдання 1. Законспектувати схеми індуктивної та ємнісної триточки, зазначивши принцип формування зсуву фаз на 360 для забезпечення збудження. 2. Законспектувати схеми RC-генераторів з фазообертальним колом на базі трьох RC-ланок, та на операційному підсилювачі (ОП).

Мета: повинні знати Паралельний та послідовний зворотні зв’язки. Зв’язок за струмом та напругою Вплив негативного зворотного зв’язку на параметри підсилювача (вхідний та вихідний опори, коефіцієнт підсилення, коефіцієнт частотних спотворень, стійкість підсилювача)

Рефлексія: що ви повинні вивчити в даній лекції?

Генератори гармонійних коливань – це електронні пристрої, які перетворюють енергію постійного струму (енергію джерела живлення) в енергію електромагнітних синусоїдних коливань заданої частоти.

Принцип роботи генераторів коливань базується на реалізації умов самозбудження підсилювача з додатним зворотним зв'язком (ДЗЗ), структурну схему якого показано на рис.3.16.

Рисунок 3.16 – Структурна схема генератора коливань

 

Для комплексних значень вхідних і вихідних напруг підсилювача запишемо: u_вих = Кu_вх , а u_вх = u_зв.з = βu_вих , де К, β – комплексні значення коефіцієнта підсилення та передатного коефіцієнта ланки зворотного зв'язку. Як відомо, коефіцієнт підсилення за напругою підсилювача з додатним ЗЗ визначається виразом

К_п = К /(1- Кβ).

Перехід підсилювача в режим генерування коливань (К_п = ∞) забезпечується умовою К∙β = 1 або К ∙ е^jφ β^jψ = 1.

Це рівняння називають умовою самозбудженя генератора коливань. Ця умова поділяється на умову балансу амплітуд (Кβ = 1) і на умову балансу фаз (φ = -ψ +2π), які визначають стабільну роботу генератора коливань (рис.3.17).

Генератори гармонійних коливань реалізуються на базі операційних підсилювачів (на частотах не більше 15 МГц) й поділяються за типом частотно-вибіркової ланки, які задають частоту коливань, на LC- і RC – автогенератори. Такі ланки утворюють ДЗЗ, а в ланку ВЗЗ вмикають елементи або схеми для забезпечення стабільності амплітуди коливань чи її регулювання.

Рисунок 3.17 – Умови роботи генератора коливань

 

LC- генератори (рис.3.18) містять у ланці ДЗЗ паралельний резонансний контур LC, параметри якого визначають частоту коливань вихідної напруги

f₀ = ω₀ /2π = 1/2π√LC.

Елементи ввімкнуті у ланку ВЗЗ визначають амплітуду коливань, а також забезпечують їх стабільність (терморезистор в схемі рис.3.18,б).

Рисунок 3.18 – Схеми LC - генераторів

 

Практично задану частоту коливань отримують шляхом налаштовування контура в резонанс струмів, який визначається рівністю реактивних провідностей b_L = b_C, з урахуванням резистивного опору навою R_К: b_L = Х /(R²_К + Х²_К), де Х_К - реактивний опір навою.

RC- генератори (рис.3.19) містять у ланці ДЗЗ частотно - вибіркову ланку R-C (R₁, C₁, R₂, C₂), параметри якої визначають частоту коливань генератора

f₀ = ω₀ /2π = 1/2π√R₁R₂C₁C₂.

Зміну частоти або корекцію здійснюють шляхом одночасної зміни параметрів C₁ і C₂ чи R₁ і R₂.

Передатний коефіцієнт ланки ДЗЗ такого генератора

Рисунок 3.19 – Схеми RC- генераторів

 

Якщо параметри частотно-вибіркової ланки є однаковими (R₁ = R₂ , C₁ = C₂), тоді передатний коефіцієнт і частота коливань визначаються як

β = 1/3, f₀ = ω₀ /2π = 1/2πRC.

Таку частотно-вибіркову ланку називають мостом Віна, а RC- генератори з мостом Віна знайшли широке використання (рис.3.19,б). Такі генератори забезпечують регулювання амплітуди коливань, не порушуючи умови самозбудження. Зазвичай ланка ВЗЗ генератора реалізується як схема регулювання амплітуди.

Стабілізація частоти автогенераторів. Основною характеристикою роботи автогенераторів є стабільність частоти коливань, від якої залежить точність системкерування технологічними процесами. Зміна частоти коливань зумовлюється нестабільністю напруги живлення, зовнішніми факторами (температурою, тиском, вологістю тощо). Ці фактори впливають на зміну ємності (∆С) чи індуктивності (∆L).

Нестабільність частоти коливань характеризується коефіцієнтом відносної нестабільності ∆f/f_р (де f_р - робоча частота автогенератора), який визначається через параметри схеми:

- для LC- генераторів ∆f/f_р = -1/2(∆L/L +∆С/С);

- для RC- генераторів ∆f/f_р = -(∆С/С +∆R/R).

Для зменшення нестабільності частоти використовують параметричну та кварцеву стабілізацію.

Параметрична стабілізація базується на підборі елементів схеми, які мало чутливі до змін дестабілізуючих факторів. Така стабілізація забезпечує нестабільність частоти 10^-5.

Кварцева стабілізація базується на використанні кварцевих резонаторів, що містять пластину кварца (турмалину), вмонтовану в кварцетримач (рис.3.20,а) і забезпечує нестабільність частоти 10^-8. Відомо, що для мінералу кварца властиве явище п'єзоефекту: при механічній дії на протилежних гранях виникає різниця електричних потенціалів і, навпаки, при дії змінного електричного поля виникають стійкі механічні коливання.

Рисунок 3.20 – Схемне зображення кварцевого резонатора (а)

та його заступна електрична схема (б)

 

Отже, кварц в залежності від геометричних розмірів і кута зрізу пластини забезпечує стабільну частоту (резонансну частоту) від 1 кГц до 1000 МГц.

Вмикання кварцевого резонатора в електричну схему евівалентно вмиканню резонансного контура (рис.3.20,б), де L _кв, R _кв, C _кв – параметри кварца, С ₀ – ємність кварцетримача. Практично С ₀ >> С _кв, тому С _екв ≈ С _кв і резонансна частота такого контура, враховуючи, що R _кв має невеликий опір, визначається

f _рез = 1/2π√L_квC_кв .

На рис. 3.21 зображено схему вмикання кварцевого резонатора в міст Віна для стабілізації частоти в RC – генераторі, який практично використовують як кварцевий автогенератор коливань.

Рисунок 3.21 - RC – генератор з кварцевою стабілізацією частоти

 

1. Генератори гармонічних коливань
Генератори гармонічних коливань являють собою електронні пристрої, що формують на своєму виході періодичні гармонійні коливання при відсутності вхідного сигналу. Генерування вихідного сигналу здійснюється за рахунок енергії джерела живлення. Зі структурної точки зору генератори представляють собою підсилювачі електричних сигналів, охоплені ПЗЗ.
Зовнішній вхідний сигнал відсутній. На вході підсилювача діє тільки вихідний сигнал ОС UOC. А на вході ОС діє UВХОС = Uвих. Тому коефіцієнт підсилення такого схеми

Умовою, що забезпечує наявність сигналу на виході генератора при відсутності зовнішнього вхідного сигналу є К → ∞, тобто

При виконанні цієї умови будь-який підсилювач, охоплений ПЗЗ стає генератором, на виході його з'являються коливання, незалежні від вхідного сигналу (автоколивання). Явище виникнення автоколивань в підсилювачі називається самозбудженням.
Умова виникнення автоколивань можна розділити на дві складові:
1) Умова балансу амплітуд: К ∙ β = 1. Фізичний сенс: результуюче підсилення в контурі, що складається з послідовного з'єднання підсилювача і ланцюга ЗЗ має дорівнювати одиниці. Якщо ланцюг ЗЗ послаблює сигнал, то підсилювач повинен на 100% компенсувати це послаблення. Тобто якщо в будь-якому місці розірвати контур ПЗЗ і на вхід подати сигнал від зовнішнього джерела, то пройшовши по контуру К ∙ β з виходу розриву ланцюга ЗЗ повернеться сигнал точно такої же амплітуди, що був поданий на вхід розриву.
2) Умова балансу фаз: arg (K · β) = 0. Фізичний сенс: результуючий фазовий зсув, що вноситься підсилювачем і ланцюгом ЗЗ повинен бути рівний нулю (або кратний 2π). Тобто при подачі сигналу на розрив, сигнал, який повернувся, буде мати таку саму фазу. При виконанні цієї умови ЗЗ буде позитивний.
Для існування автоколивань необхідно одночасне виконання цих умов. Якщо ці умови виконуються не для однієї частоти, а для цілого спектру частот, то генерований вихідний сигнал буде складним (не гармонійним). Для забезпечення синусоїдальности вихідного сигналу генератор повинен генерувати сигнал тільки однієї єдиної частоти. Для цього необхідно, щоб умови виникнення автоколивань виконувалися для єдиної частоти, яка і буде генеруватися. Для цього роблять К або β частотно-залежними. Як правило β має максимум β₀ на деякій частоті ω₀. Тому на ω₀ і коефіцієнт посилення буде мати максимум К₀. Величини К₀ і β₀ забезпечують такими, щоб вони задовольняли умовам виникнення автоколивань. Тоді при відхиленні частоти від ω₀ умови виникнення автоколивань виконуватися не будуть, що призведе до затухання коливань цієї частоти і на виході генератора будуть тільки гармонійні коливання частоти ω₀.
У залежності від того, яким способом у генераторі забезпечується умова балансу фаз і амплітуд, розрізняють генератори:
1) RC-типу;
2) LC-типу.

2. Генератор LC-типу
Такий генератор будують на основі підсилювального каскаду на транзисторі, включаючи в його колекторний ланцюг коливальний LC-контур. Для створення ПЗЗ використовується трансформаторний зв'язок між обмотками W1 (що має індуктивність L) і W2 (рис. 2.1).

Рис. 2.1 - Генератор LC-типу
Напруга U2 є напругою ЗЗ. Вона пов'язана з напругою первинної обмотки W1 коефіцієнтом трансформації:

Коефіцієнт трансформації в даному випадку є коефіцієнтом передачі ЗЗ, показуючи яка частина напруги передається на вхід. Для виконання балансу амплітуди на частоті ω0 має виконуватися рівність
З цієї умови розраховується необхідне число витків вторинної обмотки, чим забезпечується умова балансу амплітуд. Для забезпечення балансу фаз необхідно забезпечити відповідне включення початку і кінців обмоток, щоб ЗЗ була позитивною. Ємність С1 вибирають такий, щоб її опір на частоті генерації був незначним у порівнянні з R2. Це виключає вплив опору подільника на струм у вхідному ланцюзі транзистора, створюваний напругою ЗЗ. Призначення R_Е і С_Е таке ж, як у звичайному підсилювальному каскаді. LC-генератори, також як і LC-вибіркові підсилювачі застосовують в області високих частот, коли потрібні невеликі величини L і є можливість забезпечити високу добротність LC-контура. А на низьких і інфранизьких частотах, коли побудувати LC-генератори важко, використовують RС -ланцюги тих же типів, що і для вибіркових підсилювачів.
3. RC-генератор з послідовно-паралельної RC-ланцюгом

Рис. 3.1 - Принципова схема генератора з послідовно-паралельної RC-ланцюгом на ОУ

Рис. 3.2 - Частотна характеристика RC-ланцюга
Так як послідовно-паралельна ланцюг має на частоті настроювання ω0 коефіцієнт передачі β0 = 1/RC, то умова балансу амплітуд Кн ∙ β0 = 1 запишеться як

звідки R2 = 2R1 і К = 3.
Регулювання частоти в цьому генераторі здійснюється одночасною зміною опорів R або ємностей С. Для стабілізації амплітуди генерованих коливань як опір R1 застосовують терморезистор з позитивним температурним коефіцієнтом. Якщо при цьому амплітуда вихідного сигналу зросте вище встановленого рівня, то зрослий сигнал на виході генератора призведе до збільшення напруги та струму (тобто потужності) на R1. При нагріванні R1 його опір зросте й коефіцієнт посилення по неінвертуючий вхід зменшиться (тобто зменшиться нахил амплітудної характеристики підсилювача по неінвертуючий вхід). Це призведе до зменшення амплітуди автоколивань на виході. Якщо ж амплітуда автоколивань зменшиться, то потужність виділяється на R1 зменшиться. Його температура також зменшиться, що викличе зменшення його температури. Коефіцієнт посилення зросте, збільшиться нахил характеристики, точка перетину характеристик зміститься вгору й забезпечить більшу амплітуду. В якості такого терморезистора можна використовувати малопотужну лампу розжарювання.
Існує безліч стабілізаторів амплітуди коливань. Так, наприклад, послідовно з R2 включають двосторонній стабілітрон, який працює як на позитивній, так і на негативній полуволне (рис. 3.1-а.). При цьому, поки амплітуда вихідного сигналу недостігла напруги стабілізації , Еквівалентний опір R2 і велике. Тому великий і коефіцієнт підсилення. Це призводить до зростання амплітуди вихідної напруги . При досягненні напруги стабілізації відбувається пробій стабілітрона, еквівалентний опір ланцюга ОС зменшується до виконання умови балансу амплітуд і вихідна напруга стабілізується на цьому рівні. C допомогою стабілітронів можна исскуственно формувати вихідну характеристику генератора, створюючи за допомогою R2 і VС ділянку насичення на амплітудної характеристиці, відповідний напрузі .
Рис. 3.1-а - Принципова схема генератора з послідовно-паралельної RC-ланцюгом на ОУ

4. Схема генератора RC - типу з фазосдвигающей ланцюгом
Побудувати схему генератора можна застосовуючи частотно залежні ланцюга, які не мають у своїй частотній характеристиці максимумів або мінімумів. При цьому також можна забезпечити виконання умов балансу амплітуд і фаз.
Наприклад розглянемо RС-ланцюг, що складається з трьох дифференцирующих ланок, яка може застосовуватися для побудови генератора.

Рис. 4.1 - RС-ланцюг з трьох дифференцирующих ланок
Така ланцюг не буде пропускати НЧ сигнали і постійну складову, але добре пропускає ВЧ сигнали. На високій частоті ланцюг не дає фазового зсуву. При зменшенні частоти кожна RС-ланцюг дає фазовий зсув дорівнює 90^о.
Коефіцієнт передачі такого ланцюга залежить від частоти. Фазовий зсув між вихідним і вхідним сигналом із зростанням частоти зменшується від 270 ^о до 0 ^о. На деякій частоті ω0 фазовий зсув дорівнює 180 ^о, а b = 1 / 30. Ця властивість використовується при побудові генератора.
Генератор будується на інвертуючому підсилювачі, в ОС якого включена дифференцирующая ланцюг.

Рис. 4.2 - Схема генератора з фазосдвигающей ланцюгом
Фазовий зсув, що вноситься ОС на частоті ω0 дорівнює 180 ^о, а результуючий фазовий зсув, що вноситься інвертує підсилювачем разом з ОС дорівнює 360 ^о. Таким чином незважаючи на те, що вихід RС-цепи підключений до інвертує входу ОП, ОС через RС-ланцюг - позитивна.

Рис. 4.3 - ФЧХ генератора
Умова балансу амплітуд:
| КІ | b (ω0) = 1, КІ =-Rос / R.
| КІ | = 1 / b (ω0) = 30, Rос = 30R.
При цьому генератор буде генерувати коливання з частотою ω0, яка залежить від параметрів RС-цепи:

При розрахунку генератора зазвичай ω0 відомо, З задають, розраховують R і по ньому знаходять Rос.
Недоліком цієї схеми є те, що спотворення сигналу в цій схемі більше в порівнянні з іншими схемами.
Висновок
Використання кварцових резонаторів дозволяє значно знизити відносну зміну частоти генераторів. Однак, у кварцових генераторів утруднено оперативну зміну частоти вихідного сигналу.
На відміну від аналогових, цифрові генератори володіють високою стабільністю, надійністю, можливістю зміни частоти генерується сигналу в широких межах і універсальністю.
Бурхливий розвиток цифрової електронної техніки дозволяє у все більшій кількості випадків формування аналогових сигналів використовувати цифрові методи. Так як цифрові генератори аналогових сигналів мають ряд переваг:
- Універсальність, оскільки вони дозволяють генерувати аналоговий сигнал з довільною, заданої користувачем, формою;
- Відсутність обмеження по мінімальній частоті;
- Висока стабільність параметрів вихідного сигналу та інші.
Цифрові генератори мають універсальністю, точністю і зручністю налаштування. Тому вони отримують все більше поширення як вузли електронної апаратури, тат і як самостійні пристрої застосовуються при вимірах і налагодженні систем, що працюють зі складними сигналами.
Аналогові генератори використовуються в тих випадках, коли немає високих вимог до параметрів генератора, або важлива простота і мінімальна вартість сайту.