Генератор с кварцевой стабилизацией частоты.

Генератор с кварцевой стабилизацией частоты.

Генераторы с кварцевыми резонаторами применяют тогда, когда необходимо получить колебания стабильной частоты. Кварцевый резонатор является высокодобротным фильтром, частотные свойства которого определяются геометрическими размерами и типом колебаний пластины. Применение кварцевых резонаторов позволяет обеспечить относительное изменение частоты, не превышающее 10^-6 – 10^-9, что на несколько порядков лучше соответствующих параметров LC - и RC -генераторов. Для изготовления кварцевых резонаторов используют природный или искусственный монокристаллический кварц. В нем существуют прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект характеризуется тем, что при приложении к пластине кварца механического напряжения на обкладках появляется электрический заряд, пропорциональный приложенному напряжению. Обратный пьезоэффект сводится к тому, что приложенное к пластине электрическое напряжение приводит к возникновению механических напряжений, изменяющих форму и размеры пластины. В схемах кварцевых генераторов, как и в LC -генераторах, вводят положительную обратную связь и обеспечивают надлежащее усиление на резонансной частоте, что обеспечивает автоколебания. Их можно выполнять по схемам, использующим как последовательный, так и параллельный резонансы в электрической цепи. Некоторые из возможных схем генераторов с кварцевой стабилизацией приведены на рис. 16.25, а, б, в. В генераторе прямоугольных импульсов (рис.16.25, а) использован последовательный резонанс. Эта схема пригодна и для логических схем и для микропроцессоров. Генератор (рис16.25, б) отличается от предыдущей схемы только тем, что в нем в качестве усилителя применен ОУ. Верхняя частота, на которой возможно самовозбуждение такого генератора, обычно не превышает несколько сотен кГц. В генераторе (рис.16.25, в) используется параллельный резонанс. Кварцевый резонатор включен в цепь ООС. На частоте параллельного резонанса реактивное сопротивление кварцевого резонатора резко возрастает. Глубина отрицательной ОС уменьшается, а положительной – остается неизменной. Если результирующее значение обратной связи окажется положительным, то генератор возбудится. Ограничение амплитуды автоколебаний осуществляется за счет выхода ОУ в нелинейную область.

 

Одновибраторы

Одновибратор – это мультивибратор в ждущем режиме. Исходя из функциональных признаков, одновибратору часто присваивают и другие названия: спусковая система, заторможенный мультивибратор, однотактный релаксатор и др. Однако независимо от названия одновибратор представляет собой устройство с положительной обратной связью, имеющее одно устойчивое и одно временно-устойчивое состояние, формирующие одиночный прямоугольный импульс. Формирование импульса прямоугольной формы осуществляется одновибраторном после поступления запускающего импульса, который переводит Одновибратор из устойчивого состояния во временно устойчивое. Момент окончания временно устойчивого состояния определяется времязадающей цепочкой. Изменяя постоянную времени цепочки (плавно или скачком), можно регулировать длительность выходных импульсов в широких пределах. Поэтому одновибраторы широко применяются для формирования прямоугольных импульсов заданной длительности и амплитуды и для задержки импульсов на заданное время. Одновибратор может быть получен из автоколебательного мультивибратора, если его принудительно запереть в одном из временно устойчивых состояний, превратив его в устойчивое.

Принципиальная схема одновибратора

Временные диаграммы работы одновибратора

 

 

Дифференциальные УПТ.

В настоящее время входные цепи операционных усилителей в подавляющем большинстве выполняются по схеме дифференциальных усилителей. По принципу построения это балансные (мостовые) усилительные каскады параллельного типа. Они обладают высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления синфазных помех. Дифференциальный усилитель – это широко известная схема, используемая для усиления разности двух напряжений. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из сигналов, а определяется только их разностью. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одинаково, то такое изменение сигнала называют синфазным. Дифференциальный или разностный сигнал называют еще полезным. Хороший дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления (подавления) синфазного сигнала (К _ОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу. Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным линиям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), звуковые сигналы, напряжения кардиограмм. Дифференциальные усилители используются для построения входных каскадов операционных усилителей, которые являются базой современной аналоговой схемотехники.

Дифференциальный каскад состоит из двух каскадов, у которых используется общий эмиттерный резистор (рис.11.15, а). Элементы схемы образуют мост (рис.11.15, б), в одну диагональ которого включен источник питания U _ПИТ, в другую – сопротивление нагрузки R _Н. Условие баланса моста, при котором его выходное напряжение равно нулю, определяется как

R_VT1 R _{K 2} = R_VT2 R _{K 2} Нарушение этого условия приводит к разбалансировке моста и появлению выходного напряжения.

Рис.11.15. Дифференциальный усилительный каскад (а) и его схема замещения (б)

На вход схемы подаются сигналы, один из которых – дифференциальный необходимо усиливать, другой – синфазный необходимо подавлять. Синфазный сигнал вызывает одинаковое изменение состояния транзисторов, следовательно, выходное напряжение при идентичности параметров плеч не будет изменяться, что обеспечивает подавление синфазной помехи. Дифференциальный сигнал вызывает приоткрывание одного из транзисторов и подзапирание второго, тем самым, вызывая появление напряжения на выходе схемы. В этом случае напряжения на входах имеют противоположные знаки. Поэтому приращения как коллекторного, так и эмиттерного токов также имеют противоположные знаки.

Когда в эмиттерной цепи дифференциального усилителя включен генератор стабильного тока, можно дать простое качественное объяснение работы усилителя в целом. Входные сигналы не могут изменить суммарный ток в эмиттерной и коллекторной цепи, они могут только по-разному распределять его между транзисторами. Следовательно, синфазный сигнал не меняет коллекторных токов, и выходной сигнал не возникает. Сигнал на выходе появляется только в том случае, когда входные напряжения различны, при этом в один из транзисторов будет отводиться большая доля суммарного тока эмиттеров, чем в другой. Например, если увеличивается входное напряжение первого транзистора, увеличивается его коллекторный ток, уменьшается – у второго транзистора, соответственно уменьшается напряжение коллектора первого транзистора и увеличивается – у второго транзистора, выходное напряжение равно разности этих двух напряжений.

В реальном усилителе из-за неизбежной асимметрии схемы происходит лишь частичная компенсация изменений выходного напряжения, вызванного действием внешних дестабилизирующих факторов. Недостатком рассмотренных схем усилителей постоянного тока является дрейф нуля – самопроизвольное изменение выходного напряжения. В первую очередь оно обусловлено несимметрией схемы. Все рассмотренные схемотехнические приемы направлены на улучшение параметров схемы. Для устранения дрейфа нуля используются усилители постоянного тока с преобразованием. В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно меняющийся сигнал преобразуется (модулируется) в переменный сигнал повышенной частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно меняющийся сигнал. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц.

Вследствие того, что в таких усилителях отсутствуют гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в прецизионных устройствах. Еще одним достоинством усилителей постоянного тока с преобразованием является возможность изолировать входную и выходную части.

К недостаткам таких усилителей относятся малый частотный диапазон и наличие импульсных помех от модуляторов, присутствующих в выходном сигнале.

 

 

Компараторы напряжения.

Аналоговые компараторы напряжения предназначены для определения момента равенства двух напряжений и выработки цифровых выходных сигналов 0 или 1 в зависимости от знака разности сравниваемых сигналов. Компаратор представляет собой одноразрядный аналого-цифровой преобразователь.

Временные диаграммы работы компаратора без гистерезиса и с гистерезисом

Компараторы характеризуются следующими статическими параметрами.

1. Пороговая чувствительность – минимальный разностный сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как логический сигнал. 2. Напряжение смещения Е _СМ – определяет смещение передаточной характеристики компаратора относительно идеального положения (рис.14.1, а). Для коррекции этого смещения используют балансировку. 3. Входные токи I⁺ _ВХ и I^- _ВХ – токи, протекающие через входные выводы компараторов. 4. Разность входных токов ΔI _ВХ = I⁺ _ВХ – I^- _ВХ – токи, протекающие через закороченные входы. 5. Напряжение гистерезиса U _Г – разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения.

6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К _ОСС – отношение синфазного сигнала U _СФ к дифференциальному сигналу ΔU _ВХ, вызывающему срабатывание компаратора К _ОСС = 20lg(U _СФ / ΔU _ВХ). 7. Входное сопротивление – полное входное сопротивление для малого разностного сигнала.

8. Выходные логические уровни – напряжения логического 0 и 1 на выходе. Основным динамическим параметром компаратора, определяющим его быстродействие, является время задержки распространения t _ЗД.Р. скачкообразного входного сигнала или время переключения компаратора (рис). Это время отсчитывают от момента подачи скачкообразного входного сигнала до момента установления на выходе логического 0 или 1.

Простейшие компараторы на операционных усилителях:

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения U _Г.

Инвертирующий триггер Шмита

При повышении входного напряжения U _ВХ, величина выходного напряжения U _ВЫХ сначала не меняется. Но как только U _ВХ достигает значения U _Нмакс, выходное напряжение начинает падать, а вместе с ним снижается и потенциал на неинвертирующем входе U _Н. Благодаря действию этой положительной обратной связи U _ВЫХ скачком падает до величины U _ВЫХмин, а потенциал U _Н будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения U _{ВЫХмакс} только тогда, когда входное напряжение U _ВХ достигнет значения U _Нмакс.

 

Применение ОУ.

Правила использования усилителя на ОУ: 1. В усилителе должна быть обязательно обратная связь. 2. В усилителе должна быть ООС по пост. Току. 3. Входы ОУ токов не потребляют. Rвх=10^6…10^17 Ом. 4. ООС делает разницу напряжения между входами равной.

1. Инвертирующий усилитель:

2. Неинвертирующий усилитель:

Повторитель (буфер):

Усилитель переменного тока на ОУ:

3. Интеграторы:

4. Дифференциатор на ОУ

Эмиттерный повторитель.

Эмиттерный повторитель представляет собой усилитель тока и мощности, выполненные на транзисторах по схеме с ОК (ОС), охваченные 100%-ной последовательной ООС.

 

Схемы эмиттерного (а) повторителей

Сопротивление нагрузки включается в эмиттерную цепь транзистора. ЭП обладает повышенным входными и пониженным выходным сопротивлениями. Его входное и выходные напряжения совпадают по фазе и незначительно отличаются по величине. Отмеченные свойства ЭП позволяют использовать его для согласования (разделения) высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки. ЭП можно рассматривать как усилительный каскад с ОЭ, у которого R _К = 0, а резистор в цепи эмиттера не зашунтирован конденсатором. В этом случае все выходное напряжение, выделяемое на сопротивлении в цепи эмиттера, последовательно вводится во входную цепь усилителя, где вычитается из напряжения входного сигнала U _ВХ, снижая его. В схеме действует 100%-ая последовательная ООС по напряжению, увеличивающая входное и уменьшающая выходное сопротивление ЭП. В отличие от усилителя с общим эмиттером, ЭП не инвертирует входной сигнал. Действительно, если к входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению эмиттерного тока транзистора и соответствующему увеличению его выходного напряжения. Поэтому входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в одинаковой фазе. Рассмотрим основные характеристики каскада. Для определения коэффициента усиления по напряжению воспользуемся основным выражением для коэффициента передачи усилителя с цепью ООС. Тогда, имея коэффициент обратной связи β_U = 1, получим

К_{U ЭП} = К_U / (1 + К_U β_U) = К_U / (1 + K_U) < 1. (11.13)

Для реальных схем входное сопротивление каскада

R _ВХ = β R _Э, (11.14)

где β – коэффициент усиления транзистора по току.

Не обладая усилением по напряжению, ЭП обладает значительным усилением по току:

К_{I ЭП} = β + 1. (11.15)

Следствием этого является значительное усиление по мощности (К_Р ≈ К_I).

Частотные свойства ЭП (как и каскада с общим эмиттером) полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора. Однако на практике данный каскад является более высокочастотным, что является следствием 100%-ой ООС.

 

Основные понятия линейных электрических цепей. Аттенюаторы. Идеальные и реальные источники напряжения. Источники тока.

Электрическая цепь – цепь, в которой электрические сопротивления, индуктивности и электрические емкости участков не зависят от значений и направлений токов и напряжений в цепи. Элементы цепей разделяются на активные (способность отдавать электрическую энергию – источники эл. энергии, усилители и генераторы эл. сигналов) и пассивные (потребляют энергию – резисторы, катушки, конденсаторы).

Резистор: Сопротивление в зависимости от напряжения или тока может определяться либо в статическом режиме , либо в режиме малых приращений сигнала (дифференциальное сопротивление) Сопротивление двух последовательно соединенных резисторов равно . Сопротивление двух параллельно соединенных резисторов равно: .

Конденсатор:элемент, в котором энергия электрического тока превращается в энергию электрического поля. К. – это частотно-зависимый резистор. Конденсатор не пропускает постоянный ток, передача переменного сигнала состоит в периодическом заряде и разряде его пластин.

Катушка индуктивности: это элемент, в котором энергия электрического тока, превращается в энергию магнитного поля.

Трансформатор: пассивный элемент, состоящий из 2х связанных катушек индуктивности. Не усиливает мощность, работает только при переменном напряжении. Коэффициент передачи
𝐾= .

Функции:1. Изменение величины напряжения. 2. Изменение фазы сигнала. 3. Изменение формы выходного сигнала. 4. Гальваническая развязка-отсутствие связи по пост.току.

Аттенюаторы: делитель напряжения – позволяет получить на выходе напряжение, меньшее и пропорциональное входному:

 

Идеальный источник напряжения - блок,имеющий 2 вывода, между которыми он поддерживает постоянное напряжение назависимо от величины сопротивления нагрузки. Реальный источник напряжения не может дать ток, больший некоторого предельного максимального значения,и в общем случае он ведёт себя как идеальный источник напряжения, к которому последовательно подключён резистор с небольшим сопротивлением. У идеального источника напряжения его сопротивление рано 0, т.е. его выходное напряжение не зависит от тока.

Идеальный источник тока – блок,имеющий 2 вывода и поддерживающий постоянный ток во внешеней цепи независимо от величины сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Его сопротивление равно бесконечности.

 

 

Генератор с кварцевой стабилизацией частоты.

Генераторы с кварцевыми резонаторами применяют тогда, когда необходимо получить колебания стабильной частоты. Кварцевый резонатор является высокодобротным фильтром, частотные свойства которого определяются геометрическими размерами и типом колебаний пластины. Применение кварцевых резонаторов позволяет обеспечить относительное изменение частоты, не превышающее 10^-6 – 10^-9, что на несколько порядков лучше соответствующих параметров LC - и RC -генераторов. Для изготовления кварцевых резонаторов используют природный или искусственный монокристаллический кварц. В нем существуют прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект характеризуется тем, что при приложении к пластине кварца механического напряжения на обкладках появляется электрический заряд, пропорциональный приложенному напряжению. Обратный пьезоэффект сводится к тому, что приложенное к пластине электрическое напряжение приводит к возникновению механических напряжений, изменяющих форму и размеры пластины. В схемах кварцевых генераторов, как и в LC -генераторах, вводят положительную обратную связь и обеспечивают надлежащее усиление на резонансной частоте, что обеспечивает автоколебания. Их можно выполнять по схемам, использующим как последовательный, так и параллельный резонансы в электрической цепи. Некоторые из возможных схем генераторов с кварцевой стабилизацией приведены на рис. 16.25, а, б, в. В генераторе прямоугольных импульсов (рис.16.25, а) использован последовательный резонанс. Эта схема пригодна и для логических схем и для микропроцессоров. Генератор (рис16.25, б) отличается от предыдущей схемы только тем, что в нем в качестве усилителя применен ОУ. Верхняя частота, на которой возможно самовозбуждение такого генератора, обычно не превышает несколько сотен кГц. В генераторе (рис.16.25, в) используется параллельный резонанс. Кварцевый резонатор включен в цепь ООС. На частоте параллельного резонанса реактивное сопротивление кварцевого резонатора резко возрастает. Глубина отрицательной ОС уменьшается, а положительной – остается неизменной. Если результирующее значение обратной связи окажется положительным, то генератор возбудится. Ограничение амплитуды автоколебаний осуществляется за счет выхода ОУ в нелинейную область.

 

Одновибраторы

Одновибратор – это мультивибратор в ждущем режиме. Исходя из функциональных признаков, одновибратору часто присваивают и другие названия: спусковая система, заторможенный мультивибратор, однотактный релаксатор и др. Однако независимо от названия одновибратор представляет собой устройство с положительной обратной связью, имеющее одно устойчивое и одно временно-устойчивое состояние, формирующие одиночный прямоугольный импульс. Формирование импульса прямоугольной формы осуществляется одновибраторном после поступления запускающего импульса, который переводит Одновибратор из устойчивого состояния во временно устойчивое. Момент окончания временно устойчивого состояния определяется времязадающей цепочкой. Изменяя постоянную времени цепочки (плавно или скачком), можно регулировать длительность выходных импульсов в широких пределах. Поэтому одновибраторы широко применяются для формирования прямоугольных импульсов заданной длительности и амплитуды и для задержки импульсов на заданное время. Одновибратор может быть получен из автоколебательного мультивибратора, если его принудительно запереть в одном из временно устойчивых состояний, превратив его в устойчивое.

Принципиальная схема одновибратора

Временные диаграммы работы одновибратора