Generatory napięcia sinusoidalnego (LC i kwarcowe) druk
powrót

0. Definicja
1. Dodatnie sprzężenie zwrotne - jego wpływ na pracę wzmacniacza
2. Generacja drgań - warunek amplitudowy i fazowy
3. Zasada działania generatorów z dzieloną pojemnością

Literatura


1. J. Pawłowski "Podstawowe układy elektroniczne - wzmacniacze i generatory"



Definicja

Generatory - definicja
Generatory są układami służącymi do wytwarzania zmiennych przebiegów elektrycznych bez konieczności doprowadzania z zewnątrz jakiegokolwiek sygnału pobudzającego. Przetwarzają energię prądu stałego (z zasilacza) na energie drgań.

Podział generatorów
Generatory można podzielić na dwie zasadnicze grupy w zależności od kształtu generowanego przebiegu:
a) generatory drgań sinusoidalnych
b) generatory drgań niesinusoidalnych (generatory relaksacyjne) - np. o przebiegu prostokątnym, trójkątnym itp.

Generatory sinusoidalne LC są zbudowane ze wzmacniacza odwracającego fazę objętego pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającego obwód rezonansowy LC, którego zadaniem jest przesunięcie fazy o dalsze 180o (czyli w sumie o 360o - sprzężenie jest wtedy dodatnie) tylko dla wybranej częstotliwości, określonej parametrami tego obwodu.
Spełnienie warunku fazy i amplitudy można osiągnąć przez odpowiedni podział reaktancji obwodu LC lub za pomocą sprzężenia transformatorowego. Rozróżnia się następujące podstawowe układy generatorów LC:
- z dzieloną indukcyjnością (układ Hartleya);
- z dzieloną pojemnością (układ Colpittsa);
- ze sprzężeniem transformatorowym (układ Meissnera).

Generatory kwarcowe.
Jeżeli jest wymagana bardzo dobra stabilność pracy generatora, to stosuje się element stabilizujący częstotliwość drgań - rezonator piezoelektryczny (kwarcowy) lub ceramiczny. Działanie rezonatora piezoelektrycznego (najczęściej kwarcowego) polega na sprzężeniu mechanicznych drgań płytki kryształu z jego właściwościami elektrycznymi, tj. napięciem na przyłączonych do płytki elektrodach. Drgania mechaniczne wywołują napięcie na elektrodach i odwrotnie - napięcie powoduje drgania. To sprzężenie jest najsilniejsze dla częstotliwości rezonansu mechanicznego, ściśle określonej dla poszczególnych kryształów. Dobroć rezonatorów kwarcowych jest ok. 100 razy większa niż konwencjonalnych układów LC i wynosi 104...105. Stabilność drgań jest bardzo duża i w znikomym stopniu zależy od temperatury.



Generacja drgań - warunek amplitudowy i fazowy


    Na rys 1 przedstawiony jest ogólny schemat blokowy generatora z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Schemat blokowy generatora
Rys. 1 Schemat blokowy generatora

Układ generatora zawiera:

- wzmacniacz o wzmocnieniu K,
- obwód pobudzany do drgań (ustalający częstotliwość),
- pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego b.
Często zdarza się że element "ustalający częstotliwość", np. C, L jest zawarty w sprzężeniu zwrotnym, a wtedy samo "sprzężenie" jest po prostu połączeniem miedzy wyjściem i wejściem.

Wzmocnienie wzmacniacza z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego wynosi:

    Dla podtrzymania drgań w generatorze wymagane jest spełnienie niezależnie dwóch warunków: fazy i amplitudy.
a) warunek fazy - musi zachodzić zgodność fazy sygnałów na wejściu i wyjściu wzmacniacza tzn.: jwe + jwy = 0 + n × 360o, (n = 0, 1, ...)
b) warunek amplitudy - ma postać: Kb = 1 (wtedy wzmacniacz staje się układem niestabilnym: 1 - Kb = 0).
W takim przypadku wzmacniacz całkowicie kompensuje tłumiące działanie obwodu sprzężenia zwrotnego. Generator sam dostarcza na wejście sygnał podtrzymujący drgania. W praktyce aby drgania nie zanikały - iloczyn Kb musi być trochę większy od 1.

    Dla zapewnienia warunku fazy w generatorach stosuje się dwa podstawowe rozwiązania:
1) Wzmacniacz przesuwa fazę o 0o (360o), a pętla sprzężenia zwrotnego i układ pobudzany nie wnosi dla danej częstotliwości przesunięcia fazowego.
2) Wzmacniacz przesuwa fazę tylko o 180o, a dalsze przesunięcie fazy o 180o następuje w układzie pobudzanym do drgań.

    Rys 2(a) przedstawia ogólny schemat blokowy układu wzmacniacza na bazie którego można łatwo zrobić generator. Jeśli na wejściu i wyjściu dołączone zostaną kondensatory, a w sprzężeniu cewkę indukcyjną to uzyskamy generator Colpittsa (b), jeśli odwrotnie to generator Hartley'a (c). Jeśli do generatora Colpittsa w sprzężeniu zwrotnym dołożymy dodatkowo kondensator uzyskamy generator Clappa (d).
Generator LC ze sprzężeniem zwrotnym
Rys. 2 Generator LC ze sprzężeniem zwrotnym
a) schemat ogólny
b) układ Colpittsa
c) układ Hartley'a
d) układ Clappa




Zasada działania generatorów z dzieloną pojemnością

a) Colpittsa

    Generator Colpittsa zbudowany jest z jednostopniowego wzmacniacza pracującego w konfiguracji WE (wspólnego emitera) z pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającą obwód rezonansowy L,C1,C2, w którym pojemność jest podzielona na dwie części C1 i C2 (stąd nazwa - generator z dzieloną pojemnością). Punkt B rozdzielający kondensatory połączony jest do masy.
Generator Colpittsa - układ z zasilaniem równoległym
Rys. 3 Generator Colpittsa - układ z zasilaniem równoległym (konfiguracja WE)


    W powyższym układzie, dla częstotliwości rezonansowej:

    sygnał sprzężenia zwrotnego z kondensatora C1, (węzeł A) jest przesunięty w fazie o 180o względem sygnału wyjściowego wzmacniacza i doprowadzany do bazy. Po wzmocnieniu służy on do podtrzymywania drgań w układzie. Przesunięcie w samym wzmacniaczu wynosi również 180o, więc spełniony jest warunek fazy. Warunek amplitudy zależy od stosunku pojemności obwodu rezonansowego C1/C2. Dodatkowe funkcje pełnią:
  • Kondensator C3 o dużej pojemności blokuje przepływ składowej stałej prądu kolektora przez obwód rezonansowy (stąd przedstawiony wariant układu Colpittsa jest z zasilaniem równoległym - w konfiguracji WE),
  • Rezystory R1,R2 i RE są elementami obwodu polaryzacji stałoprądowej tranzystora, ustalającymi jego spoczynkowy punkt pracy;
  • Dławik wysokiej częstotliwości przepuszcza składową stałą prądu, lecz blokuje przedostawanie się sygnału zmiennego z wyjścia generatora do obwodu zasilania (zwieranie sygnału przez obwód zasilania).
    b) Clappa

        Generator Clappa jest modyfikacją generatora Colpittsa, polegającą na zastosowaniu dodatkowo kondensatora strojącego C3 połączonego szeregowo z cewką L obwodu. Takie rozwiązanie pozwala użyć dużych wartości pojemności kondensatorów C1 i C2 (do 1 mF) co znacznie poprawia stałość częstotliwości generatora.
    Układy uproszczone a) generator Colpittsa  b) generator Clappa
    Rys. 4 Układy uproszczone a) generator Colpittsa b) generator Clappa


    Przy połączeniu szeregowym kondensatora C3 i cewki L wypadkowa indukcyjność wynosi:
    c) Colpittsa-Pierce'a

        Generator kwarcowy Pierce'a jest odmianą generatora Colpittsa.
    Rezonator kwarcowy wykorzystywany jest jako element indukcyjny.
    1) Generator Pierce'a 2) Symbol graficzny (a) i schemat zastępczy (b) rezonatora kwarcowego
    Rys. 5 1) Generator Pierce'a
    2) Symbol graficzny (a) i schemat zastępczy (b) rezonatora kwarcowego

        Na rys. 5-2) przedstawiono symbol i schemat zastępczy rezonatora kwarcowego. Wielkości Cm, Lm zależą od parametrów mechanicznych płytki kwarcowej rezonatora, rezystancja Rm charakteryzuje tłumienie obwodu - są to straty tarcia, a pojemność C0 reprezentuje pojemność elektrod i przewodów doprowadzających.
    Parametry powyższe zależą nie tylko od geometrii płytki, ale także od rodzaju jej drgań. Są one zależne od wartości pulsacji szeregowej w s i równoległej w r, które to z kolei można odczytać z wykresu charakterystyki rezonansowej rezonatora kwarcowego (Rys. 6.).
    Charakterystyka rezonatora kwarcowego
    Rys. 6 Charakterystyka rezonatora kwarcowego
    R - oporność rzeczywista, X - oporność bierna
    w 1 - pulsacja rezonansu szeregowego
    w 2 - pulsacja rezonansu równoległego

    Pulsacje rezonansowe w przybliżeniu wynoszą:

    a ich względna różnica przy założeniu Cm << Co:
    d) układ z rezonatorem kwarcowym zbudowanym na zlinearyzowanych bramkach TTL

        Rezonatory kwarcowe są używane także do stabilizacji częstotliwości w generatorach przebiegów prostokątnych zbudowanych z układów cyfrowych.
    Generator przebiegów prostokątnych stabilizowany kwarcem
    Rys. 7 Generator przebiegów prostokątnych stabilizowany kwarcem


        Rys. 7. przedstawia generator kwarcowy na bramkach NAND. Częstotliwość drgań jest określana poprzez wartości R i C - spada proporcjonalnie do iloczynu RC.
    Napięcie wyjściowe jest prostokątne i ma poziom odpowiadający układom TTL.
    e) schematy innych generatorów (Hartley'a, Meissnera)

    Generator Hartley'a

        Generator Hartley'a zbudowany jest z jednostopniowego wzmacniacza pracującego w konfiguracji WE (wspólnego emitera) z pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającą obwód rezonansowy L, C1, w którym indukcyjność jest podzielona na dwie części L1 i L2 (stąd nazwa - generator z dzieloną indukcyjnością).
    Generator Hartley'a - układ z zasilaniem równoległym
    Rys. 8 Generator Hartley'a - układ z zasilaniem równoległym

        W powyższym układzie, dla częstotliwości rezonansowej:
    obwód w węźle A przesuwa fazę napięcia wyjściowego wzmacniacza o 180o. Przesunięcie w samym wzmacniaczu wynosi również 180o, więc spełniony jest warunek fazy.
    Warunek amplitudy zależy od stosunku indukcyjności obwodu rezonansowego L1/L2.

    Generator Meissnera
    Generator Meissnera a) schemat blokowy b) układ strojony na kolektorze z zasilaniem równoległym
    Rys. 9 Generator Meissnera
    a) schemat blokowy
    b) układ strojony na kolektorze z zasilaniem równoległym


        Charakterystyczną cechą tego typu generatora są dwie cewki stanowiące transformator, z których jedna wraz z przyłączonym kondensatorem stanowi obwód drgań.