![]() ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
Лабораторная работа №5Генераторы гармонических колебаний
1. LC-генератор. Генераторы целесообразно классифицировать по нескольким признакам: по типу используемого в схеме полупроводникового прибора -генераторы на биполярных и полевых транзисторах и генераторы на туннельных диодах, по виду обратной связи - генераторы с внутренней и внешней обратной связью, по типу колебательных систем - LC- и RC-генераторы, по схеме питания - генераторы последовательного и параллельного питания. Характер процессов, происходящих в генераторах как на биполярных, так и полевых транзисторах, принципиально один и тот же. Однако при проектировании необходимо учитывать различия значений параметров биполярных и полевых транзисторов, которые приводят к некоторым отличиям и схем. Главные из них связаны с разными значениями входных и выходных сопротивлений биполярного и полевого транзисторов и с тем, что инерционность биполярных транзисторов проявляется на частотах, значительно меньших, чем у полевых транзисторов. Так, в генераторе на полевом транзисторе из-за малого тока затвора можно считать, что сопротивление участка затвор—исток бесконечно велико, и поэтому не учитывать шунтирующего действия входной цепи полевого транзистора. В генераторе на биполярном транзисторе при наличии тока базы (он принципиально не может работать без Iб) сопротивление участка база—эмиттер всегда оказывается малым, поэтому обязательно нужно учитывать шунтирующее действие входной цепи и в ряде случаев принимать специальные меры для уменьшения, этого эффекта. Внутреннее сопротивление полевого транзистора, как правило, больше резонансного сопротивления контура, поэтому оно слабо шунтирует колебательный контур, и в схеме генератора можно использовать полное включение контура в цепь стока полевого транзистора. Выходное сопротивление биполярного транзистора на порядок меньше резонансного сопротивления контура поэтому в этих генераторах принимают специальные меры для их согласования — используют неполное включение контура в коллекторную цепь транзистора. Относительно большое время продвижения неосновных носителей зарядов через базу многих биполярных транзисторов приводит к тому, что уже на частотах порядка сотен килогерц ток коллектора запаздывает во времени относительно напряжения uбэ - в таких транзисторах проявляется инерционность. Запаздывание тока коллектора относительно напряжения uбэ можно рассматривать как дополнительный фазовый сдвиг между его выходным током и входным напряжением. Это приводит к тому, что баланс фаз в генераторе на биполярном транзисторе выполняется на частоте, отличной от резонансной частоты контура. Для компенсации дополнительного фазового сдвига вводят либо подстройку частоты, либо специальные цепочки. Начнем рассмотрение транзисторных генераторов со схем с внешней обратной связью (рис.1). Здесь кружком показан усилитель с коэффициентом усиления К. К нему подключены комплексные сопротивления Z1-Z2 -Z3..Часть напряжения, в данном случае с делителя Z1-Z2 поступает обратно на вход усилителя.
Рис. 1. Обобщенная схема генератора гармонических колебаний
Коэффициент усиления усилителя с обратной связью определяется выражением:
где К - коэффициент усиления усилителя без обратной связи, а b - коэффициент передачи цепочки обратной связи. Из этой формулы следует, что при Кb ® 1 величина Кb неограниченно увеличивается. Это соответствует условию самовозбуждения, при котором возникают автоколебания: Кb=1. (2) Подчеркнем, что |К||b| =1.(3) Условие баланса фаз выполняется, если напряжение u1, приложенное ко входу транзистора, вызывает появление напряжения u2 которое, пройдя через сопротивление Z1, создает новое напряжение u2, совпадающее по фазе с первоначальным, т.е. jК +jb=2pn. Так как генераторы всегда работают на частотах, близких к собственной частоте колебательной системы, состоящей из Z1-Z2 -Z3, то напряжения u1 и u2 оказываются сдвинутыми по фазе на 180°. Если частота напряжения u1 совпадает с собственной частотой колебательной системы генератора, нагрузка имеет чисто активный характер. При этом переменное напряжение на коллекторе биполярного транзистора будет противоположно по фазе напряжению на базе, а переменное напряжение на стоке полевого транзистора — напряжению на затворе. Следовательно, во всех генераторах с внешней обратной связью баланс фаз будет выполняться, если напряжение u1 окажется противоположным по фазе напряжению u2 Иными словами, делитель, составленный из сопротивлений Z1 и Z2, должен обеспечивать фазовый сдвиг между напряжениями u1 и u2, равный ±p. Указанный фазовый сдвиг может быть получен с помощью трех схем: трансформаторной, автотрансформаторной и емкостной, каждой из которых соответствуют различные схемы генераторов [3]. Правильные фазовые соотношения в генераторе с трансформаторной обратной связью обеспечиваются выбором знака коэффициента взаимоиндукции М, в двух других (называемых трехточечными)—выбором характера всех трех сопротивлений Z1-Z2 -Z3. Рассмотрим трансформаторную схему генератора гармонических колебаний на биполярном транзисторе (рис. 2). В этой схеме резисторы R1, R2, Rэ определяют режим транзистора по постоянному току и выбираются из тех же соображений, что и элементы, обеспечивющие режим транзисторов по постоянному току в усилителях.
Рис.2. Генератор гармонических колебаний на биполярном транзисторе Специфическими элементами для генератора являются L, С, L1 и М,параметры которых необходимо найти. Упрощенный анализ генератора сводится к определению частоты его стационарных колебаний и значений параметров схемы, при которых эти колебания возникают. Обратимся к эквивалентной схеме генератора (рис. 3), где транзистор заменен эквивалентной схемой, состоящей из входного сопротивления h11, выходной проводимости h22, источника тока h21iб и источника ЭДС h12u2, сопротивление r характеризует потери в колебательном LC-контуре. Представленная схема является линейной, но справедлива только для одной амплитуды колебаний. Мы будем рассматривать ее для амплитуды стационарных колебаний генератора (значения всех величин, входящих в эквивалентную схему транзистора, будут справедливы только для этой амплитуды).
Рис.3. Эквивалентная схема генератора.
Для эквивалентной схемы на рис. 3 коэффициент усиления напряжения без обратной связи: K= -h21Zк/(h11 +D h-Zk). (4) где Dh=h11 h 22 - h12 h 21. Напряжение на контуре: uк=I(r+jwL). (5) Напряжение обратной связи, снимаемое с катушки L1: uос=I(-j wM). (6) Отношение uос/uк определяет коэффициент обратной связи: b= -jwM/(r+jwL). (7) Подставляя (4) и (7) в (2), получаем:
Так как
то выражение (8) принимает вид:
Оно разбивается на две части—действительную и мнимую. Проводя такое разбиение и используя уравнение баланса фаз, получаем: h11(1-w2LC)+Dhr=0, откуда:
Используя условие баланса амплитуд и равенство (10), имеем:
-h11rwC+DhwL=wMh21, (12)
откуда следует, что для создания незатухающих колебаний в генераторе необходимо выполнение условия:
M ³ (h11rC+DhL)/ h21. (13)
Выражения (10) и (12) показывают, что как частота генератора, так и коэффициент связи между входом и выходом усилительной части генератора зависят от параметров схемы и транзистора. Если рассматривать генераторы, с помощью которых создаются колебания относительно невысоких частот (в несколько раз меньших максимальной частоты транзистора), то выражение (8) упрощается. В этом случае не учитывают внутреннюю обратную связь в транзисторе, т. е. полагают, что h12 = 0. Тогда, имея в виду, что h22=1/rвых, получаем:
Так как rвых>>r, то частота колебаний генератора оказывается близкой к резонансной частоте контура:
и при расчетах частоты генераторов обычно пользуются формулой (14), а поправку Неравенством (10) на практике пользуются редко. Обычно в конструкции генератора предусматривают возможность изменения величины М, и после монтажа схемы генератора необходимый коэффициент обратной связи подбирают экспериментально. Характер процессов, происходящих в генераторах как на биполярных, так и на полевых транзисторах, принципиально один и тот же. Однако при проектировании необходимо учитывать различия значений параметров биполярных и полевых транзисторов, которые приводят к некоторым отличиям схем. Главные из них связаны с разными значениями входных и выходных сопротивлений. Знак коэффициента обратной связи Таким образом, благодаря нелинейности амплитудной характеристики усилительного элемента амплитуда колебаний автоматически стабилизируется на уровне, соответствующем Характерная особенность рассмотренного режима работы состоит в том, что условие самовозбуждения
а b a
K
0
Рис. 4а. Мягкий режим генерации Рис.4б. Жесткий режим генерации
Как в мягком, так и в жестком режиме установление стационарной амплитуды колебаний происходит вследствие нелинейности амплитудной характеристики активного элемента, а частота колебаний равна частоте свободных колебаний в колебательном контуре.
2. RC – генератор.
На одном транзисторе можно собрать схему автогенератора. Рассмотрим схему генератора на полевом транзисторе (рис.5). Как было отмечено выше на частотах меньших сотен кГц напряжение на входе и выходе транзистора сдвинуты по фазе ровно на 1800.
Рис.5. RC – генератор на полевом транзисторе.
Поэтому при проектировании звуковых генераторов чтобы выполнить условие баланса фаз необходимо собрать цепь, которая бы давала сдвиг фазы еще на 1800. Такой сдвиг фаз можно получить с помощью трехзвенного RC фильтра, т.к каждая RC – цепочка сдвигает фазу на угол 600. Нам потребуется рассчитать коэффициент передачи b трехзвенной цепочки по формулам известным из теории радиотехнических цепей. Расчет величины b прост, но громоздок. Поэтому дадим формулу для b без вывода:
Отсюда сразу следует, что при
коэффициент передачи b действителен и равен: b(w0)= -1/29. Знак «-» указывает, что трехзвенная цепочка сдвигает фазу на 1800. Из условия баланса амплитуд (3) получаем, что для возникновения автоколебаний коэфициент усиления на частоте w0 должен быть больше или равен 29.
Задания к работе: 1. Рассчитать режим по постоянному току биполярного транзистора в LC -генераторе по заданным ВАХ. Рабочая точка выбирается на середине нагрузочной прямой. Сопротивление катушки индуктивности в по постоянному току принять равной 0. 2. Рассчитать параметры контура (индуктивность Lк и емкость Ск) для требуемой частоты генератора, используя формулу (9). 3. Исходя из условия баланса амплитуд определить коэффициент взаимной индукции М. Коэффициент взаимной индукции связан с параметрами катушек следующей формулой 4. В зависимости от способа намотки катушки связи необходимо выбрать коэффициент связи между катушками индуктивности. В случае намотки катушек одна поверх другой к=0,6-0,7. Далее можно определить индуктивность Lсв. 5. Определение числа витков катушек индуктивности производится по полуэмпирическим формулам, приведенным в приложении 1. 6. Собрать схему и проверить режим по постоянному току транзистора. 7. Экспериментально определить частоту генерации и коэффициент взаимной индукции.
Контрольные вопросы:
1. Сформулировать условия самовозбуждения автогенератора в общем виде. Их соотношение с критерием устойчивости Найквиста. Какие генераторы называются гармоническими? 2. Нарисуйте принципиальную схему трансформаторного автогенератора. Расскажите, как в нем выполняется баланс фаз. 3. Пояснить отличия "мягкого" и "жесткого" режимов самовозбуждения автогенератора. Пояснить процесс установления стационарного режима в автогенераторе 4. Нарисуйте принципиальную схему "трехточечного" автогенератора. Нарисуйте векторную диаграмму и расскажите, как в нем выполняется баланс фаз. 5. Нарисуйте принципиальную схему RС-генератора, нарисуйте векторную диаграмму и расскажите, как в нем выполняется баланс фаз. 6. Задана проходная характеристика активного элемента в автогенераторе. Где должна находиться "рабочая точка" для реализации мягкого или жесткого режимов самовозбуждения? Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|