Uwagi ogólne: Generatorami nazywamy układy elektroniczne, których zadaniem jest optymalne wytwarzanie określonych sygnałów elektronicznych. W tym rozumieniu wzmacniacz, który utracił stabilność i wytwarza pewne drgania, nie powinien być nazywany generatorem, pomijając fakt, że wskutek ich generacji uległa zaburzeniu jego podstawowa funkcja, tj. wzmacnianie, to nie wytwarza on tych drgań w sposób optymalny i kontrolowany. Generatory klasyfikujemy według następujących kryteriów: a)Ze względu na kształt sygnału wyjściowego na: sinusoidalne i impulsowe b)Ze względu elementy decydujące o częstotliwości drgań na: LC i RC i elektromechaniczne np. kwarcowe c)Ze względu na zastosowany element nieliniowy na: diodowe i tranzystorowe d)Ze względu na sposób wzbudzenia drgań na: samowzbudne i obcowzbudne e)Ze względu na mechanizm podtrzymywania drgań na: układy ze sprzężeniem zwrotnym (sprzężeniowe) i z ujemną rezystancją.Aby generowanie drgań przebiegało optymalnie, trzeba określić kryteria optymalności zależne od wymagań stawianych sygnałowi wyjściowemu, takich jak (kształt sygnału lub jego widmo, stałość częstotliwości, dokładność częstotliwości, czas stabilizacji, moc wyjściowa, poziom harmonicznych, sprawność energetyczna, dopuszczalny poziom fluktuacji amplitudy i częstotliwości, zakres generowanych częstotliwości i inne)
Stałość częstotliwości określa się jako zmianę częstotliwości generowanego przebiegu zachodzącą w określonym czasie. Rozróżnia się stałość bezwzględną i względną. Jeżeli f0 jest wartością częstotliwości sygnału w początku okresu obserwacji, natomiast fi – wartością w pewnej chwili ti , to stałością bezwzględną nazywamy wartość Δf(t). Δf(t)=fi-f0 a stałością względną δf(t)=Δf(t)/f0. Ponieważ stałość częstotliwości jest funkcją czasu, więc jej wartość, najczęściej przyjmowaną jako względną, można określić w krótkim lub długim czasie i dlatego rozróżnia się stałość krótkoterminową(określaną zwykle w przedziale obserwacji minuta lub mniej) i długoterminową (określaną zwykle w przedziale obserwacji doba lub więcej). Proste generatory RC mają zwykle długoterminową stałość częstotliwości rzędu 10-2, zaś LC w granicach od 10-3 do 10-5. Stałość generatorów kwarcowych jest zawarta w przedziale od 10-6 do 10-10. Atomowe i molekularne wzorce częstotliwości pozwalają zapewnić stałość nie gorszą niż 10-12. Dokładność częstotliwości generatora to względny uchyb jego częstotliwości w odniesieniu do ustalonego wzorca. Czasem stabilizacji nazywamy czas mierzony od momentu włączenia zasilania generatora, po upływie którego spełnia on wymaganie dotyczące dobowej stałości częstotliwości z ustaloną dokładnością.
Generatory LC: Po włączeniu zasilania generatora drgania ustalają swoja amplitudę po upływie pewnego czasu, zwanego czasem trwania procesu przejściowego. Przebieg napięcia wyjściowego przedstawiono na rys: à
Proces wytwarzania drgań dzielimy na 3 etapy: początkowy, narastania drgań i stanu ustalonego. Na etapie początkowym sygnały zmienne na złączach tranzystora są na tyle małe, ze ten element i układ można traktować jako liniowy i stosować analizę liniowa. Dlatego funkcje transmisyjne układu wyznaczamy wykorzystując parametry różniczkowe lub macierzowe tranzystora. W czasie narastania drgań stosuje się tutaj analizę nieliniowa. Do wyznaczenia w stanie ustalonym wykorzystuje się fakt, ze przy dużych dobrociach obwodów rezonansowych generatora w przebiegu wyjściowym dominuje składowa podstawowa. Można wiec zastosować analizę quasi-liniowa. W rzeczywistości istnienie harmonicznych wpływa na przebieg sygnału prowadząc do zmiany jego częstotliwości w stosunku do oczekiwanej. Nazywa się to nieliniowa poprawka częstotliwości.
Korzystając z równania teorii sprzężenia zwrotnego zauwazmy ze jeśli mianownik dazy do jedności to wzmocnienie układu dazy do nieskończoności.Poniewaz à∞ to Co oznacza ze na wyjściu układu można otrzymać
Niezerowe napięcie U2 nawet przy braku syngalu z generatora.Uklad ze sprzężeniem zwrotnym bez wymuszenia może wytworzyc przebieg na wyjsciu jeśli stosunek zwrotny który jest ogolnym warunkiem generacji.W ogolnym przypadku transmitancje toru wzmacniającego Gu i toru sprzężenia zwrotnego βu sa wielkosciomi zespolonymi.Aby ogolny warunek generacji był spełniony musza być spełnione jednoczesnie 2 warunki i pierwszy to warunek amplitudy a drugi to warunek fazy.Jesli sygnal wyjściowy po przejsciu przez tor sprzężenia zwrotnego zostanie stłumiony βu -krotnie to tor wzmacniajacy musi pokryc te straty , zapewniając wzmocnienie jest to wartość minimalna wzmocnienia.Zmniejszenie wzmocnienia spowoduje zanikanie drgan dlatego warunek amplitudy jest spełniany z nadmiarem często nawet o 100% wiecej co zapewnia możliwość narastania drgan.
Warunek fazy: jeśli synal wejściowy po przejściu przez tor wzmacniający dozna przesunięcia fazy to tor sprzężenia zwrotnego musi wprowadzac przesuniecie fazy takie aby stanowilo uzupełnieni do warunku ,.Warunek fazy jest spełniony dla scisle określonej czestotliowsci.
Liniowa teoria generacji: Określenie warunków generacji poprzez praktyczny sposób realizacji. Na podstawie wzmacniacza selektywnego LC z pętlą sprzężenia zwrotnego raz wykres fazowy.
Zakładamy ze w etapie początkowym poziom sygnału jest mały i stosujemy analizę liniowa oraz f pracy układu jest tak mała ze ja pomijamy. Napięcie na wyjściu układu wzmacniacza z równoległym obwodem rezonansowym gdzie jest nachyleniem charakterystyki tranystora Zc impedancja obwodu kolektorowego.
Z rysunku charakterystyka fazowa wynika ze po zamknięciu klucza K warunek fazy nie jest spełniony w całym przedziale częstotliwości w związku z tym niemożliwa jest realizacja generatora wg schematu z rys w układzie z obwodem rez składającym się z 2 elementów reaktancyjnych. Napięcie na kolektorze tranz gdzie Zc=
A napięcie na wyjściu dzielnika impedancyjnego transmitancja calego układu od wejścia do wyjścia K(jω)= Aby wyznaczyć charakterystykę argumentu, należy określić charakter poszczególnych reaktancji. Przyjmujemy ze z1,z3 ma charakter pojemnościowy, a z2 indukcyjny. Uklad po zamknieciu klucza przeksztalca się do postaci jak na rys poniżej gdzie rezystancja reprezentuje straty cewki a kondensator potraktowane jako idealne.
Układ ze sprzężeniem indukcyjnym – Colpittsa – dla wyzszych częstotliwości, szerszy zakres, popular.
Gałąź L2C3 ma charakter pojemnościowy a powyżej fs charakter indukcyjny. Mamy tu odczynienia z obwodem 2 rezonansowym. Przebieg charakterystyki fazowej dzielnika impedancyjnego obwodu kolektorowego przedstawia krzywa b. Przebieg char fazowej obwodu kolektorowego z uwzględnieniem przesunięcia faz przedstawia krzywa a. Wypadkowa krzywa fazowa to wykres c.
Z rysunku wynika ze warunek fazy jest spełniony tylko dla częstotliwości dla ktorej sumaryczne przesuniecie fazy wynosi 2π. Jest to struktura Colpittsa (gen ze sprzężeniem indukcyjnym lub z dzielona pojemnością) Jest to układ w którym miedzy baza a emiterem oraz kolektorem a emiterem wlaczona jest pojemność a miedzy kolektorem a baza indukcyjność.
Uklad ze sprzężeniem pojemnościowym – Hartley’a – prefer. dla niższych czestotl.
Generator Hartleya który także spelnia warunek fazy dla konkretnej częstotliwości.Jest to generator ze sprzężeniem pojemnościowym lub z dzielona indukcyjnością.
Generator Meissnera lub ze sprzężeniem transformatorowym. Dla częstotliwości rez na obwodzie rezonans otrzymujemy sygnal przsuniety o π dodatkowe przesuniecie fazy zapewnia transformator z odpowiednio podłączonymi początkami uzwojeń.
Fizyczna realizowalność warunku amplitudy rozpatrzymy na przykładzie generatora Colplittsa
Schemat gen Colpittsa do wyznaczania warunkow amplitudy à
Możemy przyjąć ze w przybliżeniu. Gdzie gm jest nachyleniem charakterystyki tranzystora.
O poziomie sygnału sprzężenia zwrotnego decyduje dzielnik reaktancyjny LC2 którego transmitancja dla cewki o duzej dobroci częstotliwość dla ktorej jest spełniony warunek fazy jest zbiezna z czest rezonansowa.Znajac transmitancje toru wzmacniającego i toru sprzężenia zwrotnego można wyznaczyć stosunek zwrotny .Znajac punkt pracy tranzystora i rezystancje obciążenia można okreslic tylko stosunek pojemności.Brak drugiego równania powoduje ze do wyznaczenia wartości pojemności należy przyjąć wartość indukcyjnosci i z warunku rezonansu zbieżnego z warunkiem fazy.pojemnosc zastepcza obwodu rezonansowego wynosi Zas stosunek pojemności wynosi majac takie dane możemy wyznaczyc pojemności . Warunek
W generatorze Hartley’a pojemności pasożytnicze elementu aktywnego mogą niekiedy uniemożliwić spełnienie warunków generacji. Pojemności Cwe i Cwy są podłączone równolegle do indukcyjności odpowiednio L2 i L1 i tworzą równoległe obwody rezonansowe o pulsacjach rezonansowych Dlatego układ będzie generatorem, jeśli założona częstotliwość generacji będzie mniejsza od najmniejszej z ww. pulsacji rezonansowych Jeśli ta zależność nie będzie spełniona, to odpowiedni obwód będzie miał charakter pojemnościowy i warunek fazy nie będzie spełniony. Z tego powodu generatory Hartleya nie są stosowane w zakresie wyższych częstotliwości.
Dla generatora Meissnera (rys. 8.10 z domyślnie podłączoną rezystancją obciążenia do obwodu rezonansowego) przy założeniu, że dobroć obwodu rezonansowego jest bardzo duża, warunek amplitudy przyjmuje postać
Przejdźmy do określenia wpływu stratności elementów reaktancyjnych i rezystancji obciążenia na właściwości generatora. Dla każdego obwodu rezonansowego w rezonansie musi występować równowaga mocy biernych, tzn. energia pola magnetycznego cewki musi być równa energii pola elektrycznego kondensatora. Każde naruszenie bilansu mocy biernych w obwodzie musi pociągnąć za sobą zmianę częstotliwości, aby przywrócić ich równowagę. Niezerowa wartość rL powoduje zmniejszenie prądu iL, tzn. zmniejszenie mocy biernej zmagazynowanej w polu magnetycznym cewki. Dla przywrócenia równowagi (rezonans) częstotliwość drgań musi zatem zmaleć.
Odwrotna sytuacja zachodzi dla szeregowego obwodu rezonansowego ze stratami, gdzie wzrost strat cewki powoduje wzrost częstotliwości rezonansowej, a wzrost strat kondensatora powoduje jego spadek. Wartość dobroci cewki lub kondensatora Wpływa na równowagę mocy dwojako: określa stosunek mocy biernej do czynnej(strat) w danym elemencie, tzn. decyduje, w jakim stopniu zostaje naruszony warunek równowagi mocy biernych, o ile musi się zmienić częstotliwość, aby stan równowagi został przywrócony. Ta zmiana częstotliwości, spowodowana przez elementy liniowe, nosi nazwę liniowej poprawki częstotliwości. Uwzględniając ją, można określić pulsację drgań generatora ωg, która może się różnić od pulsacji rezonansowej ωr Określonej wzorem Thomsona Wyprowadzanego przy założeniu, że ogólne straty obwodu są pomijalne. Dla generatora Colpittsa pulsacja drgań generatora jest określone zależnością: Wyrażenie w nawiasie określa wartość liniowej poprawki częstotliwości (rL jest rezystancją strat cewki a RL uogólniona rezystancją obciążenia obwodu rezonansowego). Jeśli zapewnienie stałości obciążenia jest niemożliwe, to obciążenie należy odseparować od obwodu generatora stopniem separującym np. wtórnikiem emiterowym. Ponieważ przy zmianach temperatury pracy generatora mogą ulegać zmianie stratności elementów reaktancyjnych (choćby cewek), dlatego wysokostabilne generatory umieszcza się w termostacie.
Quasi-liniowa i nieliniowa teoria generacji Po włączeniu napięcia zasilającego w generatorze, w którym są spełnione określone wcześniej warunki amplitudy i fazy, nastąpi proces narastania drgań. W miarę wzrostu amplitudy drgań zaczynają odgrywać rolę własności nieliniowe elementu aktywnego, prowadzące do ograniczenia amplitudy (trzeci etap, rysunek 8.1) i powstania harmonicznych. Jeśli jednak przyjmiemy, że elementy obwodu rezonansowego mają dużą dobroć, to równowaga energetyczna w układzie będzie zależna wyłącznie od bilansu mocy składowej podstawowej. To założenie pomijalności składowych harmonicznych leży i podstaw teorii quasi-liniowej.
Do dalszej analizy przyjmiemy generator Meissnera zbudowany na bazie tranzystora polowego i przedstawiony na rysunku 8.14
W praktyce tor wzmacniający gen. Może pracować w klasie A lub C. Przebiegi charakterystyk wzmocnienia są funkcją nap. Na bramce. Transmitancja toru sprzężenia zwrotnego Mnożąc stronami wyrażenia 8.45 i 8.46 otrzymujemy warunek generacji dla stanu ustalonego postaci Warunek też można sformułować następująco: jeśli w generatorze na etapie inicjalizacji drgań amplitudowy warunek generacji będzie spełniony z nadmiarem (Gβ>1), to narastanie drgań do stanu ustalonego będzie trwało tak długo, aż malejące wskutek wzrostu napięcia na bramce wzmocnienie dla składowej podstawowej (rys. 8.15) spełni warunek Ilustrację graficzną tego warunku dla dwóch klas pracy elementu aktywnego przedstawiono na rysunku 8.16.8.16 charakterystyki generacyjne dla różnych klas pracy
Jeśli tor wzmacniający pracuje w klasie A (rys. 8.16 a) à to warunek generacji dla stanu ustalonego nie jest spełniony dla transmitancji β2. Jeśli tor wzmacniający pracuje w klasie C (rys. 8.16b) à to warunek generacji jest spełniony w dwóch punktach.
Rodzaje punktów równowagi. Jeśli w układzie osiągnięty został punkt PA (rys. 8.17a)
spełniający warunek generacji i wystąpi zakłócenie powodujące, że napięcie wyjściowe osiągnie chwilowo poziom 1, wówczas powstający sygnał zwrotny Uz1 spowoduje powstanie sygnału wejściowego o poz...
Skalpel2200