Коу, л.31. Схемы автогенераторов

Вопросы лекции:

31.1. Кварцевые автогенераторы.

31.2. RC – автогенераторы.

31.1. Кварцевые автогенераторы.

Существование прямого и обратного пьезо эффекта в кварце делает возможным его использование для стабилизации частоты.

При приложении к пластинке кварца переменного тока благодаря обратному пьезо эффекту происходит периодическая деформация пластины. При этом на определенной частоте возникают резонансные колебания значительной амплитуды. Благодаря прямому пьезо эффекту эти механические колебания вызывают переполяризацию кристалла, наведенные при этом заряды оказывают воздействие на внешнюю цепь.

Пьезокварцевый резонатор имеет высокий коэффициент преобразования электрической энергии в механическую и обратно, что характеризует его как высокодобротную систему. Это качество, а также устойчивость к дестабилизирующим факторам (температура, влажность и другие) делают кварцевый резонатор незаменимый в схемах высокостабильных генераторов.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора (рис.31.1) учитывает существование колебаний не только на основной частоте, но также и на гармониках.

X

r_K¹ r_K¹¹ r_K¹¹¹ r_K

ƒ_r

C₀ C₀

L_K¹ L_K¹¹ L_K¹¹¹ L_K ƒ_r ƒ_d

а)

C_K¹ C_K¹¹ C_K¹¹¹ C_K

б) в) г)

Рис. 31.1. – кварцевый резонатор:

а) обозначение;

б) эквивалентная схема для трех гармоник;

в) эквивалентная схема для первой гармоники;

г) зависимость сопротивления от частоты.

С₀ – емкость кварцедержателя;

r_К , L_К , C_К – ветви, обеспечивающие резонанс на гармониках;

ƒ_r , ƒ_d – частота последовательного и параллельного резонанса схемы.

КОУ, Л.31, стр.2

С1 +

С1 Е

Rэ VT1 Rк U_в –

С2

+ R_Б1 L_ком

Еэ – С2 VT1 КВ

КВ

С_БЛ

R_Б2

Рис.31.2. – кварцевый АГ, выполненный Рис.31.3. – схема Батлера для

по схеме емкостной трехточки. гармониковых резонаторов с ком -

пенсирующей индуктивностью.

Существует большое разнообразие схем кварцевых генераторов. Кварц может быть использован в качестве индуктивности, как это сделано в емкостной трехточке (рис.31.2), или в качестве последовательного колебательного контура для одной из гармонических частот (рис.31.3) и другим образом, например, как параллельный колебательный контур.

В схемах кварцевых генераторов особое место уделяют стабильности частоты, которая достигает 10^-8. с этой целью стараются устранить действие дестабилизирующих факторов:

• стабилизируют режим работы транзистора;

• термостатируют автогенератор.

В некоторых случаях выполняют перестраивание по частоте автогенератора. Перестройка в пределах 10^-4… 10^-3 от генерируемой частоты достигается обычно изменением емкости контура с помощью варикапа. Диапазонная перестройка обеспечивается совместной работой относительно низкочастотного перестраиваемого обычного автогенератора и кварцевого автогенератора на смеситель, после которого образуются суммарно – разностные комбинационные частоты. Полезный продукт преобразования, выделяют полосовым фильтром.

31.2. RC – автогенераторы.

RC – генераторы имеют несомненное преимущество в том, что в их схеме отсутствует индуктивность. Их проще реализовать в интегральном исполнении, в виде ИМС. Рабочий диапазон современных RC – генераторов от единиц Гц до десятков МГц. RC – генераторы имеют относительно низкую стабильность частоты 10^-3….10^-4. Структурная схема RC-генератора приведена на рис.31.4.

КОУ, Л.31, стр.3

β(ω)

2

пос

1 U_ВЫХ

оос 3

β(ω)

Рис. 31.4. – Структурная схема RC – автогенератора:

1 – усилитель;

2 – цепь частотнозависимой положительной обратной связи;

3 – цепь зависимой от U_вых отрицательной обратной связи.

На частоте генерации обеспечивается положительная обратная связь, соблюдается баланс амплитуд и баланс фаз. Рост амплитуды ограничивается цепью зависимой от U_вых отрицательной обратной связью. Обычно такая связь обеспечивается терморезистором, установленным в цепи отрицательной обратной связи. При росте амплитуды выходного напряжения сопротивление терморезистора изменяется под действием протекающего через него тока и глубина отрицательной обратной связи возрастает, что приводит к уменьшению U_вых.

Простейшая принципиальная схема RC – автогенератора приведена на рис. 31.5.

+ E

R_K R_Б1 –

с_Р1

C_P2 R R R

VT1

I₃ I₂ I₁

R_t R_Б2 C C C U₂

Рис. 31.5. – принципиальная схема простейшего RC – генератора.

Коэффициент усиления усилителя .

Коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи .

О бщий сдвиг по фазе 2π обеспечивает баланс фаз. Баланс амплитуд обеспечивается при .

Метод контурных токов позволяет записать систему из трех уравнений с тремя неизвестными.

(31.1).

КОУ, Л.31, стр.4

Решив систему (31.1), определим токи I₁ , I₂ , I₃ .

В частности:

Тогда:

Фазовый сдвиг π получается при:

Т.е. откуда определяем частоту генерации:

Тогда:

Откуда:

При выборе величин R и C необходимо обеспечить R>>R_Н . Изменением RC возможно изменять частоту генерации. Обычно с помощью изменения R – ступенчато, а изменением С – плавно.

RC – генератор, схема которого приведена на рис.31.5, выполнен на операционном усилителе А1, охваченном положительной обратной связью через четырехполюсник, коэффициент передачи которого максимален на частоте резонанса.

R_СВ А1 – К_ОС

C1 r1

R_{t C2 R2}

Рис.31.5. – RC – генератор на ОУ.

КОУ, Л.31, стр.5

(31.3)

В результате преобразования (31.3):

(31.4)

Нулевой фазовый сдвиг будет при:

Следовательно: откуда: (31.5)

где: ;

на частоте генерации: . При , ,

Итоги занятия.