3. RG Gen kwarc, LC, RC

Podstawy elektroniki

1

Generatory P

2

PLAN GENERATORY DRGAŃ SINUSOIDALNYCH    

  

Generatory sprzężeniowe Warunki generacji drgań Procesy wzbudzenia Poprawka liniowa i poprawka nieliniowa częstotliwości Generatory Colpittsa, Generatory ze stabilizacją piezoelektryczną (kwarcowe) Generatory RC ze sprzężeniem zwrotnym

P

3

WPROWADZENIE 





Generatorami są układy elektroniczne, które w kontrolowany sposób przetwarzają energię źródła zasilania w drgania elektryczne o określonym kształcie, zadanej mocy i częstotliwości, Podstawowym rodzajem drgań fizycznych występujących w przyrodzie są drgania sinusoidalne. Inne drgania mogą być interpretowane jako suma składowych harmonicznych (zgodnie z rozkładem Fouriera) Źródła drgań sinusoidalnych znajdują powszechne zastosowanie w urządzeniach nadawczo - odbiorczych, w różnego rodzaju aparaturze kontrolno - pomiarowej, a także w systemach cyfrowych do generacji wzorcowych przedziałów czasu. 4 P

Metody Analizy Matematycznej Gener acji Dr gań Analiza matematyczna gener ator ów dr gań jest bar dzo skomplikowana. W największym uproszczeniu wymaga rozwiązania r ównania r óżniczkowego nieliniowego 2 r zędu. Dlatego stosuje się także metody cyfrowe i/lub pr zybliżone skierowane do konkretnych pr zypadków (prof. J acek Kudrewicz). Ogólnie stosuje się liniową (małosygnałową) i nieliniową (wielkosygnałową) teor ię gener acji. Teor ia liniowa: służy do wyznaczaniu częstotliwości dr gań, wzmocnienia (na ogół z małym błędem) a posługuje się metodami zwykłej analizy układów liniowych (np. Laplace). Teor ia wielkosygnałowa ( nieliniowa) zakłada możliwość opisania układu gener acyjnego r ównaniem r óżniczkowym r zędu II (np. równanie van der Pola ), które można pr zeanalizować dość szczegółowo metodami płaszczyzny fazowej. Pr zy większych nieliniowościach (dla dr gań sinusoidalnych) używa się pr zybliżonej metody zwanej metodą funkcji opisującej a także metodą pierwszej harmonicznej. Metoda ta skupia się na badaniu stanu ustalonego. Pozostałe metody można zaliczyć do metod cyfrowych lub gr aficznych. Ogólnie służą one określeniu procesu nar astania dr gań, oszacowaniu amplitudy dr gań a także wpływu har monicznych na częstotliwość dr gań - w stanie ustalonym. Wpływ ten bada się kor zystając z zasady zachowania ener gii, tutaj z zasady równowagi mocy urojonej harmonicznych (prof. J anusz Groszkowski 1932). Wpływ ten określa się za pomocą tzw. nieliniowej poprawki częstotliwości. Składowe har moniczne nar uszają bowiem bilans mocy bier nych co powoduje, że w stanie ustalonym częstotliwość dr gań zmniejsza się (popr awka jest zawsze ujemna) w stosunku do częstotliwości teoretycznej dla układu liniowego.

Generatory Podział ze względu na rozwiązania układowe i sposób pracy elementów aktywnych: generatory sprzężeniowe – element aktywny objęty pętlą „+”SZ, dzięki czemu dostarcza się energii do obwodu generacyjnego, generatory dwójnikowe (generatory o ujemnej rezystancji) – element o ujemnej rezystancji lub kondunktancji wykorzystany jest do odtłumienia obwodu generacyjnego.

P

6

f0

Generatory LC Podstawowe parametry: • bezwzględna chwilowa niestałość częstotliwości: ∆f f 0 - częstotliwość na początku obserwacji, f ( t ) -częstotliwość w chwili • względna niestałość częstotliwości δ f (t ) =

• stałość częstotliwości (średnia): generatory kwarcowe

∆f /f0

(

± 10−6 − 10−7

Inne parametry:

Stałość amplitudy drgań

)

∆f (t ) f0

1 ∆f = f0 f0

(t ) = f (t ) − f0 t obserwacji

T

∫ (d f ) dt o

T

generatory LC

generatory RC

± 10−3 − 10−4 ,

± 10−2 − 10−3 .

(

)

∆𝑈𝑤𝑤𝑤 𝑈𝑤𝑤𝑤

Zawartość harmonicznych w nominalnych warunkach pracy. Zakres przestrajania:

𝑓𝑚𝑚𝑚 𝑓𝑚𝑚𝑚

Poziomy i widma fluktuacji amplitudy i fazy. P

7

Generatory LC sinusoidalne

Σ

U1

ku

U2

Uβ Eg

RL

βu

U2 = ku exp ( j ϕ u ) U1 Uβ = β u exp j ϕ β β u( j ω) = U2 ku ( j ω ) =

(

Rys. 2.1. Schemat blokowy wzmacniacza z dodatnią pętlą sprzężenia zwrotnego

)

ku ( j ω ) U2 = kf ( j ω) = E g 1 − ku ( j ω ) β u ( j ω ) ku ( j ω ) β u ( j ω ) = Re ( ku β u ) + j Im ( ku β u ) =

[(

)]

= ku β u exp j ϕ k + ϕ β = 1 Warunki generacji powinny być spełnione tylko dla jednej określonej częstotliwości. Warunek amplitudy: ku β u = 1 = Re( ku β u ) = 1 Zapewnia się to z pewnym przybliżeniem przez odpowiedni Warunek fazy dobór elementów RC lub LC. Im ( k β ) = 2 π n, lub ϕ + ϕ = 2 π n, n = 0, 1,  u

P

u

(

k

β

)

8

Generatory LC: wzbudzenie drgań a)

U2

c)

b) U 2 = ku U1

U2

P

U2

P U ( ∞)

U ( ∞)

P

U (0)

U 2 = U1 / β u

U (0)

0

U ( ∞)

Współczynnik regeneracji ? 0

U1

Współczynnik regeneracji ?

U (0)

U1

0

Współczynnik regeneracji ? U1

Rys.2.2. Wzbudzanie się drgań: a) wzbudzanie miękkie, b) wzbudzanie twarde, c) wzbudzanie w układzie z polaryzacją dynamiczną obwodu wejściowego wzmacniacza (pkt. pracy przechodzi z klasy A do C). P

9

Generatory LC: wzbudzenie drgań uBE (t )

u1 (t )

t

U BE 0

tranzystor przewodzi t

0

0

tranzystor zatkany

Przebiegi czasowe napięć u1 (t ) oraz u BE (t ) w układzie z dynamiczną polaryzacją obwodu wejściowego.

P

10

Układy pracy generatorów LC P

11

Obwody trójpunktowe LC jako rezonansowe Układ z elementem aktywnym (MOS czy FET) który nie obciąża obwodu rezonansowego – konfiguracja OG: obwód rezonansowy tzw. trójpunktowy (1, 2, 3): X1, X2, X3- reaktancje L lub C G0 - łączne obciążenie obwodu, Ponieważ konfiguracja OG nie zmienia fazy napięcia wyjściowego U3 względem U1 dzielnik X1, X2 musi się składać z reaktancji tego samego typu aby podział U3 reprezentował DSZ. Czyli dla generatora Colpittsa X1, X2 = XC to X3 = XL

X1 + X 2 + X 3 = 0

Z warunku fazy można zaprojektować częstotliwość drgań generatora (dla częstotliwości rezonansowej f0=ω0/2π obwód rezonansowy reprezentuje konduktancję G0) lub dobrać elementy do zadanej częstotliwości:

X 1 (ω 0 ) + X 2 (ω 0 ) + X 3 (ω 0 ) = 0

Z kolei warunek amplitudy :

k u 0 (ω 0 ) β u (ω 0 ) = k u (ω 0 ) P

X 1 (ω 0 ) X (ω ) = −k u (ω 0 ) 1 0 ≥ 1 X 1 (ω 0 ) + X 2 (ω 0 ) X 3 (ω 0 )

13

Obwody trójpunktowe LC jako rezonansowe cd.

Warunek fazowy

X 1 (ω 0 ) + X 2 (ω 0 ) + X 3 (ω 0 ) = 0 Warunek amplitudowy lub X 1 (ω 0 ) X (ω ) = −k u (ω 0 ) 1 0 ≥ 1 k u 0 (ω 0 )β u (ω 0 ) = k u (ω 0 ) X 1 (ω 0 ) + X 2 (ω 0 ) X 3 (ω 0 )

We współczesnych wzmacniaczach łatwo można zapewnić ku >> 1, czyli warunek amplitudowy generatora trójpunktowego jest prosty do spełnienia nawet gdy: X1 << X2, czyli dla Colpittsa C1 >> C2

(2),

Warunek (2), jest ważny dla generatorów na tranzystorach bipolarnych, ze względu na małą rwej tranzystora. Wpływ tej rezystancji będzie pomijalny, jeśli potrafimy zapewnić X1 << rwej.

P

14

Obwody trójpunktowe LC jako rezonansowe

cd.

Gr aniczne war unki powstania dr gań dla gener ator a Colpittsa: w. amplitudowy

C1 g m = = g m RO C2 GO

Uproszczony schemat generatora trójpunktowego Colpittsa w układzie OG z obciążeniem GO

w. fazowy (częstotliwościowy)

1 1 2 + =ω0 L C1 C2 G0 X3

1 U1

Uproszczony schemat generatora trójpunktowego Colpittsa w układzie OS z obciążeniem GL

U3

X1

3

X2 U2 2

GL

U3

U2

U1 I C1 = I C 2

I L3

U 3 = U1 + U 2

a)

b)

C2

2

L2

3 C1

L 1

2

3 L1

C 1

Zmiennoprądowy uproszczony schematy ideowy generatora trójpunktowego LC Colpittsa i wykres wskazowy ilustrujący przesunięcia fazowe w generatorach trójpunktowych

Zasilanie i konfiguracje pracy generatorów tranzystorowych C1

szeregowe (niskie napięcia zasilające)

Składowa stała IC płynie przez cewkę (cewki) obwodu rezonansowego. Nie ma elementu separującego prąd w.cz. w obwodzie wyjściowym tranzystora od zasilacza – to niekiedy wada tego sposobu zasilania przy niektórych konfiguracjach. Kondensator Cb zapewnia pracę w konfiguracji OB.

L C2

T Cb

RB DZ

RE

−U EE

równoległe (wysokie napięcia zasilające)

Składowa stała IC płynie przez dławik w.cz. i nie płynie przez cewkę (cewki). Obwód rezonansowy połączony jest poprzez Cb1 do bazy zaś poprzez Cb2 do kolektora tranzystora. Dławik separuje prąd w.cz. od źródła zasilającego. W układzie występują małe straty mocy w obwodzie zasilania. Wada: trudność wykonania dławika tak by nie posiadał własnych rezonansów mogących powodować powstawanie drgań pasożytniczych. Na Cb1, po wytworzeniu się drgań, pojawia się dodatkowe napięcie przesuwające stopniowo punkt pracy tranzystora do klasy AB, B lub C (minus dynamiczny). Stała czasowa rozładowania Cb1 powinna być duża w porównaniu z okresem drgań generatora. P

U CC Cb2

LD

RB2

Dł.w.cz

L

Cb1 C2 C1

T

C2

RB1

z okresem 17

a)

C2 G L = C1 gm

C2

2

3 C1

Powyższy warunek amplitudowy jest nadzwyczaj korzystny dla generatora Colpitsa, ponieważ standardowych wartościach gm i typowych wartościach GL - C1 może być dużo większe niż C2. Duża wartość C1 oznacza, że bocznikujący wpływ małej admitancji wejściowej tranzystora bipolarnego nie stanowi przeszkody w realizacji generatora Colpittsa.

L 1

1 1 + = ω 20 L C1 C2

a)

b)

U CC LD

RB2

c)

LD U CC

Dł.w.cz

RD

RB2

C1

Dł.w.cz

Cb2

L C2

L

L Cb1 C2 C1

T RB1

Cb

C2

T C1

RB1

T Cb

RB

DZ

RE −U EE

Rys. 2.12. Różne rodzaje zasilanie i konfiguracji generatorów Colpittsa: a) równoległe przez dławik w.cz. konfiguracja OE, b) przez dławik w.cz. i cewkę obwodu rezonansowego, konfiguracja OE, c) od strony emitera, konfiguracja OB.

Liniowa poprawka częstotliwości

Liniowa poprawka częstotliwości to odchylenie od generowanej w układzie idealnym częstotliwości f0 spowodowane oddziaływaniem obciążenia, elementów pasożytniczych i strat w elementach układu. Poprawka ta występuje we wszystkich typach generatorów. Dla generatora Colpittsa:

C1 1+ rL ( g 0 + GL ) C1 + C2

f g = f0

gdzie:

1 f0 = 2π P

1 1 1   +  L  C1 C2  19

Nieliniowa poprawka częstotliwości jest zawsze ujemna Nieliniowa poprawka częstotliwości to odchylenie częstotliwości f0 (generowanej w układzie idealnym) z powodu obecności częstotliwości harmonicznych (będących efektem nieliniowości elementu aktywnego) w przebiegu wyjściowym generatora. Występowanie częstotliwości narusza bilans mocy biernych gałęzi pojemnościowej i indukcyjnej z powodu przepływu prądów harmonicznych głównie przez gałąź pojemnościową, reprezentującą dla nich mniejszą impedancję. Związku z tym rzeczywista częstotliwość drgań maleje dotąd, aż nastąpi zrównanie obu rodzajów prądów reaktancyjnych. Dla generatora Colpittsa nieliniowa poprawka częstotliwości wynosi: ∞ ω g − ω0 1 1 2 hk ≈− 2 ∑ 2 ω0 2 Q k =2 k −1 P

Q –dobroć obwodu rezonansowego

20

Właściwości oscylatorów kwarcowych

Kryształ kwarcu z osiami krystalograficznymi P

X- osie elektryczne Y- osie mechaniczne Z- oś optyczna 21

Rezonator kwar cowy

Pr zetwor nik elektromechaniczny (piezoelektr yczny) to np. kwarcowy element wibr ujący ze wspor nikiem i obudową). Element kwarcowy to kształtka w postaci płytki, pr ęta itp. Musi ona mieć określone rozmiar y, nachylenie cięć i ich odpowiednią or ientacje względem osi kr ystalogr aficznych. Niektóre rodzaje cięć powodują dużo odpadów pr zez co są bar dzo drogie. Na dwie powier zchnie kwarcu nanoszone są elektrody metaliczne. Zjawisko piezoelektr yczne (po podaniu napięcia) polega na spr zężeniu właściwości mechanicznych kwarcu z właściwościami elektr ycznymi obser wowanymi na jego elektrodach. Dobroci rezonator ów kwarcowych dochodzą do miliona. Dobroć wskazuje ile razy

amplituda na wyjściu obwodu rezonansowego równoległego przy f0 jest większa niż przy częstotliwościach nierezonansowych. Q można zmierzyć dla obwodu rezonansowego równoległego jako iloraz f0 i Δf. Q wskazuje na stosunek energii drgań do energii traconej podczas jednego okresu drgań. Wysoka dobroć rezonatorów kwarcowych prowadzi w efekcie końcowym do stabilizacji częstotliwości drgań generatora kwarcowego przy zmianach parametrów pozostałych podzespołów w tym również i przy zmianach temperatury. Poniżej 100 KHz rozmiary oscylatorów kwarcowych stają się zbyt duże. Powyżej 10 MHz grubość oscylatora staje się mała co zmniejsza jego wytrzymałość mechaniczną i utrudnia produkcję.

Generatory kwarcowe

s2 + Z k ( s) =

Lk, rk i Ck -parametry mechaniczne kwarcu, (Lk – masa kwarcu, rk – oporność mechaniczna, Ck – sprężystość płytki kwarcu), C0 – pojemność statyczna elektrod i przewodów doprowadzających.

Lk

Zk

C0

Ck rk

Rz ≡

Xz

}

Qk

𝑄𝑘 =

𝜔𝑠 𝐿𝑘� 𝑟𝑘 =

jω

c)

ωs

Zk

ωr



ω r = ω s 1 + 

Ck ωs 2C0

α=

𝐿𝑘 /𝐶𝑘� 𝑟𝑘

δ

0

≈ ∆ω k ≈

+ ω 2s

 2 ωs  Ck  2  sC0  s + s + 1 +  ω s  Qk C0    

𝜔𝑠 = 1� 𝐿𝑘 𝐶𝑘

b)

a)

ωs

Ck   2C0 

ωs 2Qk

Rezonator kwarcowy: a) liniowy model zastępczy, b) położenie zer i biegunów impedancji Zk(s), c) symbol graficzny P

23

Generatory kwarcowe a)

∆ω k

Xz

b) X z max

ωs

0

Rz Xz

Rz

Xz

rk

ωr

ωs ωm ωr

ω

≈

1

1

cd.

ω C0

ω C0

Rys.10. Charakterystyki częstotliwościowe rezonatora kwarcowego: a) przy pominięciu strat, b) z uwzględnieniem strat P

ωm ≈ ωr −

ωs

ω ωs 2Qk

Qk =

2 Qk

ω s Lk rk

2

X z max

C  1 ≈ Qk  k  ω m Lk 2  C0 

24

Generatory kwarcowe

cd.

Pulsacja rezonansu szeregowego i dobroć rezonatora: Lk

Zk

C0

Ck

Rz ≡

Xz

rk

}

Pulsacja rezonansu równoległego:

Zk

ωs =

ωr =

Względny odstęp rezonansowy

→ P

𝑄𝑘 =

𝜔𝑠 𝐿𝑘� 𝑟𝑘 =

𝐿𝑘 /𝐶𝑘� 𝑟𝑘

 1 Ck Ck  = ωs 1+ ≈ ω s 1 +  C0 2 C0  C C  Lk k 0 Ck + C0 Względny odstęp rezonansowy

 Ck ωr −ωs  Ck ∆ω k = =  1+ − 1 ≈ ωs C0  2 C0 

Dla rk = 0

1 Lk Ck

∆ω k

ωk

ω 2 − ω 2s Zk (ω ) = j X z (ω ) = j ω C0 (ω 2r − ω 2 )

25

Generatory kwarcowe

cd.

Zk (ω ) = Rz (ω ) + j X z (ω ) Lk

Zk

C0

Ck rk

Rz ≡

Xz

P

}

Lz (ω ) = Zk

X z (ω )

ω

≈ 2 Lk

ω − ωs ωs

Z k (ω s ) ≈ rk

26

Rezonatory kwarcowe: przykładowe parametry Wartości parametrów:

Lk

Qk = kilkadziesiąt tysięcy do kilku milionów Lk = 0,1 H do ok.. 200 H Ck =kilka setnych do kilku dziesiątek pF

∆ω k

ωk

Zk

= 10

P

Ck rk

TWCz =

−5

C0

Rz ≡

Xz

}

Zk

f max − f min T2 − T1 27

a)

b) U CC

( L)

U CC

( L)

2

C2

Generatory z oscylatorem kwarcowym, pracującym w pobliżu rezonansu równoległego

C2

C2

3   L = Lz 

C1

C1

C1 1

c)

d)

U CC U CC Rys. 2.16. Generatory: a) Colpittsa-Pierce’a z dwoma pojemnościami, Lb) Colpittsa-Pierce’a L2 L2 C2 2 (możliwa praca na overtonie) C z obwodem rezonansowym C

𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐210−4 − 10−6

( L1 )

 L = Lz   drgającego

3 C

Rezonator kwarcowy użyty jako element indukcyjny obwodu ma bardzo dobre właściwości stabilizacyjne. Zmiany indukcyjności lub pojemności 1 pozostałej części obwodu są wyrównywane odpowiednimi zmianami zastępczej indukcyjności rezonatora przy praktycznie pomijalnej zmianie jego częstotliwości ( L1 )

P

28

Rz Xz

Generatory kwarcowe

Rz

rk ωm

ωs

Impedancja rezonatora kwarcowego

ωr

ω Xz

1 ω Co

≈

ωs 2Qk

Przykład generatora pracującego z rezonansem szeregowym oscylatora kwarcowego (BUTLERA): U CC c)

b)

a)

C2

ωS 2

RL

L

L2

T

C1

ωS 3

2

T

L1

1

ωS

3 C

1

C2

C1 -U EE

Rys. 2.18. Podstawowe układy Butlera: a) z czwórnikiem sprzęgającym Colpittsa b) praktyczna realizacja z czwórnikiem sprzęgającym Colpittsa

29

Przykłady prostych generatorów kwarcowych

Generator Colpittsa-Pierce’a z inwerterem CMOS pracującym jako wzmacniacz Podstawy elektroniki

30

Przedstawione rozwiązania pozwalają uzyskać stałość częstotliwości rzędu 10−4 − 10−6 . Główny wpływ na niestałość częstotliwości w generatorach kwarcowych ma zmiana temperatury. W celu uzyskania większej stałości częstotliwości konieczne jest stosowanie układów z kompensacją wpływów temperatury lub układów z termostatem. Wtedy możliwe jest uzyskanie stałości częstotliwości rzędu

(

± 10−8 − 10−10

)

Układy pracy generatorów RC

Na przykładzie generatora RC z mostkiem Wiena

P

32

Charakterystyka sprzężeniowych generatorów RC Generatory RC znalazły szerokie zastosowanie do wytwarzania przebiegów sinusoidalnych w zakresie małych częstotliwości, ponieważ w generatorach LC wartości pojemności i indukcyjności stają się zbyt duże, dobroć obwodu rezonansowego jest mała i elementy te nie nadają się do miniaturyzacji. Generatory te wykorzystywane są najczęściej w zakresie kilku Hz do (10 - 20) MHz. W generatorach LC obwód sprzężenia zwrotnego tworzą 3 - 4 elementy, natomiast w generatorach RC najczęściej jest to 4 - 6 elementów, co pozwala na zwiększenie ilości możliwych rozwiązań, a także stwarza duże możliwości optymalizacji, np. pod kątem wrażliwości, przestrajania, zniekształceń czy wrażliwości na zmiany impedancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza.

Stosowane są czwórniki typu mostek Wiena, podwójne T (2T), T bocznikowane oraz przesuwniki fazowe RC ( 3 ogniwa RC lub CR). W porównaniu z generatorami LC, generatory RC mają gorszą stałość częstotliwości, jednakże generują sygnał o bardzo małych zniekształceniach i umożliwiają przestrajanie częstotliwości w stosunku 1 : 10 na jednym podzakresie. Tak duży zakres przestrajania przy współbieżnej regulacji dwóch pojemności lub dwóch rezystancji jest możliwy, ponieważ częstotliwość w tych generatorach jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu RC : f 0 = 1 / 2π RC (w generatorach częstotliwość jest odwrotnie LC proporcjonalna do pierwiastka z iloczynu LC ). Z tego względu generatory RC do niedawna powszechnie stosowane jako generatory serwisowe i laboratoryjne.

Generatory RC sinusoidalne Mostek Wiena (Wiena - Robinsona)

Transmitancje gałęzi mostka:

Rb β = Uβ /U2 = Ra + Rb −

Ra

R1

Z2 β = Uβ /U2 = Z1 + Z 2 +

+

C1

U2

U1 R2

−

U β+

C2

Rb

U β−

Po przekształceniu:

β+ =

gdzie: β 0+ =

1 1+

C 2 R1 + C1 R 2

war. amplitudy

ω0 =

1 R1C1R 2C 2

war. fazy P

Q+ = −

ω 0 dϕ β 2 dω

U β+ U2

= β 0+ ω0

C 2 R1 C1R 2

β 0+

= + 1 + jQ ν ω0 ω ν= − ω0 ω 35

Mostek Wiena-Robinsona

cd.

U β+ Nie można obecnie wyświetlić tego obrazu.

U2

Zależność stosunku napięcia wyjściowego do wejściowego i przesunięcia fazowego mostka Wiena-Robinsona w funkcji częstotliwości znormalizowanej, P

36

Schematy ideowe generatorów RC a)

C

b)

R

C

R R Praktyczny układ C C uproszczonego generatora RC z mostkiem Wiena R/2

R

C

R4

P2

R3

P2

R4 R3

R5 R2

JFET

Uo

Uo

R5 R2

D1

R7

C1

C2 U GS

R6

U C2

D2

ARW

C1

C2 −U GS

RG R6

−U GG

Ciąg przyczynowo -skutkowy

D1

R7

JFET

U C2

Napięcie na C2 jest ujemne (prostownik) i bezpośrednio steruje bramkę JFET-a, Gdy amplituda UWY ↑ ujemne napięcie na C2↑↓↓. to ujemne napięcie na bramce JFET ↑, to rezystancja statyczna JFET rDS ↑ 38 to USZ ↑ , P napięcia wyjściowego ↓. to amplituda

D2

Przykładowe generatory RC

Generatory RC z przesuwnikiem RC

Podstawy elektroniki

39

Generatory fali prostokątnej

⇔ Kondensator w odpowiedzi na skok jednostkowy stanowi zwarcie a w czasie t=∞ przerwę. Przyjmuje się, że napięcie Uce w nasyceniu tranzystora równe 0V. Teraz: 1) Zakładamy, że po włączeniu nasyca się tranzystor T1, (C2 jest na potencjale masy) i w tym momencie kondensator ten jest „zwarciem” czyli baza T2 jest także na potencjale masy (T2 zatkany) 2) kondensator C2 zaczyna się ładować (przestaje być zwarciem i zaczyna się stawać przerwą) i prąd w R2 zaczyna płynąć do bazy T2 aż do jego nasycenia. 3) Nasycony T2 zwiera „+” C1 do masy, który będąc w tym momencie „zwarciem” zatyka T1, dalej kondensator C1 zaczyna się ładować przez R1 analogicznie do pkt.2. W tym czasie C2 przeładowuje się (T1 jest zatkany) 4) Gdy C1 naładuje się do około 0,5V to prąd z R1 zaczyna płynąć do bazyT1, który się nasyca się i przyłącza plus C2 do masy i zatyka T2 a C1 teraz przeładowuje się. Podstawy elektroniki

40

Generatory fali prostokątnej Generatory fali prostokątnej mogą być zrealizowane w oparciu o bramki linearyzowane za pomocą rezystorowego sprzężenia zwrotnego. Na Rys.6.23a przedstawiono charakterystyki przejściowe linearyzowanej bramki NAND w technice TTL. Silne ujemne sprzężenie zwrotne napięciowe równoległe powoduje, że charakterystyka przejściowa jest prawie liniowa (Rys. 6.23b). Jeżeli dwie takie bramki zostaną połączone kaskadowo, wówczas stanowią układ wzmacniacza liniowego o przesunięciu fazowym 360o. Aby taki wzmacniacz przekształcić w układ astabilny, należy zamknąć go w pętlę poprzez kondensator (Rys.6.23b) lub rezonator kwarcowy (Rys.6.23d). Maksymalna częstotliwość generowanych impulsów zależy od rodzaju zastosowanych bramek. Zmianę częstotliwości drgań można uzyskać przez zmianę pojemności lub rezystancji w pętlach sprzężenia zwrotnego. P

41

Generatory fali prostokątnej a)

1,5kΩ

c)

220Ω

R2 R1

uIN

x

uO

y

560Ω

220Ω

b)

560Ω

220Ω

y

x

uO

C

R1 = 0 R2 = ∞

d)

R1 = 220Ω R2 = 560Ω

3

2

20 MHz

R1 = 500Ω R2 = 560Ω

1 1

2

3

330Ω

uIN

330Ω

680 pF

Rys. 6.23. Generator fali prostokątnej zbudowany z bramek linearyzowanych: a) bramka linearyzowana, b) charakterystyki przejściowe bramki linearyzowanej, c) schemat generatora RC, d) schemat generatora kwarcowego 42 Podstawy elektroniki

Układ generatora kwarcowego z układami bramkowymi ESS CMOS

ESS CMOS

UWY 10 MOhm

C1 (30pF)

100 kOhm C2 (30pF)

Układ Colpittsa - Pierce’a

Podstawy elektroniki

43

Do pewnych odmian generatorów (VCO, DDS) związanych z układami synchronizacji fazowej wrócimy po zapoznaniu się z tą tematyką.

Podstawy elektroniki

44