Генераторы электрических сигналов на ОУ

3.10.1 Общие сведения о генераторах электрических сигналов

Электронным генератором сигналов называют устройство, преобразующее энергию источника питания в электрические колебания требуемой формы, частоты и мощности.

Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные устройства и системы. Так, например, генераторы гармонических колебаний, а также колебаний импульсной формы используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, в различных технологических установках и т. д. В телевизионных приемниках генераторы строчной и кадровой разверток используются для формирования растра на экране кинескопа. Кроме этого электронные генераторы широко применяются в технике связи, в медицинском оборудовании, в бытовой технике.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи и др.

По назначению генераторы делят на:

- технологические;

- измерительные;

- медицинские;

- связные.

По форме колебаний их делят на:

- генераторы гармонических сигналов;

- генераторы негармонических (импульсных) сигналов.

По выходной мощности генератора делят на:

- маломощные (менее 1 Вт);

- средней мощности (ниже 100 Вт);

- мощные (свыше 100 Вт).

По частоте генераторы можно разделить на следующие группы:

- инфранизкочастотные (менее 10 Гц);

- низкочастотные (от 10Гц до 100 кГц);

- высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц);

- сверхвысокочастотные (выше 100 МГц).

С учетом используемых активных элементовгенераторы делят на:

- ламповые;

- транзисторные;

- на операционных усилителях;

- на туннельных диодах;

- на динисторах.

Генератор электрических колебаний является нелинейным устройством. Обобщенная структурная схема генератора приведена на рисунке 3.47, а. В состав генератора входят: усилитель с коэффициентом усиления K_U, частотно-избирательная цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи т и цепь ООС с коэффициентом передачи g.

а б

Рисунок 3.47 – Структурная схема генератора электрических колебаний (а)

и форма колебаний на его выходе (б)

Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима. На этапе возбуждения колебаний после подключения к генератору внешнего источника питания в генераторе появляются колебания, амплитуда которых постепенно нарастает. На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется и генератор переходит в стационарный режим. Форма колебаний на выходе генератора показана на рисунке 3.47, б.

На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь положительной обратной связи. Эта цепь определяет условие возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний амплитуда напряжения на выходе генератора нарастает до тех пор, пока действие нелинейной отрицательной обратной связи не ограничит рост этого напряжения.

Поскольку на этапе возбуждения цепь отрицательной обратной связи не работает, рассмотрим упрощенную схему генератора, изображенную на рисунке 3.48, а. Цепь положительной обратной связи обычно выполняется на пассивных элементах и потому имеет потери. Затухание сигнала в цепи обратной связи компенсируется усилением, которое обеспечивает усилитель. Рассмотрим условия, при которых в схемемогут возникнуть незатухающие колебания.

а б

Рисунок 3.48 – Работа генератора на этапе возбуждения колебаний

Цепь положительной обратной связи генератора содержит емкости или индуктивности (или и то и другое). Наличие реактивных элементов приводит к тому, что при включении питания в схеме возникают переходные процессы, имеющие колебательный характер. К таким же последствиям могут привести переходные процессы в активных элементах (транзисторах или ОУ). Возникшие колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала U_вх и, пройдя через усилитель, появляются на его выходе в виде сигнала

. (3.50)

С выхода усилителя колебания через цепь положительной обратной связи вновь поступают на вход усилителя, поэтому можно записать

, (3.51)

или, с учетом (3.50) и (3.51),

, (3.52)

где – фактор положительной обратной связи.

Как известно, для положительной ОС, с учетом того, что в общем случае и собственный коэффициент усиления усилителя K_U, и коэффициент передачи цепи обратной связи т могут носить комплексный характер, можно записать

. (3.53)

Из (3.53) следует, что для надежного возникновения колебаний в генераторе должно выполняться условие

,

или

. (3.54)

Поскольку коэффициенты, входящих в (3.54), являются комплексными (частотозависимыми) величинами, то условие возникновения колебаний распадается на два условия, которые принято называть условиями баланса амплитуд и баланса фаз:

(3.55)

где j_к и j_т – фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью положительной обратной связи соответственно;

п = 0, 1, 2, ... .

Первое из условий означает, что в стационарном режиме полное петлевое усиление на рабочей частоте генератора должно быть равно единице, то есть модуль коэффициента усиления напряжения усилителя должен быть равен модулю обратной величины коэффициента передачи цепи положительной обратной связи (то есть ). Иначе говоря, насколько сигнал ослабляется при передаче через цепь положительной обратной связи, настолько же он должен усиливаться усилителем.

Если выполняется условие , то колебания в схеме генератора будут затухающими, и, наоборот, при колебания будут нарастающими (как показано на рисунке 3.48, б). Для точного выполнения условия баланса амплитуд в схему генератора вводят отрицательную обратную связь, посредством которой изменяется петлевое усиление . Возможны различные способы регулирования петлевого усиления:

- изменением коэффициента усиления усилителя;

- изменением коэффициента передачи цепи положительной обратной связи;

- изменением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи.

В качестве элементов, регулирующих петлевое усиление, используются или пассивные нелинейные элементы (термисторы, варисторы, позисторы, лампы накаливания и др.) или транзисторы в режиме регулируемого сопротивления (чаще всего это полевые транзисторы).

Второе условие, называемое условием баланса фаз, означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2пp, где п – любое целое число. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний. Если это условие выполняется только на одной частоте, то генерируемое колебания будет гармоническим. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебание будет негармоническими (то есть будет содержать высшие гармоники).

3.10.2 Генераторы гармонических сигналов на ОУ

Для формирования гармонических колебаний в области высоких и сверхвысоких частот широко применяют генераторы с резонансными LC-контурами. Однако их применение в области низких частот ограничивается из-за низкого качества и больших габаритов катушек индуктивности. Для повышения технологичности изготовления и уменьшения габаритов в низкочастотных генераторах в цепи положительной ОС используют различные RС-цепи. Такие цепи обычно имеют квазирезонансные характеристики со сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями, равным нулю или 180°. В качестве примера на рисунке 3.49, а показана цепь на фазосдвигающих звеньях, а на рисунке 3.49, б – мост Вина.

Цепь на рисунке 3.49, а состоит из трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых обеспечивает сдвиг по фазе на 60°. В результате выходное напряжение будет сдвинуто по отношения ко входному на 180°. Чтобы выполнялось условие баланса фаз, усилитель также должен обеспечивать сдвиг по фазе, равный 180°, то есть должен быть инвертирующим.

а

б

Рисунок 3.49 – Цепь на фазосдвигающих звеньях (а) и мост Вина (б)

Мост Вина (рисунок 3.49, б) на квазирезонансной частоте обеспечивает сдвиг по фазе, равный нулю, поэтому для выполнения условия баланса фаз усилитель должен быть неинвертирующим.

Проанализируем схему моста Вина с целью выявления условий возникновения колебаний в генераторе.

Мост Вина состоит из двух RC-звеньев, первое из которых представляет собой последовательное соединение R и С элементов и имеет сопротивление

, (3.56)

а второе – параллельное соединение таких же R и С элементов, полное сопротивление которого равно

. (3.57)

Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи определяется выражением

. (3.58)

Если выполнить условие , то фазовый сдвиг будет равен нулю, а коэффициент передачи . В этом случае частота колебаний на выходе генератора определяется по формуле

. (3.59)

Для стабилизации амплитуды в генераторах гармонических сигналов используют нелинейную ООС. Пример схемы генератора низкой частоты с мостом Вина приведен на рисунке 3.50. Отрицательная обратная связь в генераторе выполнена в виде нелинейного делителя напряжения на сопротивлениях R_л и R1. Сопротивление R1 – линейное, а сопротивление R_л – нелинейное. В качестве сопротивления R_л в рассматриваемой схеме используется лампа накаливания. При увеличении выходного напряжения генератора сопротивление металлической нити лампы накаливания увеличивается, что приводит к увеличению глубины отрицательной обратной связи и, следовательно, к уменьшению коэффициента усиления напряжения усилителя. В результате выходное напряжение стабилизируется на определенном уровне.

Следует отметить, что коэффициент усиления усилителя в рассмотренной схеме должен быть больше трех. Именно это значение коэффициента усиления и устанавливается при помощи регулируемой цепи обратной связи.

Рисунок 3.50 – Генератор синусоидального колебания

с мостом Вина

3.10.3 Релаксационный генератор на ОУ

Принцип работы релаксационных генераторов на базе ОУ основан на использовании процессов заряда – разряда (релаксаций) конденсаторов RС-цепей. При этом заданное время релаксаций реализуется как параметрами самой RС-цепи, так и величиной порогового напряжения срабатывания, устанавливаемого на одном из входов операционного усилителя. ОУ в данном случае используется в режиме компаратора.

Релаксационный генератор (мультивибратор) формирует последовательность прямоугольных разнополярных импульсов заданной длительности и скважности. Схема мультивибратора приведена на рисунке 3.51, а временные диаграммы, поясняющие его работу – на рисунке 3.52.

Напряжение на конденсаторе U_c изменяется по экспоненте, начальный участок которой близок по форме к линейной зависимости (принято на временной диаграмме), при этом напряжение U_с стремится к ±Е_нас (то есть к напряжению, близкому к напряжению источников питания). В момент, когда , дифференциальное входное напряжение ОУ изменяет знак на противоположный и напряжение на выходе ОУ скачкообразно (благодаря действию положительной обратной связи) изменяет полярность.

Рисунок 3.51 – Схема мультивибратора (генератора

прямоугольных импульсов)

Рисунок 3.52 – Релаксационные процессы в мультивибраторе

Таким образом, мультивибратор может находиться в одном из двух квазиустойчивых состояний, в течение которых формируются длительности импульса и паузы.

Пороговое напряжение и длительности импульса и паузы выходного напряжения генератора определяются из формул:

, (3.60)

, (3.61)

где t = R₂C – постоянная времени цепи.

Если принять R1 = R3, то получим

, (3.62)

. (3.63)

При выполнении условий (3.62) и (3.63) выходное напряжение генератора представляет собой импульсную последовательность со скважностью, равной двум (то есть меандр).

Вопросы для самоконтроля

3.11.1 Что называется операционным усилителем?

3.11.2 Привести примерные значения основных параметров типового операционного усилителя.

3.11.3 Записать выражение, связывающее выходное напряжение ОУ с его входными напряжениями. Что усиливает операционный усилитель?

3.11.4 Что называется напряжением смещения операционного усилителя?

3.11.5 Изобразить передаточную характеристику ОУ для инвертирующего (неинвертирующего) входа.

3.11.6 Изобразить типовую АЧХ операционного усилителя. Как определяется частота среза и частота единичного усиления по АЧХ?

3.11.7 Как определяется коэффициент усиления напряжения при неинвертирующем включении ОУ с отрицательной обратной связью?

3.11.8 Как определяется коэффициент усиления напряжения при инвертирующем включении ОУ с отрицательной обратной связью?

3.11.9 Как влияет глубина обратной связи на ширину полосы пропускания усилителя с ООС?

3.11.10 Что называется интегратором? Как связано выходное напряжение интегратора со входным напряжением?

3.11.11 Что называется дифференциатором? Как связано выходное напряжение дифференциатора со входным напряжением?

3.11.12 Привести схему инвертирующего (неинвертирующего) сумматора и записать выражение, связывающее выходное и входные напряжения.

3.11.13 Привести схему логарифмического (антилогарифмического) усилителя и записать выражение, связывающее выходное и входное напряжения.

3.11.14 Составить схему умножителя (делителя) напряжений на ОУ.

3.11.15 Что называется компаратором напряжений? Привести схему однопорогового компаратора и пояснить принцип его работы.

3.11.16 Перечислить преимущества и недостатки активных фильтров на ОУ.

3.11.17 Привести примеры схем ФНЧ, ФВЧ на ОУ и изобразить их АЧХ.

3.11.18 Привести примеры схем полосового, режекторного фильтров на ОУ и изобразить их АЧХ

3.11.19 Что называется электронным генератором сигналов?

3.11.20 Пояснить работу генератора электрических колебаний по структурной схеме.

3.11.21 Что называют балансом амплитуд, балансом фаз? При каких условиях в генераторе возникают устойчивые колебания?