Полупроводниковые приборы — осцилляторы

Генератор — это электронная схема, которая генерирует синусоидальные колебания, известные как синусоидальные генераторы . Он преобразует входную энергию от источника постоянного тока в выходную энергию переменного тока периодической формы волны с определенной частотой и известной амплитудой. Характерной особенностью генератора является то, что он поддерживает свою мощность переменного тока.

На следующем рисунке показан усилитель с сигналом обратной связи даже при отсутствии входящего внешнего сигнала. Синусоидальный генератор по существу является формой усилителя обратной связи, где особые требования предъявляются к коэффициенту усиления напряжения A _v и сетям обратной связи β .

Рассмотрим усилитель обратной связи на приведенном выше рисунке, где напряжение обратной связи V _f = βV _O подает все входное напряжение

$V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i$ (1)

$V_i = A_V \ beta V_i$ Или $(1 - A_V \ beta) V_i = 0$ (2)

Если необходимо создать выходное напряжение, входное напряжение не может быть нулевым. Следовательно, для существования V _i уравнение (2) требует, чтобы

$(1 - A_V \ beta) = 0$ или $A_V \ beta = 1$ (3)

Уравнение (3) известно как «критерий Баркгаузена» , в котором изложены два основных требования к колебанию:

• Усиление напряжения вокруг усилителя и контура обратной связи, называемое усилением контура, должно быть равно единице, или $A_V \ beta = 1$.

• Фазовый сдвиг между $V_i$ и $V_f$, называемый фазовым сдвигом петли, должен быть нулевым.

Усиление напряжения вокруг усилителя и контура обратной связи, называемое усилением контура, должно быть равно единице, или $A_V \ beta = 1$.

Фазовый сдвиг между $V_i$ и $V_f$, называемый фазовым сдвигом петли, должен быть нулевым.

Если эти два условия выполняются, усилитель обратной связи на приведенном выше рисунке будет последовательно генерировать синусоидальную форму выходного сигнала.

Давайте теперь обсудим подробно о некоторых типичных схемах генератора.

Генератор сдвига фазы

Цепь генератора, которая следует за фундаментальным развитием цепи обратной связи, является генератором сдвига фазы. Генератор сдвига фазы показан на следующем рисунке. Требования к колебаниям заключаются в том, что усиление контура (βA) должно быть больше единицы, а фазовый сдвиг между входом и выходом должен составлять 360 ^o .

Обратная связь обеспечивается с выхода RC-сети обратно на вход усилителя. Ступень усилителя операционного усилителя обеспечивает начальный сдвиг на 180 градусов, а сеть RC вводит дополнительную величину сдвига фазы. На определенной частоте сдвиг фазы, вносимый сетью, составляет ровно 180 градусов, поэтому контур будет равен 360 градусам, а напряжение обратной связи соответствует входному напряжению фазы.

Минимальное количество каскадов RC в сети обратной связи равно трем, поскольку каждый участок обеспечивает сдвиг фаз на 60 градусов. RC генератор идеально подходит для диапазона звуковых частот, от нескольких циклов до примерно 100 кГц. На более высоких частотах импеданс сети становится настолько низким, что он может серьезно нагружать усилитель, тем самым снижая его коэффициент усиления по напряжению ниже требуемого минимального значения, и колебания прекращаются.

На низких частотах эффект нагрузки обычно не является проблемой, и требуемые большие значения сопротивления и емкости легко доступны. Используя базовый анализ сети, колебание частоты может быть выражено как

$$f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}}$$

Осциллятор моста Вены

В практической схеме генератора используется операционный усилитель и мостовая схема RC, частота генератора задается компонентами R и C. На следующем рисунке показана базовая версия осцилляторной схемы моста Вина.

Обратите внимание на основное мостовое соединение. Резисторы R ₁ и R ₂ и конденсаторы C ₁ и C ₂ образуют элементы регулировки частоты, тогда как резисторы R ₃ и R ₄ образуют часть пути обратной связи.

В этом приложении входное напряжение (V _i ) для моста является выходным напряжением усилителя, а выходное напряжение (V _o ) моста является обратной связью с входом усилителя. Пренебрегая эффектами нагрузки входного и выходного импедансов операционного усилителя, анализ мостовой схемы приводит к

$$\ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1}$$

а также

$$f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}}$$

Если R ₁ = R ₂ = R и C ₁ = C ₂ = C, результирующая частота генератора равна

$$f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC}$$

Осциллятор Хартли

На следующем рисунке показан осциллятор Хартли. Это одна из самых распространенных радиочастотных цепей. Обычно он используется в качестве локального генератора в приемнике радиовещательной связи. Биполярный переходный транзистор в соединении с общим эмиттером является усилителем напряжения и смещен универсальной схемой смещения, состоящей из R ₁ , R ₂ , R _E. Обходной конденсатор эмиттера (C _E ) увеличивает коэффициент усиления по напряжению на этом одном транзисторном каскаде.

Радиочастотный дроссель (RFC) в цепи коллектора действует как разомкнутая цепь на частоте RF и предотвращает попадание энергии RF в источник питания. Контур бака состоит из L ₁ , L ₂ и C. Частота колебаний определяется значением L ₁ , L ₂ и C и определяется колебаниями на резонансной частоте контура бака LC. Эта резонансная частота выражается как

$$f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}}$$

Выходной сигнал может быть взят из коллектора посредством емкостной связи, при условии, что нагрузка велика и частота колебаний не изменяется.

пьезоэлектричество

Пьезоэлектрические свойства проявляются рядом природных кристаллических веществ, наиболее важными из которых являются кварц, соль Рошеля и турмалин. Когда синусоидальное напряжение прикладывается к этим материалам, они вибрируют с частотой приложенного напряжения.

С другой стороны, когда эти материалы сжимаются и подвергаются механическому напряжению для вибрации, они создают эквивалентное синусоидальное напряжение. Поэтому эти материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами. Кварц — самый популярный пьезоэлектрический кристалл.

Кварцевый генератор

Принципиальная схема кварцевого генератора показана на следующем рисунке.

Кристалл здесь действует как настроенный контур. Эквивалентная схема кристалла приведена ниже.

Кристаллический генератор имеет две резонансные частоты: последовательную резонансную частоту и параллельную резонансную частоту.

Серийная Резонансная Частота

$$f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}}$$

Параллельная резонансная частота

$$f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}}$$

Две резонансные частоты почти одинаковы, так как C / Cm очень мала. На приведенном выше рисунке кристалл подключен для работы в параллельном резонансном режиме.

Резисторы R ₁ , R ₂ , R _E и транзистор вместе образуют схему усилителя. Резисторы R ₁ и R ₂ обеспечивают стабилизированное напряжение постоянного тока смещения. Конденсатор (C _E ) обеспечивает байпас переменного тока эмиттерного резистора (R _E ), а RFC обеспечивает высокий импеданс частоты, генерируемой генератором, чтобы они не входили в линии электропередачи.

Кристалл расположен параллельно с конденсаторами C ₁ и C ₂ и обеспечивает максимальную обратную связь по напряжению от коллектора к эмиттеру, когда его полное сопротивление максимально. На других частотах сопротивление кристалла низкое, поэтому результирующая обратная связь слишком мала, чтобы выдерживать колебания. Частота генератора стабилизируется на параллельной резонансной частоте кристалла.