Generatory drgań sinusoidalnych LC

Transkrypt

1 Generatory drgań sinusoidalnych LC Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Generatory drgań sinusoidalnych Drgania sinusoidalne możemy wytworzyć na dwa sposoby: tworzymy taki wzmacniacz (wraz z pętlą sprzężenia zwrotnego), który przy określonej częstotliwości osiąga nieskończone wzmocnienie (generator sprzężeniowy); obwód rezonansowy LC uzupełniamy o układ o ujemnej rezystancji kompensujący straty energii (generator dwójnikowy).

3 Parametry generatorów Zasadnicze parametry generatorów to: - częstotliwość generowanego przebiegu f0; - stałość generowanej częstotliwości Δf/f0 krótkoterminowa długoterminowa - współczynnik zawartości częstotliwości harmonicznych; - zakres (i sposób) przestrajania generatora; amplituda napięcia wyjściowego; stałość amplitudy napięcia wyjściowego.

4 Wzmacniacz jako generator - warunki generacji Warunki umożliwiające powstanie generacji drgań uzyskuje się za pomocą sprzężenia zwrotnego. Zespolone wzmocnienie wzmacniacza z takim sprzężeniem możemy wyrazić przez U wy ku k uf = = U we 1 k u f Wzmocnienie dąży do nieskończoności gdy mianownik ułamka dąży do zera k u f =1

5 Wzmacniacz jako generator - warunki generacji Przedstawiając liczby w postaci wykładniczej j k k u e f e j =1 Aby dwie liczby zespolone były sobie równe muszą mieć równe moduły i fazy k u f =1 k =n 360 o

6 Wzmacniacz jako generator - warunki generacji Chcemy by warunki generacji były spełnione przy określonej częstotliwości f0. W ten sposób otrzymujemy: k u f 0 f f 0 =1 warunek amplitudy k f 0 f 0 =n 360o warunek fazy Jak widać sprzężenie zwrotne jest dodatnie (czego zresztą można się było spodziewać).

7 Generatory sprzężeniowe LC Rozważmy generator w postaci wzmacniacza tranzystorowego OE obciążonego pasywnym układem liniowym (pomijamy elementy polaryzacji. Faza napięcia na kolektorze (w stosunku do napięcia na bazie) może być przesunięta w zależności od charakteru obciążenia o 180o przy obciążeniu o charakterze rzeczywistym; 90o przy obciążeniu pojemnościowym; 270o przy obciążeniu indukcyjnym.

8 Generatory sprzężeniowe LC Rozważymy układ z obciążeniem będącym równoległym obwodem rezonansowym (w rezonansie impedancja ma charakter rzeczywisty). Wykorzystując schemat równoważny dla prądu zmiennego określamy transmitancję sprzężenia zwrotnego Z3 jϕ βf = = βf e Z 2 + Z3 β Aby był spełniony warunek fazy dla częstotliwości f0 przesunięcie fazy u układzie sprzężenia zwrotnego powinno wynieść o o 180 wtedy (φ + φ ) = 360 k β o o 180 wtedy (φ + φ ) = 0 k β

9 Generatory Colpittsa Przesunięcie fazy przy f0 dla Z3 wynosi tu 90o (dla kondensatora), a Z1+Z2 90o (dla indukcyjności). Całkowite przesunięcie fazy to 180o Generator o takiej strukturze nazywa się generatorem Colpittsa. f 0= 1 C1 C3 2 π L2 C 1 +C 3

10 Generatory Colpittsa f 0= Układy praktyczne (WE i WB) 1 C 1 C3 2 L2 C 1 C 3

11 Generatory Colpittsa f 0= 1 C 1 C3 2 L2 C 1 C 3 Inne praktyczne rozwiązanie generatora Colpittsa w układzie wspólnego emitera.

12 Generatory Colpittsa Generatory Colpittsa w układzie wspólnej bazy i wspólnego kolektora.

13 Generatory Hartleya Przesunięcie fazy czwórnika sprzężenia zwrotnego będzie wynosiło 180o gdy Z3 będzie miało charakter indukcyjny (90o) a Z1+Z2 będzie miało charakter pojemności (90o). Generator o takiej budowie nazywa się generatorem Hartleya. 1 f 0= 2 L1 L3 C 2

14 Generatory Hartleya 1 f 0= 2 L1 L3 C 3 Praktyczne rozwiązania generatorów Hartleya w układzie wspólnego emitera.

15 Generatory Hartleya Generatory Hartleya w układzie wspólnego drenu i wspólnej bazy.

16 Generatory Meissnera W generatorach Meissnera dodatnie sprzężenie zwrotne realizuje się za pomocą sprzężenia transformatorowego (uwaga na kierunek uzwojeń). f 0= 1 2 LC Kolektor jest obciążony układem rezonansowym LC, którego indukcyjność stanowi uzwojenie transformatora. Warunek amplitudy spełnia się dobierając odpowiednią przekładnię transformatora.

17 Generatory Meissnera Praktyczne rozwiązania generatorów Meissnera.

18 Generatory przeciwsobne Układy przeciwsobne stosuje się w celu uzyskania większej mocy i sprawności (na przykład w przetwornicach). Generator przeciwsobny z transformatorowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym to w zasadzie układ dwóch generatorów Meissnera.

19 Generatory przeciwsobne Generator przeciwsobny z galwanicznym dodatnim sprzężeniem zwrotnym. W zasadzie działania jest zbliżony do generatora Hartleya.

20 Zastosowania piezoelektryków do stabilizacji częstotliwości drgań Kwarc i ceramiki z tytanianu baru stosowane są często do stabilizacji częstotliwości drgań generatorów. Poprzez odpowiednie wycinanie fragmentu kryształu można otrzymać rezonatory kwarcowe o bardzo wielkiej stabilności częstotliwości drgań.

21 Zastosowania piezoelektryków... Rezonatory kwarcowe

22 Generatory kwarcowe Rezonator kwarcowy jest elementem rezonansowym o dużej dobroci i stabilności częstotliwości rezonansowej. W konstrukcji generatorów kwarcowych wykorzystuje się zarówno rezonans równoległy, jak i szeregowy. rezonans szeregowy rezonans równoległy

23 Generatory kwarcowy Pierce'a Generator Pierce'a konstrukcyjnie jest zbliżony do generatora Colpittsa, wykorzystuje kwarc w modzie rezonansu równoległego.

24 Generatory kwarcowy w modzie szeregowym Generator kwarcowy ze sprzężeniem emiterowym. Generator kwarcowy w układzie Meissnera.