Układy generacyjne Wrocław 9 Wprowadzenie GENERATORY układy elektroniczne, które w kontrolowany sposób przetwarzają energię źródła zasilania w drgania elektryczne o określonym kształcie, częstotliwości i mocy przekazując je do obciążenia.
Rodzaje Podział ze względu na stałość częstotliwości i mocy generowanych drgań: generatory częstotliwości duża stałość częstotliwości (wzorce f, wzbudnice nadajników), generatory mocy duża moc wyjściowa i duża sprawność energetyczna bez optymalizacji stałości częstotliwości. Podział ze względu na sposób generacji drgań: generatory przebiegu sinusoidalnego (analogowe), generatory przebiegów niesinusoidalnego (prostokątny) przerzutniki, cyfrowe generatory DDS (bezpośrednia synteza cyfrowa - Direct Digital Synthesis) Parametry generowanych drgań Częstotliwość generowanego przebiegu Zakres przestrajania. Stałość częstotliwości: bezwzględna niestałość częstotliwości: f f ( t) = f ( t) f częstotliwość na początku obserwacji, f(t) częstotliwość w w chwili t obserwacji. względna niestałość częstotliwości: f ( t) δf t = ( ) f stałość częstotliwości średnia względnych niestałości f mierzonych w czasie T doby lub roku: ( df ) dt f = f f T Dobowe stałości częstotliwości dla generatorów: atomowych ±( - -4 ), kwarcowych ±( -6 - ), LC ±( -3-4 ), RC ±( - -3 ).
Parametry generowanych drgań Wartość amplitudy. Zawartość harmonicznych w nominalnych warunkach pracy. Poziomy i widma fluktuacji amplitudy i fazy. Moc i sprawność. Generatory przebiegu sinusoidalnego (analogowe) Wrocław 9 3
Wprowadzenie Drgania sinusoidalne podstawowy rodzaj drgań występujący w przyrodzie. ( t) = U sin( π ft +φ) u Drgania tego typu znajdują powszechne zastosowanie w urządzeniach nadawczoodbiorczych, w aparaturze kontrolno-pomiarowej, w systemach cyfrowych do generacji wzorcowych przedziałów czasu. Rodzaje generatorów generatory sprzężeniowe element aktywny objęty pętlą +SZ, dzięki czemu uzyskuje się odtłumienie obwodu generacyjnego, generatory dwójnikowe (generatory o ujemnej rezystancji) element o ujemnej rezystancji lub konduktancji wykorzystany jest do odtłumienia obwodu generacyjnego. Odtłumienie obwodu rezonansowego jest możliwe jeśli w P wypadkowa typu N (np. dioda tunelowa) konduktancja obwodu równoległego jest równa. W odtłumionym (bezstratnym) układzie rezonansowym powstają niegasnące drgania, gdy: G R < g u ω = πf = LC 4
Rodzaje generatorów generatory sprzężeniowe element aktywny objęty pętlą +SZ, dzięki czemu uzyskuje się odtłumienie obwodu generacyjnego, generatory dwójnikowe (generatory o ujemnej rezystancji) element o ujemnej rezystancji lub konduktancji wykorzystany jest do odtłumienia obwodu generacyjnego. Odtłumienie obwodu rezonansowego jest typu S (np. tranzystor lawinowy, tyrystor) możliwe jeśli w P wypadkowa rezystancja obwodu szeregowego jest równa. W odtłumionym (bezstratnym) układzie rezonansowym powstają niegasnące drgania, gdy: R S < r u ω = πf = LC Generatory sprzężeniowe generatory LC, generatory ze stabilizacją piezoelektryczną kwarcowe, generatory RC. 5
Generatory sprzężeniowe Warunek wzbudzenia drgań Ogólny schemat blokowy generatora sprzężeniowego wzmocnienie wzmacniacza bez SZ U ku ( jω) = = ku exp( jϕ u ) U transmitancja pasywnego czwórnika SZ U β β u ( jω) = = β u exp( jϕ β ) U transmitancja układu ze SZ U k ( ) ( jω) u k f jω = = E k jω β jω g u ( ) ( ) u Generatory sprzężeniowe Warunek wzbudzenia drgań U U Aby sprawdzić czy generator jest zdolny do generacji drgań, należy: przerwać obwód SZ, obciążyć WY SZ rezystancją równa R WE wzmacniacza, podać na wzmacniacz napięcie U, zmierzyć napięcie U, generator jest zdolny do wytworzenia drgań gdy U = U (amplituda i faza) U ( jω) = U ( jω) β ( jω) k ( jω) U ( jω) = u u Wzmocnienie w pętli SZ musi być zatem równe: k u Re exp[ ] = ( jω) β ( jω) ( k β ) + j Im( k β ) = k β j( ϕ + ϕ ) u = u u u u u u u β 6
Warunek amplitudy: Generatory sprzężeniowe Warunek wzbudzenia drgań k β u u = Re( k β ) = = u u drgania mogą być generowane wówczas, gdy wzmacniacz kompensuje tłumienie wprowadzone przez obwód SZ (w praktyce warunek, gdyż nawet niewielkie zmniejszenie wzmocnienia mogłoby prowadzić do zerwania drgań; warunek > może powodować zniekształcenia U WY wynika to z nieliniowości wzmacniacza) Warunek fazy: ( k β ) = πn, lub ϕ + ϕ = πn, gdzie n,,... Im = u u u drgania mogą być generowane wówczas, gdy napięcie wyjściowe jest w fazie z napięciem wejściowym Warunki generacji powinny być spełnione tylko dla jednej określonej częstotliwości. Zapewnia się to z pewnym przybliżeniem przez odpowiedni dobór elementów RC lub LC. β Zasada działania generatora LC k u β u 7
Generatory sprzężeniowe Proces wzbudzenia drgań miękkie Proces narastania drgań i osiągania stanu ustalonego generatora można przedstawić w oparciu o ch-yki przejściowe k u i β u. Nieliniowości elementów aktywnych powodują,że ch-yki wzmacniaczy są także nieliniowe i zależne od klasy pracy wzmacniaczy. Ch-yka β u jest liniowa, jeśli jest on zrealizowany z liniowych elementów pasywnych Ch-yka wzmacniacza w początkowym okresie jest liniowa (wzmacniacz klasy A, AB lub B). Nawet dla małych amplitud napięcia k u β u >>. Po załączeniu napięcia zasilania i przypadkowym pobudzeniu (np. napięciem szumów) amplituda drgań narasta od wartości początkowej U() do wartości ustalonej U( ) w pkt P, w którym k u β u =. Dalszy wzrost amplitudy nie jest możliwy Generatory sprzężeniowe Proces wzbudzenia drgań twarde Ch-yka wzmacniacza narasta dopiero po pewnej wartości progowej napięcia U (wzmacniacz klasy C). Przy małych amplitudach napięcia warunek generacji nie jest spełniony ( k < / β ). u Aby nastąpiło wzbudzenie drgań układ musi być silnie pobudzony, np. przez podanie napięcia zasilania. Amplituda drgań narasta od wartości początkowej U() > do wartości ustalonej U( ) w pkt P, w którym k u β u =. u 8
Generatory sprzężeniowe Proces wzbudzenia drgań ukł.autom.polaryzacji obw.wej.wzm. Wzmacniacz selektywny pracuje w klasie C z dynamiczną polaryzacją obwodu wejściowego. Na początku wzmacniacz pracuje w klasie A wzbudzenie miękkie. Pod wpływem narastającej amplitudy drgań wytwarza się rosnące napięcie polaryzujące obwód wejściowy wzmacniacza przesuwając punkt pracy wzmacniacza do klasy C. Generatory LC Rodzaje W generatorach LC stosuje się tranzystory bipolarne lub unipolarne, można je realizować również na wzmacniaczach operacyjnych lub bramkach cyfrowych. Połączenie elementu aktywnego z obwodem rezonansowym może być realizowane za pomocą obwodów sprzęgających wykonanych jako transformatory, dzielniki pojemnościowe lub indukcyjne. Istnieją 3 podstawowe struktury generatorów LC (różne sprzężenie obwodu rezonansowego z elementem aktywnym) generator Colpitssa, generator Hartleya, generator Meissnera. Na tej bazie powstało wiele innych odmian generatorów np.: generator Clappa odmiana Colpittsa, generatory kwarcowe (Pierce a) odmiana Colpittsa i Hartleya. 9
Generatory LC Rodzaje Generator Colpitssa Generator Hartleya Generator Meissnera gdy węzeł uziemiony konfiguracja OB. Lub OG; gdy węzeł uziemiony konfiguracja OE lub OS Generatory LC Warunki generacji generator trójpunktowy - OG Układ z elementem aktywnym (JFET) nieobciążającym obwód rezonansowy konfiguracja OG obwód rezonansowy to elementy X, X, X 3, G element reprezentujący straty obwodu, Ponieważ OG nie zmienia fazy napięcia wyjściowego U 3, dzielnik X, X musi się składać z reaktancji tego samego typu aby podział U 3 był bez zmiany fazy. jeśli X, X = X C to X 3 = X L generator Colpittsa jeśli X, X = X L to X 3 = X C generator Hartleya Z warunku fazy wyznaczyć można częstotliwość drgań generatora (dla częstotliwości rezonansowej ω obwód rezonansowy reprezentuje konduktancję G ) Z warunku amplitudy otrzymujemy: k X + X + X = 3 ( ω ) β ( ω ) = k ( ω ) u u X X + X
Generatory LC Warunki generacji generator trójpunktowy - OG k X X + X ( ω ) β ( ω ) = k ( ω ) u u u Ponieważ k u (ω ) jest duże, to przy k u >> warunek amplitudy jest łatwy do spełnienia nawet przy X << X, tj. przy: C >> C dla Colpittsa, L << L dla Hartleya. Warunek ten jest szczególnie istotny dla tranzystorów bipolarnych, wówczas X jest bocznikowane niewielką r wej tranzystora. Wpływ tej rezystancji będzie mały, gdy X << X oraz X << r wej. Generatory LC Warunki generacji generator trójpunktowy - OS Układ z elementem aktywnym (JFET) konfiguracja OS, obciążenie G L Układ OS odwraca fazę o 8, zatem dzielnik X, X powinien wnieść dalsze przesunięcie o 8 tak aby była zgodność faz napięć U oraz U 3. Słuszny jest zatem warunek fazy jak dla OG: X + X + X 3 =
Generatory LC Warunki generacji generator trójpunktowy - OS Konduktancję G można przetransformować do zacisków do których przyłączona jest G L ' G G = p p = X X + X Generatory LC Warunki generacji generator trójpunktowy - OS Dla częstotliwości rezonansowej (ω ) transmitancje k u i β u wynoszą: β k u u g + G + G m ( ω ) = ( ω ) g ds L / p X X = = = X + X X Zatem warunek amplitudy przyjmuje postać: 3 p Po przekształceniu: k u p m ( ω ) β ( ω ) = = u g ds + GL + G / p g p ( g + G + g ) pg + G = ds L m m
Generatory LC Warunki generacji generator trójpunktowy - OS Warunkiem powstania drgań w układzie jest, aby pierwiastki równania były rzeczywiste. Otrzymujemy jeden pierwiastek: g m p g + G m L Ponieważ: X p = X + X g m g + G m L otrzymujemy warunek amplitudy: X X G g L m Generatory LC Warunki generacji generator Colpittsa, Hartleya Warunki powstania drgań w układzie Colpittsa: amplitudy: fazy: C G = C g + C C L m = ω L Warunki powstania drgań w układzie Hartleya: amplitudy: fazy: L G = L g L m + L = ω C L 3
Generatory LC Generator Hartleya zasilanie szeregowe (WE) Składowa stała I C płynie przez cewkę obwodu rezonansowego. Połączenie obwodu rezonansowego z bazą tranzystora oddzielone jest przez C b sprzęgającą. Na C b po wytworzeniu się drgań pojawia się dodatkowe napięcie przesuwające stopniowo pkt. pracy tranzystora do pracy w klasie AB, B lub C. Stała czasowa rozładowania C b powinna być duża w porównaniu z okresem drgań generatora. Częstotliwość generowanych drgań równa jest częstotliwości obwodu rezonansowego. Generatory LC Generator Hartleya zasilanie równoległe (WE) Składowa stała I C płynie przez dławik w.cz. a nie płynie przez obwód rezonansowy (obwód równoległy). Obwód rezonansowy zapewnia 8 przesunięcia fazowego (WE-kolejne 8 ) spełniony warunek fazy. Częstotliwość generowanych drgań równa jest częstotliwości obwodu rezonansowego. Sposób zasilania stosowany szczególnie w generatorach mocy, ponieważ przez dławik nie płynie prąd w.cz. i zapewnione jest dzięki temu dobre dopasowanie źródła zasilającego. W układzie również występują małe straty mocy w obwodzie zasilania. Wada: trudność wykonania dławika tak by nie posiadał własnych rezonansów. 4
Generatory LC Generator Hartleya zasilanie od strony emitera (WB) Składowa stała I C płynie przez obwód rezonansowy. Sygnał z obw.rezon. przez SZ (C e ) nie jest przesunięty w fazie WB nie zmienia fazy zatem mamy +SZ. Częstotliwość generowanych drgań równa jest częstotliwości obwodu rezonansowego. Układ stosowany w generatorach małej mocy. Generatory LC Generator Hartleya Przestrajanie (zmiana generowanej f) może być realizowane przez zmianę L lub C (częściej stosowane). Aby uzyskać dużą stałość częstotliwości (ograniczyć wpływ temperatury) należy stosować obwód rezonansowy o dużej Q. 5
Generatory LC Generator Colpittsa zasilanie równoległe (WE) Składowa stała I C płynie przez dławik w.cz. i nie płynie przez obwód rezonansowy. Obwód rezonansowy zapewnia 8 przesunięcia fazowego (WE-kolejne 8 ) spełniony warunek fazy. Częstotliwość generowanych drgań równa jest częstotliwości obwodu rezonansowego. Sposób zasilania stosowany szczególnie w generatorach mocy, ponieważ przez dławik nie płynie prąd w.cz. i zapewnione jest dzięki temu dobre dopasowanie źródła zasilającego. W układzie również występują małe straty mocy w obwodzie zasilania. Wada: trudność wykonania dławika tak by nie posiadał własnych rezonansów. Generatory LC Generator Colpittsa zasilanie od strony emitera (WB) Układ stosowany w generatorach małej mocy. 6
Generatory LC Generator Colpittsa Przestrajanie (zmiana generowanej f) może być realizowane przez zmianę L lub jednoczesną zmianę C przy zachowaniu ich stałego stosunku. Generatory LC Generator Meissnera Sprzężenie obwodu rezonansowego poprzez transformator Rozcięcie pętli pozwala na określenie wzmocnienia k u β u. Zakładając częstotliwość graniczną tranzystora dużo większa od częstotliwości generacji można przyjąć, że y wej tranzystora ma ch-er rzeczywisty. Obwód LC dla częstotliwości rezonansowej: f = π LC Model liniowy z rozcięta pętlą SZ można zastąpić konduktancją dynamiczną G ωc G = Q Q dobroć układu 7
Generatory LC Generator Meissnera Wypadkowa konduktancja obwodu dla częstotliwości rezonansowej f G R = G + p g + pg L Ponieważ OE odwraca fazę o 8, to dla spełnieni warunku fazy, dodatkowe przesunięcie o 8 musi zapewnić transformator (przy odpowiednim połączeniu w obwodzie bazy). Warunek amplitudy k u m ( ω ) β ( ω ) = ( p ) = u g ds + p g + pgl g Z tego warunku wyznaczamy przekładnię transformatora. Generatory LC Generator Meissnera zasilanie szeregowe (WE) Obwód rezonansowy musi dać przesunięcie 8 realizowane jest to poprzez nawinięcie uzwojeń trafo. w przeciwnym kierunku. C b zapewnia mała impedancję w obwodzie sterującym dla przebiegów w.cz. (zwiera R B, R B ), ponadto jest elementem automatycznej polaryzacji bazy. Gdy narasta amplituda drgań na C b stopniowo narasta ujemne napięcie (ładowanie impulsami I B ). Dzięki temu generator wzbudza się miękko (klasa A) a w miarę narastania amplitudy drgań jego punkt pracy przesuwa się do klasy AB, B lub C. W tym sposobie pracy układ wykazuje własności stabilizujące amplitudę generowanego przebiegu. 8
Generatory LC Generator Meissnera zasilanie równoległe (WE) C b spełnia podobna role jak C przy zasilaniu szeregowym. C b sprzęga obwód rezonansowy z kolektorem tranzystora. Generatory LC Generator Meissnera Przestrajanie (zmiana generowanej f) może być realizowane przez zmianę C w obwodzie rezonansowym. 9
Generator Meissnera Generator Hartleya
Generator Colpittsa Generatory LC Generator Clappa odmiana Colpittsa Indukcyjność zastępcza: L Z = L ω C 3 silnie rośnie wraz ze wzrostem f, dzięki temu w układzie zwiększa się stałość częstotliwości generowanych drgań. W układzie tym C, C, L mogą być znacznie większe niż odpowiedniki w układzie Colpittsa. Istotna zaleta przy projektowaniu generatorów o dużych częstotliwościach, wówczas wartości C, C, L potrzebne do zapewnienia wymaganej częstotliwości drgań stają się porównywalne z pojemnościami i indukcyjnościami pasożytniczymi układu.
Generatory kwarcowe Rezonator kwarcowy Przetwornik elektromechaniczny składający się z wibratora kwarcowego i obudowy chroniącej go przed wpływami zewnętrznymi. Element kwarcowy wycięty z monokryształu kwarcu, najczęściej w postaci prostokątnych lub okrągłych, płaskich lub soczewkowatych płytek. Na element kwarcowy napyla się elektrody z cienkich warstw metalicznych (złoto, srebro, aluminium). Jeżeli od elektrod przyłożone zostanie napięcie zmienne (sinus) to w elemencie piezoelektrycznym (kwarc) wytworzy się zmienne pole elektryczne. W wyniku zjawiska piezoelektrycznego wibrator zaczyna drgać, co prowadzi do pojawienia się na jego powierzchni zmiennych ładunków elektrycznych (płynie prąd). Rezonator zachowuje się jak obwód rezonansowy o dużej dobroci. Współczynnik temperaturowy częstotliwości rezonansowej jest bardzo mały. Osiągalna stałość częstotliwości duża: ±( -6 - ). Generatory kwarcowe Rezonator kwarcowy model zastępczy L, R i C odpowiadają parametrom mechanicznym kwarcu, (L masa kwarcu, R oporność mechaniczna, C sprężystość płytki kwarcu), C pojemność statyczna elektrod i przewodów doprowadzających. Przykładowe parametry rezonatorów
Generatory kwarcowe Rezonator kwarcowy rezonanse Dobroć rezonatora (duża bo duży stosunek L do C): Impedancja rezonatora: Z K Q = R L C j ω LC = ω C + C ω LCC W układzie rezonatora mogą występować dwa rodzaje rezonansu: szeregowy (Z K = ) równoległy (Z K = ) f S = π LC C f = + = f + R S π LC C C C f S zależy tylko od parametrów kwarcu natomiast f R również od C związanej z pojemnościami montażowymi. W związku z tym rezonans równoległy jest mniej stabilny. Generatory kwarcowe Rezonator kwarcowy rezonanse Pomiędzy f s a f r reaktancja rezonatora ma ch-er indukcyjny a więc może on pracować jako element indukcyjny w typowym układzie Colpittsa. Dzięki dużej dobroci rezonatora (stroma ch-ka fazowa w około f r ) uzyskuje się dużą stabilność f generowanego sygnału. 3
Generatory kwarcowe Rezonator kwarcowy strojenie Często pojawia się konieczność dostrojenia kwarcu w niewielkim zakresie. W tym celu do kwarcu szeregowo dopina się dodatkowy C S o wartości dużo większej od C. Wypadkowa impedancja tego połączenia: C + C + C ω LC( C + C ) S S Z K ' = jωc S C + C ω LCC uwzględniając,że C<<C + C S : względna zmiana częstotliwości: f ' = S f f f S + = C C ( C + ) CS ( C + ) C S Dodatkowa C S nie zmienia f R (zero mianownika Z K nie zależy od C S ). Przy C S dążącym do, f S można zwiększyć prawie do f R. Generatory kwarcowe Generator Colpittsa Pierce a Generator pracuje w rezonansie równoległym (obwód rezonansowy zapewnia przesunięcie fazy 8 ). Od zastępczej pojemności dzielnika C, C zależy generowana częstotliwość (obwód rezonansowy X, C, C ). Od stosunku C /C zależy wartość współczynnika SZ i spełnienie warunku amplitudy. 4
Generatory kwarcowe Rodzaje rezonansów Układ w rezonansie szeregowym R Układ w rezonansie równoległym X -E -E R R 3 X +E U WY R R3 R +E UWY X w pętli +SZ (nie zmienia fazy) X w pętli -SZ (zmienia fazę o 8 ) Generatory kwarcowe Generator sygnału prostokątnego 5
Generatory kwarcowe Generator drgań o f ponadpodstawowej Wytworzenie kwarcu na f większą niż 3 MHz jest trudne. Większe f można wytwarzać synchronizując generator LC rezonatorem o mniejszej f w pętli fazowej PLL, lub pobudzić kwarc do drgań na wyższej harmonicznej. Rezonator jest włączony w obwód +SZ (rezonans szeregowy). Główny obwód rezonansowy LC (o mniejszej dobroci) dostrojony musi być do f s lub jej harmonicznej. Umożliwia to generowanie stabilnych częstotliwościowo sygnałów o f f s. Generatory RC Generatory RC stosuje się do pracy w zakresie małych częstotliwości (kilka Hz do kilkuset Hz). W tym zakresie f w generatorach LC wartości L i C stają się zbyt duże (nie nadają się do miniaturyzacji) a dobroć obwodu rezonansowego maleje. Generator RC można zrealizować zastępując obwód rezonansowy LC biernym filtrem pasmowoprzepustowym RC. Stosowane są struktury selektywne (mostek Wiena, podwójne T, bocznikowane T, itp.) oraz przesuwniki fazowe RC. W porównaniu z generatorami LC mają gorszą stałość częstotliwości [±( - -3 )], jednakże generują sygnał o bardzo małych zniekształceniach i umożliwiają przestrajanie f w zakresie : na jednym podzakresie. Generatory RC powszechnie stosowane są jako generatory serwisowe i laboratoryjne. 6
Generatory RC Mostek Wiena U β = U wy we jωrc R = ω R C + j3ωrc 44 44 44443 R + R 443 β + β Mostek jest idealnie zrównoważony, gdy moduł transmitancji β osiąga minimum. Wówczas: R ω = + f = β = Q = = RC R 3 f 3 Generatory RC Mostek Wiena ω v = ω - odstrojenie, ω ω R ε = << - współczynnik rozstrojenia mostka dla ω, R Przy ω transmitancja β wynosi. Aby zatem zostały spełnione warunki generacji należałoby zastosować wzmacniacz o K u. W ω następuje również przeskok przesunięcia fazowego pomiędzy π/ a -π/. Oznacza to, że przy pełnym zrównoważeniu nie jest możliwe zbudowanie generatora. Koniecznie staje się zatem rozrównoważenie mostka 7
Generatory RC Mostek Wiena Przy niezrównoważonym mostku możemy zapisać: + β = 3 + jv f generatora zależy od elementów RC β = 3 + ε R R decydują o spełnieniu warunku generacji oraz ustalają amplitudę generowanego sygnału + β = β β Generatory RC Mostek Wiena ν j ε = = ε 3 + jv 3 + ε 9 ν ε + j + ε ν zakładając ν << 3 (dla ω=ω, ν=) w zakresie ε<<3 otrzymujemy: Wówczas dobroć mostka wynosi: ε ν ν β j = β j 9 ε ε ω Q = = = εω ε 9 β 8
Generatory RC Mostek Wiena Z warunku amplitudy k u (ω ) β (ω ) otrzymujemy: ε k u 9 ( ω ) Fazy transmitancji β + i β - są zgodne. Przy ε mostek nie odwraca fazy i warunek fazy jest spełniony dla ω niezależnie od stopnia niezrównoważenia mostka. R R pracują zwykle w gałęzi automatycznej regulacji wzmocnienia (ARW) generatora. Generatory RC Mostek Wiena ARW Układ ARW zrealizowany jako podwajacz napięcia niesymetryczny z JFET linearyzowanym. JFET spełniający rolę regulowanej elektrycznie rezystancji pracuje w obszarze liniowym (triodowym), w którym zastosowano linearyzację ch-yk wyj przy pomocy SZ (R ). napięcie na C jest ujemne i bezpośrednio steruje bramkę JFET-a, gdy amplituda U WY rośnie to rośnie ujemne napięcie na C, rośnie ujemne napięcie na bramce JFET, rośnie rezystancja statyczna JFET r DS, rośnie SZ, maleje amplituda napięcia wyjściowego. 9
Generatory impulsowe przerzutniki Wrocław 9 Praca impulsowa tranzystora klucz e g E F stan aktywny tranzystora I Csat i c -E R T t włączenie tranzystora T t u be u wy U BEwł -E R C b we R t stan nasycenia tranzystora E C U CEsat t d t f t s t r t i b +EC RC I Bwł I BR T t b t stan zatkania tranzystora Eg RB Ube Uwy 3
Rodzaje przerzutników Układy przerzutnikowe zbudowane są najczęściej w postaci dwóch kaskodowo połączonych inwerterów, objętych szerokopasmowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Silne +SZ wywołuje zjawisko niestabilności, prowadząc do szybkiego przerzutu od jednego stanu stabilnego do drugiego. Silne +SZ prowadzi do ch-tyki przejściowej o ujemnym nachyleniu co oznacza, że ch-tyka zakreśla pętle histerezy. Przerzutnik różnią się od układów analogowych ze +SZ (generatory), że ich U wy skokowo a nie łagodnie jak w generatorach. zmienia się Rodzaje przerzutników przerzutnik bistabilny: charakteryzuje się dwoma stanami stabilnymi, w których może pozostawać nieskończenie długo. Przejście pomiędzy stanami następuje pod wpływem impulsu zewnętrznego. przerzutnik monostabilny (uniwibrator): charakteryzuje się jednym stanem stabilnym. Drugi stan trwa tylko przez określony czas, zależny od wartości elementów układu. Po upływie tego stanu samoczynnie wraca do stanu stabilnego. Przejście układu do stanu quasi-stabilnego inicjowane sygnałem zewnętrznym. przerzutnik astabilny (multiwibrator): nie ma stanu stabilnego lecz dwa stany quasi-stabilne. Stale zmienia swój stan pod wpływem pobudzenia zewnętrznego. Okresowe samoczynne przechodzenie z jednego stanu w drugi wyznaczają czasy przeładowania elementów reaktancyjnych. 3
Rodzaje przerzutników Każdy z przerzutników można zrealizować w podstawowej strukturze dobierając odpowiednie człony sprzęgające (rezystory lub kondensatory) Przerzutnik Człon S Człon S Bistabilny (przerzutnik Schmitta) R R Monostabilny (uniwibrator) R C Astabilny (multiwibrator) C C Przerzutnik Rodzaje bistabilny przerzutników - symetryczny Na S podajemy dodatnie napięcie: T przewodzi, maleje U C, maleje I B, U C rośnie, wzrasta I B płynący przez R. Stan ustalony, gdy U C spadnie do wartości U CEsat (T zatkany a T przez płynący I B utrzymany w stanie przewodzenia). Odłączenie napięcia z S niczego nie zmienia (stan ustalony). Stan poprzedni przez podanie napięcia na R Gdy R = S = H oba tranzystory nasycone, po zaniku napięcia jeden przewodzi, drugi zatkany ale nie wiadomo który. Stan logicznie zabroniony!! 3
Przerzutnik Rodzaje bistabilny przerzutników Schmitta Inicjacja przeskoku poprzez zmianę określonej wartości U WE. Przerzutnik Rodzaje bistabilny przerzutników Schmitta Przetwornik sin na prostokąt Gdy U WE przekroczy U PH (górny próg przełączania) to U WY skacze do U WYmax (górna granica wysterowania). Gdy U WE spada poniżej U PL (dolny próg przełączania) o U WY powraca do U WYmin (dolna granica). Szerokość pętli histerezy jest to różnica napięć pomiędzy poziomem wł. a wył. Histereza tym mniejsza im mniejsza różnica pomiędzy U WYmax a U WYmin lub im większe tłumienie wprowadzane przez dzielnik R, R. Zmniejszając histerezę osłabiamy +SZ co prowadzi do tego, że układ przestaje być bistabilny (dla Zwykły wzmacniacz dwustopniowy). R 33
Przerzutnik Rodzaje przerzutników monostabilny W stanie ustalonym T przewodzi a T zatkany. Dodatni impuls U WE powoduje przejście T do stanu przewodzenia. Wskutek tego U C skokowo od wartości U CC zmienia się do. Skok ten przeniesiony zostaje przez RC na bazę T. U B zmienia się od,6v do U CC +,6V U CC i T zostaje zatkany. R w SZ podtrzymuje przewodzenie T nawet po powrocie U WE do. C ładuje się przez R T jest zatkany, aż U B wzrośnie do,6v. Nastąpi to po czasie Po tym czasie T znowu zaczyna przewodzić (stan stabilny).. U B ( t) U CC e RC t T RC ln, 7RC Przerzutnik Rodzaje przerzutników monostabilny Układ wraca do stanu stabilnego nawet, gdy czas trwania impulsu U WE jest dłuższy od T (T przewodzi do chwili zaniku U WE i +SZ nie działa. Po procesie przełączania C musi naładować się przez R C. Jeśli nie zdąży całkowicie się naładować do chwili nowego impulsu U WE, czas trwania następnego impulsu ulega skróceniu. Jeżeli efekt ten ma być mniejszy niż %, T musi być zatkany co najmniej przez T = 5R C C 34
Przerzutnik Rodzaje przerzutników monostabilny Rodzaje Przerzutnik przerzutników astabilny t = R ln t = RC ln C W czasie t zablokowany jest tranzystor T a w t T. Stan układu zmienia się zawsze, gdy zaczyna przewodzić dotychczas zatkany tranzystor. Układ trudny w realizacji (warunki na odpowiedni dobór R, problemy ze wzbudzaniem układu) nie stosuje się w praktyce. 35
Rodzaje Przerzutnik przerzutników astabilny Multiwibrator tego typu znajduje bardzo szerokie zastosowanie w praktyce. Stosowany jest głównie w układach z fazową pętlą sprzężenia zwrotnego (PLL). Jako układ generacyjny przestrajany w dużym zakresie wolnozmiennym napięciem sterującym (generatory VCO voltage controlled oscilator). Generatory VCO - ze sprzężeniem emiterowym f = I 4U BE C 36
Przerzutniki Rodzaje z bramkami przerzutników logicznymi Bistabilny RS (NAND) Przerzutniki Rodzaje z bramkami przerzutników logicznymi Bistabilny Schmitta (NAND) Wartości napięć przełączania zależą od wartości R i R 37
Przerzutniki Rodzaje z bramkami przerzutników logicznymi Monostabilny (NAND) W stanie stabilnym B jest wyłączona (niski poziom dzięki R ok. -5Ω) a B włączona. Podanie stanu niskiego na WE przełącza układ w stan niestabilny, który jest podtrzymywany przez SZ tak długo dopóki napięcie na C jest wyższe niż napięcie progowe bramki (,4V dla TTL) t p RC Przerzutniki Rodzaje z bramkami przerzutników logicznymi Astabilny (NAND) f = t + t = R C + R C zalecane R = R kω Zmianę f oraz współczynnika wypełnienia uzyskuje się przez zmianę C, C 38
Rodzaje Przerzutniki przerzutników z WO Bistabilny Schmitta U I U O min R = R + R U I U Omax R = R + R Rodzaje Przerzutniki przerzutników z WO Astabilny R, R 3 stanowią +SZ o współczynniku sprzężenia, który ustala na WE- napięcie βu : R3 β = R R + R3, C tworzą integrator +SZ. Działanie układu polega na okresowej zmianie stanu nasycenia wzmacniacza (od U sat do +U sat ) T = R C ln + β β Jeżeli R 3,9 R czyli β,47 to: f = R C 39
Generatory VCO - integrator przerzutnik Rodzaje Przerzutniki przerzutników z WO Monostabilny D ogranicza od góry U C do,7v dzięki czemu otrzymujemy stan stabilny U =+U sat a U + =βu sat. Jeśli na U I damy ujemny impuls o ampl. βu sat to U + =-βu sat i ukł. przejdzie w stan niestabilny (U =-U sat ). Czas trwania stanu zależy od naładowania C do -βu sat (powrót do stab.stanu). t p = R C ln β Jeżeli R 3,7 R czyli β,63 to: t p = R C 4
Rodzaje Przerzutniki przerzutników z WO Monostabilny Gdy odwrócimy D D otrzymamy odwrotną polaryzuję. C, R 4, D tworzą obwód kształtujący impuls wyzwalający. Przerzutniki Rodzaje przerzutników z układem 555 555 Uniwersalny i szeroko stosowany układ regeneracyjnego formowania impulsów układ scalony 555. Układ opracowany przez firmę Signetics produkowany w kilku odmianach przez wiele firm. Układ 555 charakteryzuje się: małą wrażliwością na zmiany napięcia zasilającego, dużą stałością temperaturową, generowania impulsów o czasie trwania od mikrosekund do kilku minut, możliwością regulowania wypełnienia impulsów przy pracy astabilnej, małym poborem prądu, duża obciążalnością (do ma), dużą odpornością na zakłócenia. Stosując układ 555 można zrealizować: przerzutnik monostabilny, przerzutnik astabilny, dyskryminator szerokości impulsów, analogowy dzielnik częstotliwości, modulator szerokości impulsów, przetwornik napięcie częstotliwość. 4
Przerzutniki Rodzaje przerzutników z układem 555 555 budowa przerzutnik RS, dzielnik napięciowy, dwa komparatory, tranzystor rozładowujący, bramka separująca wyjście Przerzutniki Rodzaje przerzutników z układem 555 Monostabilny W stanie stabilnym C jest rozładowany przez tranzystor T w układzie 555. Po podaniu krótkiego, ujemnego impulsu wyzwalającego, przerzutnik RS zmienia stan, na WY pojawia się wysoki poziom napięcia (H) i tranzystor T zostaje odcięty. C zaczyna się ładować ze stałą czasową RC. Gdy napięcie na C przekroczy /3U CC na wyj z K pojawia się stan wysoki napięcia (H) i przerzutnik RS zostaje wyzerowany. Czas trwania impulsu WY: T =, R C T nasyca się, C rozładowuje, układ powraca do stanu stabilnego. 4
Przerzutniki Rodzaje przerzutników z układem 555 Astabilny WE wyzwalania i progowe połączone ze sobą. C ładuje się prądem z R A i R B, rozładowuje przez prąd z R B i tranzystor T z układu 555. Samoczynnie układ przełącza się w chwili przekroczenia przez napięcie u C poziomu /3 U CC przy ładowaniu C i /3 U CC przy rozładowaniu C Częstotliwość drgań: f = = T,693( R + R )C A B Współczynnik wypełnienia impulsów WY: D t RB = T R + R = A B Generatory funkcyjne Wrocław 9 43
Rodzaje Wstęp przerzutników Generatorem funkcyjnym nazywamy układ, wytwarzający kilka wzajemnie zsynchronizowanych przebiegów o różnych kształtach ale tej samej f. Generatory wytwarzają na ogół przebiegi trójkątne, prostokątne i sinusoidalne, dostępne z oddzielnych wyjść. Do budowy używa się WO i komparatorów. Rodzaje Sposoby przerzutników generacji Układ kształtujący 44
Rodzaje Generator przerzutników funkcyjny f = π R R C C p 3 R R R 3 = p R + R3 Wskutek +SZ wy. komparatora i we. filtru, układ generuje sin, z którego na komparatorze kształtowany jest jest prostokąt. Z prostokąta kształtowany jest trójkąt w układzie integratora. Wtórnik separuje wy. prostokąta od wej. filtra. f regulowana jest potencjometrem R. Rodzaje Generator przerzutników funkcyjny Układ scalony R, C określają f. Konstrukcja sprowadza się do odtworzenia noty aplikacyjnej. Na wej A i A ustalany jest cyfrowo rodzaj przebiegu (,X sin;, prostokąt;, trójkąt). P regulacja f (od, Hz do MHz). U wyp-p = V 45
46
ICL838 obsolet Podsumowanie:. Warunki wzbudzenia drgań w generatorach sprzężeniowych (praktyczne praykłady schematów). Podstawowe generatory LC (przykładowe praktyczne schematy), 3. Wiena (poglądowy schemat generatora) 4. Schemat zastępczy i rezonanse rezonatora kwarcowego, 5. Przerzutniki (monostabilny, bistabilny, astabilny) przykładowe schematy, 6. Schematy blokowe generatorów funkcyjnych, 47