Тема 9. Генератори на логічних елементах

2. Генератори синусоїдальних коливань

Генератори синусоїдальних коливань - це генератори, які генерують
напругу синусоїдальної форми. Вони класифікуються згідно їх компонентів, що задають частоту. Трьома основними типами генераторів синусоїдальних
коливань є LC - генератори, кварцові генератори й RC -генератори.
LC - генератори використовують коливальний контур з конденсатора й
котушки індуктивності, з'єднаних або паралельно, або послідовно, параметри
яких визначають частоту коливань. Кварцові генератори подібні LC -
генераторам, але забезпечують більш високу стабільність коливань.
LC - генератори й кварцові генератори використовуються в діапазоні
радіочастот. Вони не підходять для застосування на низьких частотах.

Автогенератори типу LC застосовують в основному на частотах вище 20 кГц,
тому що для більш низьких частот конструкція таких коливальних контурів
громіздка.
Основними типами LC - генераторів є генератор Хартлі й генератор
Колпитця. На мал. 3, а зображений генератор Хартлі. Величина зворотного
зв'язку в цій схемі залежить від положення відводу котушки L1. Вихідний
сигнал знімається з котушки зв'язку L2 . На мал. 3, б зображений генератор
Колпитця. Величина зворотного зв'язку в схемі Колпитця визначається
відношенням ємностей конденсаторів C1 і C2 . Генератор Колпитця більш
стабільний, ніж генератор Хартлі, і більш часто використовується.
На низьких частотах використовуються RC - генератори, у яких для
завдання частоти коливань використовується резистивно-ємнісний ланцюг.
Найпростішим RC - генератором синусоїдальних коливань є генератор з
фазозсувним ланцюгом.

Генератор з фазозсувним ланцюгом - це звичайний підсилювач із
фазозсувним RC - ланцюгом зворотного зв'язку (мал. 4).
Перехідні процеси в RC -ланцюгах. Замість коливального контуру в схемі
включений резистор RK , а позитивний зворотний зв'язок здійснюється через
фазообертальний ланцюг, що полягає із трьох ланок RC . Якщо вихід даної схеми з'єднати безпосередньо із входом, забезпечивши при цьому умови
самозбудження, то генеровані коливання не будуть синусоїдальними. Для того щоб схема виробляла саме синусоїдальні коливання, позитивний зворотний зв'язок повинен забезпечуватися тільки для однієї певної гармоніки несинусоїдальних коливань. Цю функцію й виконує фазообертальний ланцюг RC .
Параметри ланцюга повинні бути обрані так, щоб при збільшенні
колекторного струму й, отже, зменшенні потенціалу колектора потенціал бази (мал. 4) збільшувався. Іншими словами, напруги на колекторі й на базі повинні перебувати в протифазі.

Це означає зрушення по фазі між U RK і U R1 на 60°, між U R1 і U R2 також на
60° і т.д. У підсумку напруга на R3 , прикладена до ділянки база-емітер
транзистора, виявиться зрушеною стосовно U K на 180°. Частота
синусоїдальних коливань у схемі визначається параметрами ланцюга RC й за
умови C 1=C 2=C 3 = C     ; R1  =R2 =R 3=R     складе 
Для виконання умови балансу амплітуд коефіцієнт підсилення
підсилювача повинен бути більше ослаблення, внесеного фазообертальним
ланцюгом RC . Для схеми, наведеної на мал. 4, це ослаблення рівне 29.
Основна вимога, пропоноване до генератора, - це стабільність частоти й
амплітуди його коливань. Причинами нестабільної роботи генераторів є
залежності ємності й індуктивності від температури, старіння компонентів і
зміна вимог до навантаження. Коли потрібна висока стабільність,
використовуються кварцові генератори.

Кварц - це матеріал, який може перетворювати механічну енергію в
електричну, коли до нього прикладають тиск, і електричну енергію в механічну, коли до нього прикладають напругу. Коли до кристала кварцу прикладена змінна напруга, кристал починає розтягуватися й стискуватися, створюючи механічні коливання, частота яких відповідає частоті змінної напруги.
Кожний кристал кварцу має власну частоту коливань, обумовленою його
структурою й розмірами. Якщо частота прикладеної змінної напруги збігається із власною частотою, коливання кристала яскраво виражені. Якщо частота прикладеної змінної напруги відрізняється від власної частоти кварцу, кристал коливається слабко. Власна частота механічних коливань кристала кварцу практично не залежить від температури, що робить його ідеальним для використання в генераторах. У тих випадках, коли необхідно забезпечити дуже високу стабільність частоти коливань, застосовують термостатування генератора (кварцовий резонатор поміщають у термостат).
Для виготовлення кварцового резонатора на кристалічну пластинку
кварцу наносяться металеві електроди, до яких притискаються пружини для
забезпечення електричного контакту. Після цього кристал поміщається в
металевий корпус.
На мал. 5, а зображена схема кварцового генератора Хартлі з паралельним
зворотним зв'язком. Кварц включений послідовно в ланцюг зворотного зв'язку.
Якщо частота коливального контуру відхиляється від частоти кварцу,
імпеданс кварцу збільшується, зменшуючи величину зворотного зв'язку з
коливальним контуром.
Це дозволяє коливальному контуру повернутися на частоту кварцу.
На мал. 5, б зображений генератор Колпитця із кварцом, включеним так
само, як і в генераторі Хартлі.
Кварц управляє зворотним зв'язком з коливальним контуром.