Тема 9. Генератори на логічних елементах

1. Загальні відомості про електронні генератори

Електронний генератор – це обладнання, що перетворює електричну
енергію джерела постійного струму в енергію незатухаючих електричних
коливань заданої форми й частоти.
Генератори широко використовуються в електроніці: у радіоприймачах і
телевізорах, системах зв'язку, комп'ютерах, промислових системах керування й обладнаннях точного виміру часу.
Частота сигналу може змінюватися від декількох герців до багатьох
мільйонів герців. Вихідна напруга генератора може бути синусоїдальною,
прямокутною або пилкоподібною залежно від типу генератора (мал. 1).

Коли коливальний контур збуджується зовнішнім джерелом постійного
струму, у ньому виникають коливання. Ці коливання є загасаючими, оскільки

активний опір коливального контуру поглинає енергію струму. Для підтримки коливань у коливальному контурі поглинену енергію необхідно поповнити. Це здійснюється за допомогою позитивного зворотного зв'язку. Позитивний зворотний зв'язок - це подача в коливальний контур частини вихідного сигналу для підтримки коливань. Сигнал зворотного зв'язку повинен збігатися по фазі із сигналом у коливальному контурі.
На мал. 2 зображена блок-схема генератора.

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.

3. Генератори коливань спеціальної форми

3. Генератори коливань спеціальної форми
3.1. Блокінг-генератори
3.2. Мультивібратори

3.1. Блокінг-генератори

Генератори несинусоїдальних коливань застосовують для створення
періодичних електричних сигналів довільної форми (несинусоїдальних
імпульсів), спектр яких не може бути виражено одним доданком типу
cos(ω t +ϕ)  . Прикладами несинусоїдальних коливань можуть служити
коливання прямокутної, пилкоподібної або трикутної форми (або комбінації
цих форм). В основному в якості генераторів несинусоїдальних коливань
використовують релаксаційні генератори. Релаксаційний генератор запасає
енергію в реактивному компоненті за одну фазу циклу коливань і поступово
віддає її протягом релаксаційної фази циклу. Релаксаційними генераторами є
блокінг-генератори й мультивібратори. На мал. 1 зображена схема блокінг
генератора, названого так тому, що транзистор легко переводиться в режим
блокування (запирання).

Умова блокування визначається розрядом конденсатора C1, який заряджається через перехід емітер-база транзистора VT1. Однак коли
конденсатор C1 заряджений, у нього є тільки один шлях розряду - через
резистор R1. Постійна часу RC - ланцюжка з резистора R1 й конденсатора C1
визначає, як довго транзистор буде замкнений (блокований), а також частоту коливань (γ = 1/ R 1 C1 ). Такий блокінг-генератор видає імпульси прямокутної
форми (мал. 1, а).

3.2. Мультивібратори

Мультивібратор являє собою генератор несинусоїдальних коливань,
близьких за формою до прямокутних. Такі коливання можна розглядати як
суму великого числа простих гармонійних коливань. Звідси й назва
«мультивібратор», або буквально «генератор безлічі простих коливань».
Мультивібратори широко використовують в імпульсній техніці, в ЕОМ і
обладнаннях автоматики в якості пускових або перемикаючих пристроїв.
Розрізняють три режими роботи мультивібраторів: автоколивальний,
синхронізації, й що чекає.
Розглянемо симетричний мультивібратор, що працює в режимі
автоколивань (мал. 2).
При підключенні даної схеми до джерела живлення EK виникає режим
хиткої рівноваги, тому що, незважаючи на симетрію схеми, у будь-який момент може порушитися рівність колекторних струмів.

Якщо, наприклад, трохи збільшиться струм iK1, то це приведе до
зменшення потенціалу на колекторі Т1. А тому що напруга на конденсаторі C1
не може змінитися миттєво, те негативний стрибок напруги на колекторі Т1,
передається на ділянку база-емітер транзистора Т2. Це викличе зменшення
струму колектора iK 2 й, отже, підвищення потенціалу колектора Т2.
Підвищення потенціалу колектора Т2 через конденсатор C2 передається на базу
Т1, і струм iK1 ще більше збільшується і т.д. Даний процес наростає
лавиноподібно, тим більше, що кидки напруги на базах збільшуються за
рахунок підсилювальної дії транзисторів. У підсумку транзистор Т2 виявиться
замкненим, а потенціал його колектора практично рівним EK . Транзистор Т1
буде повністю відкритий і насичений, а потенціал на його колекторі - близьким
до нуля (див. мал. 3).
У вихідному стані (до перекидання схеми) конденсатори C1 й C2 були
заряджені з полярністю, показаної на схемі мал. 2, до напруги E i R K K K - .
Під час перекидання схеми напруга на конденсаторах не встигає
змінитися. Після перекидання схеми конденсатор C2 відносно швидко
заряджається до напруги EK по ланцюгу:+EK , RK 2 , C2 , перехід емітер-база
відкритого Т1, -EK . Конденсатор C1 після запирання Т2, перезаряджається по
ланцюгу: +EK , RБ 2 , C1, Т1, -EK . Фактично через резистор RБ 2 у перший
момент проходить струм під дією 2 EK і, отже, до ділянки база-емітер Т2, прикладена напруга -EK , що надійно замикає Т2. При повільнім
перезарядженні C1 струм зменшується, напруга на RБ 2 падає й, коли UC1 = 0,
напруга на ділянці база-емітер Т2 близька до нуля. Транзистор Т2
відкривається, потенціал його колектора починає падати, що приводить до
падіння потенціалу бази Т1 і збільшенню потенціалу його колектора, а отже, і потенціалу бази Т2. Таким чином, виникає новий лавиноподібний процес і
схема знову перекидається. При цьому Т2 відкритий і насичений, Т1
замкнений. Після перекидання конденсатор C1 швидко заряджається через RK1 до напруги EK , а C2 починає повільно перезаряджатися аналогічно
перезарядженню C1. Процесам, що відбуваються в схемі, відповідають графіки напруг, наведені на мал. 3.