Электронный генератор

Тип электронной схемы

Простой релаксационный генератор , созданный путем подачи выходного напряжения инвертирующего триггера Шмитта через RC-цепь на его вход.

Электронный генератор — это электронная схема , которая генерирует периодический, колеблющийся или переменный сигнал тока (AC), обычно синусоидальный , прямоугольный или треугольный , ^{[1] [2] [3]} , питаемый постоянным током (DC). источник. Генераторы встречаются во многих электронных устройствах, таких как радиоприемники , телевизоры , передатчики радио- и телевещания , компьютеры , компьютерная периферия , мобильные телефоны , радары и многие другие устройства. ^[1]

Генераторы часто характеризуются частотой их выходного сигнала:

• Генератор низкой частоты (LFO) — это генератор, генерирующий частоту ниже примерно 20 Гц. Этот термин обычно используется в области синтезаторов звука , чтобы отличить его от генератора звуковой частоты.
• Аудиогенератор производит частоты в звуковом диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. ^[2]
• Радиочастотный ( РЧ ) генератор генерирует сигналы выше звукового диапазона, обычно в диапазоне от 100 кГц до 100 ГГц. ^[2]

Кварцевый генератор

Существует два основных типа электронных генераторов: линейный или гармонический генератор и нелинейный или релаксационный генератор . ^{[2] [4]} Эти два типа принципиально различаются по способу создания колебаний, а также по характерному типу генерируемого выходного сигнала.

Наиболее распространенным линейным генератором является кварцевый генератор , в котором выходная частота контролируется пьезоэлектрическим резонатором , состоящим из вибрирующего кристалла кварца . Кварцевые генераторы повсеместно используются в современной электронике, являясь источником тактового сигнала в компьютерах и цифровых часах, а также источником сигналов, генерируемых в радиопередатчиках и приемниках. Поскольку «родная» форма выходного сигнала кварцевого генератора является синусоидальной , схема формирования сигнала может использоваться для преобразования выходного сигнала в другие типы сигналов, например прямоугольные волны , обычно используемые в схемах компьютерных часов.

Гармонические осцилляторы

Блок-схема линейного генератора с обратной связью; усилитель A _{, выходной сигнал} которого подается обратно на вход vf через фильтр β (jω) .

Линейные или гармонические генераторы генерируют синусоидальный (или почти синусоидальный) сигнал. Есть два типа:

Генератор обратной связи

Наиболее распространенной формой линейного генератора является электронный усилитель , такой как транзистор или операционный усилитель, подключенный к контуру обратной связи , выходной сигнал которого подается обратно на вход через частотно-селективный электронный фильтр для обеспечения положительной обратной связи . Когда питание усилителя включается первоначально, электронный шум в схеме обеспечивает ненулевой сигнал, вызывающий начало колебаний. ^{[5] : стр. 113–114} Шум распространяется по контуру, усиливается и фильтруется до тех пор, пока очень быстро не сходится в синусоидальной волне на одной частоте.

Схемы генераторов обратной связи можно классифицировать в зависимости от типа частотно-избирательного фильтра, который они используют в контуре обратной связи: ^{[2] [4]}

• В схеме RC-генератора фильтр представляет собой сеть резисторов и конденсаторов . ^{[2] [4]} RC-генераторы в основном используются для генерации более низких частот, например, в звуковом диапазоне. Распространенными типами схем RC-генератора являются генератор фазового сдвига и генератор моста Вина . Генераторы LR, использующие индукторные и резисторные фильтры, также существуют, однако они гораздо менее распространены из-за требуемого размера индуктора для достижения значения, подходящего для использования на более низких частотах.

Две распространенные схемы LC-генератора: генераторы Хартли и Колпитса.

• В схеме LC-генератора фильтр представляет собой настроенную цепь (часто называемую емкостной цепью ), состоящую из соединенных вместе катушки индуктивности (L) и конденсатора (C), который действует как резонатор . ^{[2] [4]} Заряд течет туда и обратно между пластинами конденсатора через катушку индуктивности, поэтому настроенная схема может хранить электрическую энергию, колеблющуюся на своей резонансной частоте . Усилитель добавляет мощность для компенсации резистивных потерь энергии в цепи и обеспечивает мощность выходного сигнала. LC-генераторы часто используются на радиочастотах ^[2] , когда необходим перестраиваемый источник частоты, например, в генераторах сигналов , настраиваемых радиопередатчиках и гетеродинах в радиоприемниках . Типичными схемами LC-генератора являются схемы Хартли , Колпитца ^[2] и Клаппа .
• В схеме кварцевого генератора фильтр представляет собой пьезоэлектрический кристалл (обычно кварц ). ^{[2] [4]} Кристалл механически вибрирует как резонатор , и частота его вибрации определяет частоту колебаний. Кристаллы имеют очень высокую добротность , а также лучшую температурную стабильность, чем настроенные схемы, поэтому кварцевые генераторы имеют гораздо лучшую стабильность частоты, чем LC- или RC-генераторы. Кварцевые генераторы — наиболее распространенный тип линейных генераторов, используемый для стабилизации частоты большинства радиопередатчиков , а также для генерации тактового сигнала в компьютерах и кварцевых часах . В кварцевых генераторах часто используются те же схемы, что и в LC-генераторах, при этом кварц заменяет настроенную схему ; ^[2] Также широко используется схема генератора Пирса . Кристаллы кварца обычно ограничены частотами 30 МГц или ниже. ^[2] Другие типы резонаторов, диэлектрические резонаторы и устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), используются для управления генераторами более высоких частот, вплоть до микроволнового диапазона. Например, генераторы на ПАВ используются для генерации радиосигнала в сотовых телефонах . ^[6]

Осциллятор отрицательного сопротивления

(слева) Типичная блок-схема генератора отрицательного сопротивления. В некоторых типах устройство отрицательного сопротивления подключается параллельно резонансному контуру. (справа) СВЧ-генератор с отрицательным сопротивлением, состоящий из диода Ганна в резонаторе . Отрицательное сопротивление диода возбуждает в резонаторе микроволновые колебания, которые излучаются через апертуру в волновод .

Помимо описанных выше генераторов обратной связи, в которых используются двухпортовые усиливающие активные элементы, такие как транзисторы и операционные усилители, линейные генераторы также могут быть построены с использованием однопортовых (двухполюсных) устройств с отрицательным сопротивлением , ^{[2] [4]} таких как как магнетронные трубки, туннельные диоды , диоды IMPATT и диоды Ганна . Генераторы с отрицательным сопротивлением обычно используются на высоких частотах СВЧ - диапазона и выше, поскольку на этих частотах генераторы с обратной связью работают плохо из-за чрезмерного фазового сдвига в цепи обратной связи.

В генераторах с отрицательным сопротивлением резонансный контур, такой как LC-цепь , кристалл или резонатор с полостью , подключается к устройству с отрицательным дифференциальным сопротивлением , а для подачи энергии подается напряжение смещения постоянного тока. Резонансный контур сам по себе является «почти» генератором; при возбуждении он может хранить энергию в виде электронных колебаний, но поскольку он имеет электрическое сопротивление и другие потери, колебания затухают и затухают до нуля. Отрицательное сопротивление активного устройства компенсирует (положительное) внутреннее сопротивление потерь в резонаторе, фактически создавая резонатор без демпфирования, который генерирует спонтанные непрерывные колебания на своей резонансной частоте .

Модель генератора с отрицательным сопротивлением не ограничивается однопортовыми устройствами, такими как диоды; Цепи генератора обратной связи с двухпортовыми усилительными устройствами, такими как транзисторы и лампы, также имеют отрицательное сопротивление. ^{[7] [8] [9]} На высоких частотах в генераторах с отрицательным сопротивлением также используются три оконечные устройства, такие как транзисторы и полевые транзисторы. На высоких частотах эти устройства не нуждаются в контуре обратной связи, но при определенных нагрузках, приложенных к одному порту, другой порт может стать нестабильным и показывать отрицательное сопротивление из-за внутренней обратной связи. Порт отрицательного сопротивления подключен к настроенному контуру или резонансному резонатору, заставляя их колебаться. ^{[7] [8] [10]} Высокочастотные генераторы обычно разрабатываются с использованием методов отрицательного сопротивления. ^{[7] [8] [9]}

Список схем гармонических генераторов

Некоторые из многих схем гармонических генераторов перечислены ниже:

• Осциллятор Армстронга , он же осциллятор Мейснера.
• Осциллятор Клаппа
• Осциллятор Колпитца
• Генератор с перекрестной связью
• Динатронный генератор
• Осциллятор Хартли
• Оптоэлектронный генератор
• Осциллятор Пирса
• Генератор фазового сдвига
• Осциллятор Робинсона
• Тритет генератор
• Осциллятор Вакаржа
• Генератор моста Вина

Релаксационный осциллятор

Популярный релаксационный генератор на операционном усилителе .

Нелинейный или релаксационный генератор выдает несинусоидальный выходной сигнал, например прямоугольную , пилообразную или треугольную волну . ^[4] Он состоит из энергоаккумулирующего элемента ( конденсатора или, реже, дросселя ) и нелинейного переключающего устройства ( защелки , триггера Шмитта или элемента отрицательного сопротивления), соединенных в петлю обратной связи . Переключающее устройство периодически заряжает и разряжает энергию, накопленную в накопительном элементе, вызывая тем самым резкие изменения формы выходного сигнала.

Релаксационные генераторы прямоугольной формы используются для обеспечения тактового сигнала для последовательных логических схем, таких как таймеры и счетчики , хотя кварцевые генераторы часто предпочитаются из-за их большей стабильности. Треугольные или пилообразные генераторы используются в схемах временной развертки, генерирующих сигналы горизонтального отклонения для электронно-лучевых трубок в аналоговых осциллографах и телевизорах . Они также используются в генераторах, управляемых напряжением (ГУН), инверторах и импульсных источниках питания , двухтактных аналого-цифровых преобразователях (АЦП), а также в функциональных генераторах для генерации прямоугольных и треугольных сигналов для испытательного оборудования. Как правило, релаксационные генераторы используются на более низких частотах и ​​имеют меньшую стабильность частоты, чем линейные генераторы.

Кольцевые генераторы состоят из кольца активных каскадов задержки. Обычно кольцо имеет нечетное количество инвертирующих каскадов, поэтому не существует единого стабильного состояния для внутренних напряжений кольца. Вместо этого один переход бесконечно распространяется по кольцу.

Некоторые из наиболее распространенных схем релаксационного генератора перечислены ниже:

• Мультивибратор
• Осциллятор Пирсона – Энсона
• Кольцевой генератор
• Генератор линии задержки
• Осциллятор Ройера

Генератор, управляемый напряжением (ГУН)

Генератор может быть сконструирован таким образом, чтобы частоту колебаний можно было изменять в некотором диапазоне с помощью входного напряжения или тока. Эти генераторы, управляемые напряжением, широко используются в системах фазовой автоподстройки частоты , в которых частота генератора может быть синхронизирована с частотой другого генератора. Они повсеместно распространены в современных схемах связи, используются в фильтрах , модуляторах , демодуляторах и составляют основу схем синтезаторов частот , которые используются для настройки радиоприемников и телевизоров.

Радиочастотные ГУН обычно создаются путем добавления варакторного диода в настроенную схему или резонатора в схеме генератора. Изменение постоянного напряжения на варакторе приводит к изменению его емкости , что приводит к изменению резонансной частоты настроенного контура. Релаксационные генераторы, управляемые напряжением, могут быть созданы путем зарядки и разрядки накопительного конденсатора с помощью источника тока , управляемого напряжением . Увеличение входного напряжения увеличивает скорость зарядки конденсатора, уменьшая время между событиями переключения.

Теория генераторов обратной связи

Схема генератора обратной связи состоит из двух частей, соединенных в петлю обратной связи ; усилитель и электронный фильтр . Целью фильтра является ограничение частот, которые могут проходить через контур, чтобы схема колебалась только на желаемой частоте. ^[11] Поскольку фильтр и провода в цепи имеют сопротивление , они потребляют энергию, и амплитуда сигнала падает при прохождении через фильтр. Усилитель нужен для увеличения амплитуды сигнала, чтобы компенсировать потери энергии в других частях схемы, чтобы контур начал колебаться, а также для подачи энергии на нагрузку, подключенную к выходу. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \beta (j\omega )}$

Частота колебаний – критерий Баркгаузена

Чтобы определить коэффициент усиления контура , контур обратной связи генератора (слева) считается разорванным в какой-то момент (справа) .

Чтобы определить частоту(ы) , на которой будет колебаться схема генератора обратной связи, петля обратной связи считается разорванной в какой-то момент (см. диаграммы), чтобы образовать входной и выходной порт. На вход подается синусоидальная волна , и вычисляется амплитуда и фаза синусоидальной волны после прохождения контура ^{[12] [13]} ${\displaystyle \omega _{0}\;=\;2\pi f_{0}}$ ${\displaystyle v_{i}(t)=V_{i}e^{j\omega t}}$ ${\displaystyle v_{o}=V_{o}e^{j(\omega t+\phi )}}$

${\displaystyle v_{o}=Av_{f}\,}$      и           так      ${\displaystyle v_{f}=\beta (j\omega )v_{i}\,}$ ${\displaystyle v_{o}=A\beta (j\omega )v_{i}\,}$

Поскольку в полной цепи подключен к , для существования колебаний ${\displaystyle v_{o}}$ ${\displaystyle v_{i}}$

${\displaystyle v_{o}(t)=v_{i}(t)}$

Отношение выхода к входу контура называется коэффициентом усиления контура . Таким образом, условием генерации является то, что коэффициент усиления контура должен быть равен единице ^{[14] : стр. 3–5  [13] [15] [16]} ${\displaystyle {v_{o} \over v_{i}}=A\beta (j\omega )}$

${\displaystyle A\beta (j\omega _{0})=1\,}$

Поскольку это комплексное число , состоящее из двух частей, величины и угла, приведенное выше уравнение фактически состоит из двух условий: ^{[17] [16] [13]} ${\displaystyle A\beta (j\omega )}$

• Величина усиления ( усиления ) вокруг контура при ω ₀ должна быть равна единице.

${\displaystyle |A||\beta (j\omega _{0})|=1\,\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad {\text{(1)}}}$

так что после обхода петли синусоидальная волна будет иметь ту же амплитуду . Интуитивно можно увидеть, что если бы усиление контура было больше единицы, амплитуда синусоидального сигнала увеличивалась бы по мере его прохождения по контуру, что приводило бы к образованию синусоидальной волны, которая растет экспоненциально со временем без каких-либо ограничений. ^[11] Если бы коэффициент усиления контура был меньше единицы, сигнал уменьшался бы в контуре, что приводило бы к экспоненциально затухающей синусоидальной волне, которая уменьшалась бы до нуля.

• Синусоидальная волна в конце цикла должна находиться в фазе с волной в начале цикла. ^[13] Поскольку синусоидальная волна является периодической и повторяется каждые 2π радиан, это означает, что фазовый сдвиг вокруг контура на частоте колебаний ω ₀ должен быть равен нулю или кратен 2π радианам (360°).

${\displaystyle \angle A+\angle \beta =2\pi n\qquad n\in 0,1,2...\,\qquad \qquad {\text{(2)}}}$

Уравнения (1) и (2) называются критерием устойчивости Баркгаузена . ^{[16] [14] : стр.3–5} Это необходимый, но не достаточный критерий колебаний, поэтому существуют схемы, удовлетворяющие этим уравнениям, которые не будут колебаться. Эквивалентное условие, часто используемое вместо условия Баркгаузена, заключается в том, что передаточная функция замкнутого контура схемы (комплексное сопротивление схемы на ее выходе) имеет пару полюсов на мнимой оси .

В общем, фазовый сдвиг цепи обратной связи увеличивается с увеличением частоты, поэтому существует только несколько дискретных частот (часто только одна), которые удовлетворяют второму уравнению. ^{[16] [11]} Если коэффициент усиления усилителя достаточно высок, чтобы коэффициент усиления контура был равен единице (или больше, см. раздел «Ввод в эксплуатацию») на одной из этих частот, схема будет колебаться на этой частоте. Многие усилители, такие как транзисторные схемы с общим эмиттером, являются «инвертирующими», что означает, что их выходное напряжение уменьшается при увеличении входного напряжения. ^{[17] [13]} В них усилитель обеспечивает сдвиг фазы на 180° , поэтому схема будет колебаться на частоте, на которой цепь обратной связи обеспечивает другой сдвиг фазы на 180°. ^{[14] : стр.3–5  [13]} ${\displaystyle A}$

На частотах значительно ниже полюсов усилительного устройства усилитель будет действовать как чистый коэффициент усиления , но если частота колебаний близка к частоте среза усилителя , в пределах , активное устройство больше не может считаться «чистым усилением», и оно внесет некоторый сдвиг фазы в контур. ^{[14] : стр.3–5  [18]} ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle \omega _{C}}$ ${\displaystyle 0.1\omega _{C}}$

Альтернативный тест математической устойчивости, иногда используемый вместо критерия Баркгаузена, — это критерий устойчивости Найквиста . ^{[14] : стр.6–7} . Он имеет более широкое применение, чем метод Баркгаузена, поэтому может идентифицировать некоторые схемы, которые соответствуют критерию Баркгаузена, но не колеблются.

Стабильность частоты

Изменения температуры, старение и производственные допуски приводят к тому, что значения компонентов «отклоняются» от расчетных значений. ^{[19] [20]} Изменения в компонентах , определяющих частоту , таких как емкостной контур в LC-генераторах, приведут к изменению частоты колебаний, поэтому для постоянной частоты эти компоненты должны иметь стабильные значения. Насколько стабильна частота генератора по отношению к другим изменениям в схеме, например, изменениям значений других компонентов, коэффициента усиления усилителя, импеданса нагрузки или напряжения питания, в основном зависит от добротности ( «добротности») фильтр обратной связи. ^[19] Поскольку амплитуда выходного сигнала постоянна из-за нелинейности усилителя (см. раздел «Запуск» ниже), изменения значений компонентов вызывают изменения фазового сдвига контура обратной связи. Поскольку колебания могут возникать только на частотах, где фазовый сдвиг кратен 360°, сдвиги в значениях компонентов приводят к изменению частоты колебаний , возвращая фазу контура обратно к 360n°. Величина изменения частоты, вызванная данным изменением фазы, зависит от наклона фазовой кривой контура при , который определяется ^{[19] [20] [21] [22]} ${\displaystyle \phi \;=\;\angle A\beta (j\omega )}$ ${\displaystyle \phi \;=\;360n^{\circ }}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle \Delta \omega }$ ${\displaystyle \Delta \phi }$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle Q}$

${\displaystyle {d\phi \over d\omega }{\Bigg |}_{\omega _{0}}=-{2Q \over \omega _{0}}\,}$      так      ${\displaystyle \Delta \omega =-{\omega _{0} \over 2Q}\Delta \phi \,}$

RC-генераторы имеют эквивалент очень низкого напряжения , поэтому фаза меняется очень медленно с частотой, поэтому данное изменение фазы вызовет большое изменение частоты. Напротив, LC-генераторы имеют баковые контуры с высоким (~10 ² ). Это означает, что фазовый сдвиг цепи обратной связи быстро увеличивается с частотой, близкой к резонансной частоте контура резервуара. ^[19] Таким образом, большое изменение фазы вызывает лишь небольшое изменение частоты. Поэтому частота колебаний схемы очень близка к собственной резонансной частоте настроенного контура и мало зависит от других компонентов схемы. Кварцевые резонаторы, используемые в кварцевых генераторах, имеют еще более высокие значения (от 10 ⁴ до 10 ⁶ ) ^[22] , а их частота очень стабильна и не зависит от других компонентов схемы. ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$

Настраиваемость

Частоту RC- и LC-генераторов можно настраивать в широком диапазоне, используя переменные компоненты фильтра. СВЧ-резонатор можно настраивать механически, перемещая одну из стенок. Напротив, кристалл кварца представляет собой механический резонатор , резонансная частота которого в основном определяется его размерами, поэтому частота кварцевого генератора регулируется только в очень узком диапазоне, в крошечной доле одного процента. ^{[5] : стр.39–40  [23] [24] [25] [26] [27] [28]} Частоту можно слегка изменить, используя подстроечный конденсатор, включенный последовательно или параллельно с кварцевым резонатором. ^{[5] : стр.39–40.}

Запуск и амплитуда колебаний

Критерий Баркгаузена , приведенный выше, уравнения. (1) и (2) просто дают частоты, на которых возможны установившиеся колебания, но ничего не говорят об амплитуде колебаний, стабильна ли амплитуда или начнет ли схема колебаться при включении питания. . ^{[29] [14] : стр.5  [30]} Для практического генератора необходимы два дополнительных требования:

• Чтобы в схеме начались колебания от нуля, схема должна иметь «избыточный коэффициент усиления»; коэффициент усиления контура для слабых сигналов должен быть больше единицы на его частоте колебаний ^{[16] [11] [17] [14] : стр. 3–5  [30]}

${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|>1\,}$

• Для стабильной работы контур обратной связи должен включать нелинейную составляющую, которая снижает коэффициент усиления до единицы, когда амплитуда увеличивается до рабочего значения. ^{[16] [11]}

Типичное эмпирическое правило состоит в том, чтобы обеспечить усиление контура малого сигнала на частоте колебаний 2 или 3. ^{[31] [17]} При включении питания генерация начинается из-за переходного процесса при включении питания или случайного электронного шума , присутствующего в схема. ^{[14] : стр.5  [5] : стр.113–114} Шум гарантирует, что схема не будет оставаться «сбалансированной» точно в своей нестабильной точке равновесия постоянного тока ( точка Q ) бесконечно. Из-за узкой полосы пропускания фильтра отклик схемы на шумовой импульс будет синусоидальным, он будет возбуждать в контуре небольшую синусоидальную волну напряжения. Поскольку для небольших сигналов коэффициент усиления контура больше единицы, амплитуда синусоидальной волны увеличивается экспоненциально. ^{[16] [11]}

Во время запуска, пока амплитуда колебаний мала, схема примерно линейна , поэтому применим анализ, использованный в критерии Баркгаузена. Когда амплитуда становится достаточно большой, и усилитель становится нелинейным , технически анализ частотной области , используемый в обычных схемах усилителя, больше не применим, поэтому «усиление» схемы не определено. Однако фильтр ослабляет гармонические составляющие, возникающие из-за нелинейности усилителя, поэтому основная составляющая частоты в основном определяет усиление контура ^[32] (это метод анализа « гармонического баланса » для нелинейных цепей). ${\displaystyle \sin \omega _{0}t}$

Синусоидальная волна не может расти бесконечно; во всех реальных генераторах какой-то нелинейный процесс в схеме ограничивает его амплитуду, ^{[16] [33] [5] : стр. 120} , уменьшая усиление по мере увеличения амплитуды, что приводит к стабильной работе при некоторой постоянной амплитуде. ^[16] В большинстве генераторов эта нелинейность представляет собой просто насыщение (ограничение) усилительного устройства, транзистора , электронной лампы или операционного усилителя . ^{[31] [34] [35] [14] : стр.5} Максимальный размах напряжения на выходе усилителя ограничен напряжением постоянного тока, обеспечиваемым его источником питания. Другая возможность заключается в том, что выходная мощность может быть ограничена скоростью нарастания напряжения усилителя .

Когда амплитуда выходного сигнала приближается к шинам напряжения питания , усилитель начинает насыщать пики (верхний и нижний) синусоидального сигнала, сглаживая или « обрезая » пики. ^[18] Поскольку выходная мощность усилителя больше не может увеличиваться с увеличением входного сигнала, дальнейшее увеличение амплитуды приводит к уменьшению эквивалентного усиления усилителя и, следовательно, коэффициента усиления контура. ^[30] Амплитуда синусоидальной волны и возникающее в результате ограничение продолжают расти до тех пор, пока коэффициент усиления контура не уменьшится до единицы, , удовлетворяя критерию Баркгаузена, после чего амплитуда выравнивается и достигается установившийся режим работы, ^[16] на выходе получается слегка искаженная синусоидальная волна с пиковой амплитудой, определяемой напряжением питания. Это устойчивое равновесие; если амплитуда синусоидальной волны по какой-либо причине увеличивается, увеличение ограничения выходного сигнала приводит к тому, что коэффициент усиления контура временно падает ниже единицы, уменьшая амплитуду синусоидальной волны обратно до значения единичного усиления. Аналогичным образом, если амплитуда волны уменьшается, уменьшение ограничения приведет к увеличению коэффициента усиления контура выше единицы, увеличивая амплитуду. ${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|\;=\;1\,}$ ${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|}$

Величина гармонических искажений на выходе зависит от того, какое избыточное усиление контура имеет схема: ^{[30] [31] [18] [11]}

• Если усиление контура малого сигнала сделать близким к единице, лишь немного больше, форма выходного сигнала будет иметь минимальные искажения, а частота будет наиболее стабильной и независимой от напряжения питания и сопротивления нагрузки. Однако генератор может запускаться медленно, и небольшое уменьшение усиления из-за изменения значений компонентов может помешать его генерации.
• Если коэффициент усиления контура малого сигнала значительно больше единицы, генератор запускается быстрее, но происходит более серьезное ограничение синусоидальной волны, и, таким образом, увеличивается результирующее искажение формы выходного сигнала. Частота колебаний становится более зависимой от напряжения питания и тока, потребляемого нагрузкой. ^[18]

Исключением из вышесказанного являются схемы генераторов с высокой добротностью , такие как кварцевые генераторы ; узкая полоса пропускания кристалла удаляет гармоники с выходного сигнала, создавая «чистую» синусоидальную волну практически без искажений даже при больших коэффициентах усиления контура.

Процедура проектирования

Поскольку работа генераторов зависит от нелинейности, обычные методы анализа цепей в линейной частотной области , используемые для усилителей на основе преобразования Лапласа , такие как корневой годограф и графики усиления и фазы ( графики Боде ), не могут полностью отразить их поведение. ^[29] Для определения запуска и переходных процессов, а также для расчета подробной формы выходного сигнала используются компьютерные программы моделирования электронных схем , такие как SPICE . ^[29] Типичная процедура проектирования генераторных схем заключается в использовании линейных методов, таких как критерий устойчивости Баркгаузена или критерий устойчивости Найквиста , для проектирования схемы, а затем моделирования схемы на компьютере, чтобы убедиться, что она надежно запускается, и определить нелинейные аспекты такие операции, как гармонические искажения. ^{[11] [29] [31]} Значения компонентов изменяются до тех пор, пока результаты моделирования не станут удовлетворительными. Искаженные колебания реальных (нелинейных) генераторов называются предельными циклами и изучаются в теории нелинейного управления .

Генераторы со стабилизацией амплитуды

В приложениях, где требуется «чистая» синусоидальная волна с очень низкими искажениями , например, в прецизионных генераторах сигналов , в контуре обратной связи часто используется нелинейная составляющая, которая обеспечивает «медленное» снижение усиления с увеличением амплитуды. Это стабилизирует усиление контура при амплитуде ниже уровня насыщения усилителя, поэтому синусоидальная волна не насыщается и не «обрезается». В качестве нелинейного элемента часто используются резисторно-диодные сети и полевые транзисторы . В более старой конструкции используется термистор или обычная лампа накаливания ; оба обеспечивают сопротивление, которое увеличивается с температурой по мере увеличения тока через них.

Поскольку амплитуда тока сигнала, проходящего через них, увеличивается во время запуска генератора, увеличение сопротивления этих устройств снижает коэффициент усиления контура. Существенной характеристикой всех этих схем является то, что нелинейная схема регулировки усиления должна иметь большую постоянную времени , намного большую, чем один период колебаний. Поэтому в течение одного цикла они действуют как практически линейные элементы и поэтому вносят очень мало искажений. Работа этих схем в чем-то аналогична схеме автоматической регулировки усиления (АРУ) в радиоприемнике. Генератор моста Вейна — это широко используемая схема, в которой используется этот тип стабилизации усиления.

Ограничения по частоте

На высоких частотах становится сложно физически реализовать генераторы обратной связи из-за недостатков компонентов. Поскольку на высоких частотах емкостная цепь имеет очень малую емкость и индуктивность, паразитная емкость и паразитная индуктивность выводов компонентов и дорожек печатной платы становятся значительными. Они могут создавать нежелательные пути обратной связи между выходом и входом активного устройства, создавая нестабильность и колебания на нежелательных частотах ( паразитные колебания ). Паразитные пути обратной связи внутри самого активного устройства, такие как межэлектродная емкость между выходом и входом, делают устройство нестабильным. Входное сопротивление активного устройства падает с частотой, поэтому оно может нагружать цепь обратной связи. В результате сложно создать генераторы со стабильной обратной связью для частот выше 500 МГц, а для частот выше этой обычно используются генераторы с отрицательным сопротивлением.

История

Первые практические генераторы были основаны на электрических дугах , которые использовались для освещения в 19 веке. Ток через дуговую лампу нестабилен из-за своего отрицательного сопротивления и часто распадается на самопроизвольные колебания, заставляя дугу издавать шипящие, гудящие или воющие звуки ^{[36] : стр.161–165} , что было замечено Хамфри Дэви в 1821 году. , Бенджамин Силлиман в 1822 году, ^[37] Огюст Артюр де ла Рив в 1846 году, ^[38] и Дэвид Эдвард Хьюз в 1878 году . ^[39] Эрнст Лечер в 1888 году показал, что ток через электрическую дугу может быть колебательным. ^{[40] [41] [42]}

Генератор был построен Элиху Томсоном в 1892 году ^{[43] [44]} путем размещения LC-настраиваемой цепи параллельно электрической дуге и включения магнитного продувки. Независимо, в том же году Джордж Фрэнсис Фитцджеральд понял, что если демпфирующее сопротивление в резонансном контуре можно сделать нулевым или отрицательным, контур будет производить колебания, и безуспешно попытался построить генератор с отрицательным сопротивлением на динамо-машине, что бы теперь будет называться параметрическим осциллятором . ^{[45] [36] : стр. 161–165} Дуговой генератор был заново открыт и популяризирован Уильямом Дадделлом в 1900 году. ^{[46] [47]} Дадделл, студент Лондонского технического колледжа, исследовал эффект шипящей дуги. Он присоединил LC-цепь (настроенную цепь) к электродам дуговой лампы, и отрицательное сопротивление дуги возбуждало колебания в настроенной цепи. ^{[36] : стр.161–165} Некоторая часть энергии излучалась дугой в виде звуковых волн, создавая музыкальный тон. Дадделл продемонстрировал свой генератор перед Лондонским институтом инженеров-электриков , последовательно соединяя различные настроенные цепи поперек дуги, чтобы воспроизвести национальный гимн « Боже, храни королеву ». ^{[36] : стр. 161–165} «Поющая дуга» Дадделла не генерировала частоты выше звукового диапазона. В 1902 году датские физики Вальдемар Поульсен и П.О. Педерсон смогли увеличить частоту, вырабатываемую в радиодиапазоне, управляя дугой в водородной атмосфере с магнитным полем, изобретя дуговой радиопередатчик Поульсена , первый радиопередатчик непрерывного излучения, который был использован на протяжении 1920-х годов. ^{[48] ​​[49] [50]}

Генератор с частотой 120 МГц 1938 года, использующий резонатор линии передачи с параллельными стержнями ( линия Лехера ). Линии передачи широко используются для генераторов УВЧ.

Генератор с обратной связью на электронной лампе был изобретен примерно в 1912 году, когда было обнаружено, что обратная связь («регенерация») в недавно изобретенной электронной лампе аудиона (триода) может производить колебания. По крайней мере шесть исследователей независимо друг от друга сделали это открытие, хотя нельзя сказать, что все из них сыграли роль в изобретении генератора. ^{[51] [52]} Летом 1912 года Эдвин Армстронг наблюдал колебания в цепях аудионного радиоприемника ^[53] и продолжил использовать положительную обратную связь в своем изобретении регенеративного приемника . ^{[54] [55]} Австриец Александр Мейснер независимо обнаружил положительную обратную связь и изобрел генераторы в марте 1913 года. ^{[53] [56]} Ирвинг Ленгмюр из General Electric наблюдал обратную связь в 1913 году. ^[56] Фриц Ловенштейн, возможно, опередил других, создав грубый генератор в конце 1911 года. ^[57] В Великобритании Х.Дж. Раунд запатентовал усилительные и колебательные схемы в 1913 году. ^[53] В августе 1912 года Ли Де Форест , изобретатель аудиона, также наблюдал колебания в своих усилителях, но он этого не сделал. понять значение и пытался устранить его ^{[58] [59],} пока не прочитал патенты Армстронга в 1914 году, ^[60] которые он сразу же оспорил. ^[61] Армстронг и Де Форест вели длительную судебную тяжбу за права на «регенеративную» схему генератора ^{[61] [62]} , которую назвали «самым сложным патентным судебным разбирательством в истории радио». ^[63] Де Форест в конечном итоге выиграл дело в Верховном суде в 1934 году по техническим причинам, но большинство источников считают иск Армстронга более сильным. ^{[59] [61]}

Первая и наиболее широко используемая схема релаксационного генератора, нестабильный мультивибратор , была изобретена в 1917 году французскими инженерами Анри Абрахамом и Эженом Блохом. ^{[64] [65] [66]} Они назвали свою схему с двумя вакуумными лампами с перекрестной связью мультивибратором , потому что производимый ею прямоугольный сигнал был богат гармониками , [ ^{65] [66]} по сравнению с синусоидальным сигналом другие ламповые генераторы.

К 1920 году генераторы с обратной связью на электронных лампах стали основой радиопередачи. Однако триодный генератор на электронных лампах плохо работал на частотах выше 300 МГц из-за межэлектродной емкости. ^{[ нужна цитата ]} Чтобы достичь более высоких частот, были разработаны новые вакуумные лампы с «временем прохождения» (модуляцией скорости), в которых электроны перемещались «группами» через трубку. Первым из них был генератор Баркгаузена-Курца (1920 г.), первая лампа, вырабатывающая мощность в диапазоне УВЧ . Наиболее важными и широко применявшимися были клистрон (Р. и С. Вариан, 1937) и резонаторный магнетрон (Дж. Рэндалл и Х. Бут, 1940).

Математические условия для колебаний с обратной связью, теперь называемые критерием Баркхаузена , были выведены Генрихом Георгом Баркхаузеном в 1921 году. Первый анализ модели нелинейного электронного генератора, генератора Ван дер Поля , был выполнен Бальтазаром ван дер Полем в 1927 году. ^[67] Он показал, что устойчивость колебаний ( предельных циклов ) в реальных генераторах обусловлена ​​нелинейностью усилительного устройства. Он ввел термин «релаксационные колебания» и первым провел различие между линейными и релаксационными осцилляторами. Дальнейшие успехи в математическом анализе колебаний были достигнуты Хендриком Уэйдом Боде и Гарри Найквистом ^[68] в 1930-х годах. В 1969 году Канюки Курокава вывел необходимые и достаточные условия возникновения колебаний в цепях с отрицательным сопротивлением ^[69] , которые составляют основу конструкции современных СВЧ-генераторов. ^[10]

Смотрите также

• Генератор блокировки впрыска
• Генератор с числовым управлением
• Генератор расширенного взаимодействия
• Частотно-регулируемый привод
• Тонкопленочный объемный акустический резонатор

Рекомендации

1. Снелгроув, Мартин (2011). «Осциллятор». Энциклопедия науки и технологий McGraw-Hill, 10-е изд., Онлайн-сервис Science Access . МакГроу-Хилл. Архивировано из оригинала 19 июля 2013 года . Проверено 1 марта 2012 г.
2. Чаттопадхай, Д. (2006). Электроника (основы и приложения). Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 224–225. ISBN 978-81-224-1780-7.
3. Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (2015). Искусство электроники . США. п. 425. ИСБН 978-0-521-80926-9.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
4. Гарг, Ракеш Кумар; Ашиш Диксит; Паван Ядав (2008). Базовая электроника. Брандмауэр Медиа. п. 280. ИСБН 978-8131803028.
5. Gottlieb, Ирвинг М. (1997). Практическое руководство по генераторам. Эльзевир. ISBN 0080539386.
6. APITech. «ПАВ Технологии». info.apitech.com . Проверено 12 мая 2021 г.
7. Кунг, Фабиан Вай Ли (2009). «Урок 9: Проектирование генератора» (PDF) . Проектирование радиочастотных/микроволновых схем . Сайт профессора Кунга, Мультимедийный университет. Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2015 года . Проверено 17 октября 2012 г., сек. 3 Осцилляторы отрицательного сопротивления, стр. 9–10, 14.
8. Райсанен, Антти В.; Арто Лехто (2003). Радиотехника для беспроводной связи и сенсорных приложений. США: Артех Хаус. стр. 180–182. ISBN 978-1580535427.
9. Эллингер, Фрэнк (2008). Радиочастотные интегральные схемы и технологии, 2-е изд. США: Спрингер. стр. 391–394. ISBN 978-3540693246.
10. Маас, Стивен А. (2003). Нелинейные СВЧ и ВЧ цепи, 2-е изд. Артех Хаус. стр. 542–544. ISBN 978-1580534840.
11. Шуберт, Томас Ф. младший; Ким, Эрнест М. (2016). Основы электроники. Книга 4: Генераторы и темы современной электроники. Морган и Клейпул. стр. 926–928. ISBN 978-1627055697.
12. Собот, Роберт (2012). Электроника беспроводной связи: введение в радиочастотные схемы и методы проектирования. Springer Science and Business Media. стр. 221–222. ISBN 978-1461411161.
13. Карр, Джо (2002). Радиочастотные компоненты и схемы. Ньюнес. стр. 125–126. ISBN 0080498078.
14. Гонсалес, Гильермо (2006). Основы проектирования схем генераторов (PDF) . Артех Хаус. ISBN 9781596931633.
15. Маас, Стивен А. (2003). Нелинейные СВЧ и ВЧ схемы. Артех Хаус. стр. 537–540. ISBN 1580536115.
16. Лесурф, Джим (2006). «Осцилляторы обратной связи». Шотландское руководство по электронике . Школа физики и астрономии, Univ. Сент-Эндрюс, Шотландия . Проверено 28 сентября 2015 г.
17. Разави, Бехзад (2001). Проектирование аналоговых интегральных схем КМОП. Компании МакГроу-Хилл. стр. 482–484. ISBN 7302108862.
18. Картер, Брюс; Манчини, Рон (2009). Операционные усилители для всех, 3-е изд. Эльзевир. стр. 345–347. ISBN 9781856175050.
19. Стефан, Карл (2015). Аналоговая и смешанно-сигнальная электроника. Джон Уайли и сыновья. стр. 192–193. ISBN 978-1119051800.
20. Видкьяер, Йенс. «Глава 6: Осцилляторы» (PDF) . Примечания к классу: 31415 Схемы радиочастотной связи . Технический унив. Дании . Проверено 8 октября 2015 г.п. 8-9
21. Хейсинг, Йохан; ван де Пласше, Руди Дж.; Сансен, Вилли (2013). Проектирование аналоговых схем. Springer Научные и деловые СМИ. п. 77. ИСБН 978-1475724622.
22. Казимерчук, Мариан К. (2014). Усилители мощности ВЧ, 2-е изд. Джон Уайли и сыновья. стр. 586–587. ISBN 978-1118844335.
23. Фрелих, Фриц Э.; Кент, Аллен (1991). Энциклопедия телекоммуникаций Фрелиха/Кента, том 3. CRC Press. п. 448. ИСБН 0824729021.
24. Мисра, Девендра (2004). Схемы радиочастотной и микроволновой связи: анализ и проектирование. Джон Уайли. п. 494. ИСБН 0471478733.
25. Терман, Фредерик Э. (1943). Справочник радиоинженера (PDF) . МакГроу-Хилл. п. 497.
26. «Замечания по применению генератора» (PDF) . Поддерживать . Frequency Management International, Калифорния . Проверено 1 октября 2015 г.
27. Скрогги, МГ; Амос, Юго-Запад (2013). Основы беспроводной связи и электроники. Эльзевир. стр. 241–242. ISBN 978-1483105574.
28. Виг, Джон Р. и Баллато, Артур «Устройства контроля частоты» в Терстоне, штат РН; Пирс, Аллан Д.; Пападакис, Эммануэль П. (1998). Справочник по современным приборам, методам и технологиям: Ультразвуковые инструменты и устройства II. Эльзевир. п. 227. ИСБН 0080538916.
29. Стефан, Карл (2015). Аналоговая и смешанно-сигнальная электроника. Джон Уайли и сыновья. стр. 187–188. ISBN 978-1119051800.
30. «Синусоидальные генераторы» (DOC) . Конспекты курса: ECE3434 Усовершенствованные электронные схемы . Кафедра электротехники и вычислительной техники Университета штата Миссисипи. Лето 2015 года . Проверено 28 сентября 2015 г., п. 4-7
31. Рея, Рэндалл В. (2014). Проектирование дискретного генератора: линейная, нелинейная, переходная и шумовая области. Артех Хаус. стр. 11–12. ISBN 978-1608070480.
32. Тумазу, Крис; Мошиц, Джордж С.; Гилберт, Барри (2004). Компромиссы при проектировании аналоговых схем: помощник дизайнера, часть 1 . Springer Science and Business Media. стр. 565–566. ISBN 9781402080463.
33. Роберж, Джеймс К. (1975). Операционные усилители: теория и практика (PDF) . Джон Уайли и сыновья. стр. 487–488. ISBN 0471725854.
34. ван дер Танг, Дж.; Касперковиц, Дитер; ван Рермунд, Артур (2006). Проектирование высокочастотного генератора для интегрированных трансиверов. Springer Science and Business Media. п. 51. ИСБН 0306487160.
35. Разави, Бехзад (2001) Проектирование аналоговых интегральных схем КМОП, стр. 487-489
36. Хонг, Сунгук (2001). Беспроводная связь: от черного ящика Маркони к Audion. МТИ Пресс. ISBN 978-0262082983.
37. Силлиман, Бенджамин (1859). Первые принципы физики: или естественная философия, предназначенная для использования в школах и колледжах. Х. К. Пек и Т. Блисс. п. 629. Дэви Силлиман Шипит.
38. «Беспроводная телефония в теории и практике». Нью-Йорк Ван Ностранд. 1908.
39. Касперсон, LW (1991). «Жужжащий телефон как акустический мазер». Оптическая и квантовая электроника . 23 (8): 995–1010. дои : 10.1007/BF00611436. S2CID  119956732.
40. Андерс, Андре (2009). Катодные дуги: от фрактальных пятен к энергетической конденсации. Springer Science and Business Media. стр. 31–32. ISBN 978-0387791081.
41. Кэди, WG; Арнольд, HD (1907). «Об электрической дуге между металлическими электродами». Американский научный журнал . 24 (143): 406 . Проверено 12 апреля 2017 г.
42. «Заметки». Электрический обзор . 62 (1578): 812. 21 февраля 1908 г. Проверено 12 апреля 2017 г.
43. Морс 1925, с. 23
44. US 500630, Томсон, Элиху, «Метод и средства получения переменного тока», опубликовано 18 июля 1892 г., выпущено 4 июля 1893 г. 
45. Г. Фицджеральд, О движении электромагнитных вибраций с помощью электромагнитных и электростатических двигателей , прочитано на собрании Лондонского физического общества 22 января 1892 года в Ларморе, Джозеф, изд. (1902). Научные сочинения покойного Джорджа Фрэнсиса Фицджеральда. Лондон: Longmans, Green and Co., стр. 277–281.
46. Морс 1925, стр. 80–81.
47. GB 190021629, Дадделл, Уильям дю Буа , «Усовершенствования и связанные со средствами преобразования электрической энергии, полученной от источника постоянного тока, в переменные или переменные токи», опубликовано 29 ноября 1900 г., выдано 23 ноября 1901 г. 
48. Морс 1925, с. 31
49. GB 190315599, Поульсен, Вальдемар , «Усовершенствования, связанные с производством переменного электрического тока», выпущено 14 июля 1904 г. 
50. US 789449, Поульсен, Вальдемар , «Метод получения переменных токов с большим количеством вибраций», выпущен 9 мая 1905 г. 
51. Хемпстед, Колин; Уильям Э. Уортингтон (2005). Энциклопедия технологий ХХ века. Том. 2. Тейлор и Фрэнсис. п. 648. ИСБН 978-1579584641.
52. Хонг 2001, с. 156
53. Флеминг, Джон Амброуз (1919). Термоэмиссионный клапан и его разработки в радиотелеграфии и телефонии. Лондон: Беспроводная пресса. стр. 148–155.
54. Хон, Сунгук (2003). «История схемы регенерации: от изобретения до патентного разбирательства» (PDF) . ИИЭЭ . Проверено 29 августа 2012 г., стр. 9–10.
55. Армстронг, Эдвин Х. (сентябрь 1915 г.). «Некоторые последние разработки в области ресивера Audion» (PDF) . Учеб. ИРЭ . 3 (9): 215–247. дои : 10.1109/jrproc.1915.216677. S2CID  2116636 . Проверено 29 августа 2012 г.
56. Хонг 2003, с. 13
57. Хонг 2003, с. 5
58. Хонг 2003, стр. 6–7.
59. Хиджия, Джеймс А. (1992). Ли Де Форест и отцовство радио. Издательство Университета Лихай. стр. 89–90. ISBN 978-0934223232.
60. Хонг 2003, с. 14
61. Нахин, Пол Дж. (2001). Наука о радио: с демонстрацией Matlab и Electronics Workbench, 2-е изд. Спрингер. п. 280. ИСБН 978-0387951508.
62. Хонг 2001, стр. 181–189.
63. Хонг 2003, с. 2
64. Авраам, Х.; Э. Блох (1919). «Измерение периода высокочастотных колебаний». Комптес Рендус . 168 :1105.
65. Глейзбрук, Ричард (1922). Словарь прикладной физики, Vol. 2: Электричество. Лондон: Macmillan and Co. Ltd., стр. 633–634.
66. Калверт, Джеймс Б. (2002). «Схема Экклса-Джордана и мультивибраторы». Веб-сайт доктора Дж. Б. Калверта, Univ. Денвера . Проверено 15 мая 2013 г.
67. Ван дер Пол, Бальтазар (1927). «О релаксациях-колебаниях». Философский журнал Лондона, Эдинбурга и Дублина . 2 (7): 978–992. дои : 10.1080/14786442608564127.
68. Найквист, Х. (январь 1932 г.). «Теория регенерации» (PDF) . Белл Систем Тех. Дж . 11 (1): 126–147. doi :10.1002/j.1538-7305.1932.tb02344.x. S2CID  115002788 . Проверено 5 декабря 2012 г.на сайте Alcatel-Lucent
69. Курокава, Канеюки (июль 1969 г.). «Некоторые основные характеристики широкополосных генераторных цепей с отрицательным сопротивлением» (PDF) . Белл Систем Тех. Дж . 48 (6): 1937–1955. дои :10.1002/j.1538-7305.1969.tb01158.x . Проверено 8 декабря 2012 г. уравнение 10 – необходимое условие колебаний; экв. 12 – достаточное условие,

• Морс, AH (1925), Радио: луч и вещание: его история и патенты , Лондон: Эрнест Бенн.. История радио в 1925 году. Осциллятор утверждает, 1912 год; Судебное дело Де Фореста и Армстронга, см. стр. 45. Телефонный хаммер/генератор А.С. Хиббарда 1890 г. (угольный микрофон имеет усиление по мощности); Ларсен «использовал тот же принцип при производстве переменного тока из источника постоянного тока»; случайное создание лампового генератора; все на стр. 86. Фон Арко и Мейснер первыми распознали применение передатчика; Раунд для первого передатчика; никто не запатентовал триодный передатчик на стр. 87.

дальнейшее чтение

• Ульрих Роде, Аджай Поддар и Георг Бок, Проектирование современных микроволновых генераторов для беспроводных приложений: теория и оптимизация, (543 страницы) John Wiley & Sons, 2005, ISBN 0-471-72342-8 . 
• Э. Рубиола, Фазовый шум и стабильность частоты в генераторах Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0-521-88677-2 . 

Внешние ссылки

• Как работает: осциллятор.
• Странности осциллятора.
• Учебное пособие по точной генерации частоты.