Генераторът и условията на Баркхаузен
Генераторът е усилвател, чийто изход се връща на входа във фаза и достатъчно силно (положителна ОВ). Тогава и най-малкият шум се усилва, връща се, усилва се пак… докато се установи трептене. Кое трептене – решава честотноопределящото звено (RC, LC, кварц): то пропуска във фаза само една честота.
Двете условия на Баркхаузен:
- Амплитудно: βK ≥ 1 – при обиколката „ехото“ не отслабва. В началото βK > 1 (трептенето расте), в установен режим βK = 1.
- Фазово: сумарната фаза е 0 – „ехото“ идва в такт.
RC генератор: мостът на Вин
Мостът на Вин е последователна RC верига, свързана с успоредна RC верига. На една-единствена честота f0 = 1/(2πRC) той връща точно 1/3 от входа си, и то без фазово отместване. Под и над нея – по-малко и с фаза. С R = 10 kΩ и C = 16 nF честотата е f0 = 995 Hz.
β(f) на моста
Максимумът е −9,5 dB = 1/3 точно при f0. Там фазата на моста минава през нула – и двете условия могат да се изпълнят само тук.
Неинвертиращият ОУ трябва да усилва точно 3 пъти, за да е βK = 1. Тук K = 3,2: βK ≥ 1: трептенето расте, докато диодите не свалят K до 3 – установява се на ±6,3 V, f = 991 Hz. При K точно 3 амплитудата не е определена, а при K > 3 расте до захранването. Затова в ОВ има два насрещни диода: при голяма амплитуда те отпушват и свалят K до 3 – амплитудата се стабилизира сама.
Първите 150 ms след включването
изход
С K = 2,9 мъничкото начално напрежение затихва – тишина. С 3,05 трептенето расте бавно и след десетки милисекунди се установява. С 4 расте бързо, но диодите пак го спират преди захранването. Сменѝ R – тонът се сменя.
LC генератори
За високи честоти звеното е LC кръг (тема 10), а активният елемент – транзистор. Схемите са „триточкови“: кръгът има три точки, вързани към трите извода на транзистора.
| Схема | Обратна връзка | Особеност |
|---|---|---|
| Майснер | отделна намотка, свързана с кръга | трансформаторна ОВ |
| Хартлей | бобина с отвод | индуктивна триточка |
| Колпиц | два кондензатора C1, C2 | капацитивна триточка |
| Клап | Колпиц + още един последователен C | по-стабилна честота |
Тук е Колпиц с обща база, настроен на 20 kHz. Двата кондензатора делят напрежението на кръга и връщат част в емитера във фаза. Симулацията мери 20 kHz.
Колекторът, вход AC
колекторът (кръгът)
Спектърът – една честота и малко хармоници
спектър на c
Трептенето тръгва от малък начален ток в бобината, расте и се установява за по-малко от милисекунда. Транзисторът ограничава амплитудата – затова в спектъра има и малко 2f, 3f.
ГУН (генератор, управляван с напрежение): в кръга има варикап – диод в обратна посока, чийто капацитет намалява с напрежението. Значи честотата се управлява с напрежение. С ГУН се сменят каналите и се правят ЧМ модулатори.
Кварцови генератори и синтезатори
Кварцовата пластинка трепти механично и заради пиезоефекта се държи като LC кръг с огромен Q (10⁴–10⁶). Честотата е стабилна до 10⁻⁶ и по-добре. Кварцът има две резонансни честоти. При последователната fs реактивното му съпротивление е нула, при успоредната fp (малко по-висока) – безкрайност. Между тях кварцът е „бобина“. Над стотици MHz се ползват резонатори с ПАВ (повърхностни акустични вълни).
Реактивното съпротивление на кварц 10 MHz
X на кварца
Целият интересен участък е по-тесен от 0,05 % около 10 MHz. Под fs и над fp кварцът е „кондензатор“ (X < 0); между тях – „бобина“ (X > 0). Генераторите го ползват точно там.
Честотният синтезатор (PLL) взима стабилната честота на кварца и прави от нея много други, също толкова стабилни. ГУН се дели на N, кварцът – на M. Фазовият детектор (тема 12) ги сравнява и чрез ФНЧ дърпа ГУН, докато f1/M = f2/N. Значи f2 = (N/M)·f1, а смяна на N е смяна на станцията.
Самопроверка
1. Кои са условията на Баркхаузен?
βK ≥ 1 (амплитудно; = 1 в установен режим) и сумарна фаза 0 (фазово).
2. R = 10 kΩ, C = 16 nF в мост на Вин. Колко е f0 и какво K трябва?
f0 ≈ 1 kHz; K = 3, защото β = 1/3.
3. Защо в ОВ на генератора с мост на Вин има диоди?
Свалят K до 3 при голяма амплитуда – трептенето се установява, вместо да опре в захранването.
4. Защо кварцовите генератори са толкова стабилни?
Кварцът е механичен резонатор с огромен Q (10⁴–10⁶) – честотата почти не зависи от останалата схема.