Проектування високочастотного генератора синусоїдальних сигналів

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Кафедра БМП

Пояснювальна записка до курсової роботи з дисципліни "Аналогова та цифрова електроніка" на тему:

"Проектування генераторів гармонійних коливань"

Виконав а:

Перевірив:

ХАРКІВ 2009

РЕФЕРАТ

Метою даної курсової роботи є розрахунок генератора синусоїдальних сигналів.

Пояснювальна записка до курсової роботи містить 25 сторінок тексту, що включають в себе 3 додатки.

Перелік ключових слів:

генератор гармонійних сигналів;

фазує ланцюжок;

активний елемент;

умова самозбудження;

частота генеруються сигналів.

Зміст

Введення

1 Аналіз технічного завдання

2 Вибір принципової схеми

3 Електричний розрахунок схеми

4 Аналіз схеми (розробка математичної моделі) на ЕОМ

Висновки

Список використаної літератури

Додаток

Введення

Електронний генератор являє собою пристрій, що перетворює електричну енергію джерела постійного струму в енергію незатухаючих електричних коливань необхідної форми, частоти та потужності.

За принципом роботи і схемного побудови розрізняють генератори з самозбудження (автогенератори) і генератори із зовнішнім збудженням, які по суті є підсилювачами потужності генеруючих коливань заданої частоти.

Електронні автогенератори поділяються на автогенератори синусоїдальних (гармонічних) коливань і автогенератори коливань несинусоїдної форми, які прийнято називати релаксаційним (імпульсні) автогенератора.

Будучи першоджерелом електричних коливань, генератори з самозбудженням широко використовуються в радіопередавальних і радіоприймальних (супергетеродинних) пристроях, у вимірювальній апаратурі, в ЕОМ, в пристроях телеметрії і т. д.

За діапазону генеруються частот генератори діляться на низькочастотні (від 0,01 Гц до 100 кГц), високочастотні (від 100 кГц до 100 МГц) і надвисокочастотні (від 100 МГц і вище).

Широке впровадження складних радіоелектронних пристроїв в різні галузі народного господарства ставить перед розробниками радіоапаратури два найважливіші завдання: підвищення її надійності та зменшення маси та габаритів. Надійність апаратури в даний час підвищується за рахунок застосування відповідної елементної бази та спеціальних методів побудови систем, а основним напрямком мініатюризації виборчих і автоколивальних низькочастотних систем, зважаючи на відсутність реальних шляхів мініатюризації котушок індуктивності, є впровадження активних виборчих RC-ланцюгів (активних RC-фільтрів і RC -генераторів).

Широкому поширенню транзисторних RC-генераторів синусоїдальних коливань сприяє простота виготовлення, існуючі Високостабільні конденсатори і опору, стабільні операційні та інтегральні підсилювачі, а також технологічна перспективність, якщо врахувати прогрес технології мікромодулів й ланцюгів на основі твердого тіла.

Метою даної курсової роботи є проектування низькочастотного генератора синусоїдальних коливань. Параметри генератора представлені в завданні на курсову роботу.

1. Аналіз технічного завдання

У цій роботі необхідно розробити генератор гармонійних коливань, який мав би такі параметри:

-Вихідна потужність P _вих = 0,2 Вт;

-Опір навантаження R _н = 2 кОм;

-Частота генеруючих коливань f _н = 5 МГц;

-Стабільність частоти .

У результаті аналізу ТЗ можна зробити висновок, що розробляється генератор відноситься до високочастотним генераторам середньої потужності. А оскільки застосування генераторів з коливальними контурами (типу RC) для генерування коливань високої частоти утруднено, то для проектованого генератора доцільно використовувати схему типу LC.

Синтез схеми і розрахунок її елементів будуть вироблені в наступних пунктах розрахунково-пояснювальної записки.

2. Вибір принципової схеми

Відомо багато різновидів схем транзисторних генераторів типу LC, але будь-яка з них повинна містити: коливальну систему (зазвичай коливальний контур), в якій порушуються необхідні незгасаючі коливання; джерело електричної енергії, за рахунок якого в контурі підтримуються незгасаючі коливання; транзистор, за допомогою якого регулюється подача енергії від джерела в контур; елемент зворотного зв'язку, за допомогою якого здійснюється подача необхідного збудливого змінної напруги з вихідного ланцюга у вхідні.

Найпростіша схема транзисторного генератора типу LC наведена на малюнку 1.1. Така схема називається генератором в трансформаторній зв'язком і використовується зазвичай в діапазоні високих частот.

Елементи R 1, R 2, R 3 і С2 призначені для забезпечення необхідного режиму по постійному струму і його термостабілізації. З допомогою конденсатора С1 ємнісний опір, якого на високій частоті незначно, заземлюється один кінець базової обмотки. У момент вмикання джерела живлення в колекторному ланцюзі транзистора з'являється струм I _K, що заряджає конденсатор С3 коливального контуру. Так як до конденсатора підключена котушка L 1, то після заряду він починає розряджатися на котушку. У результаті обміну енергією між конденсатором і котушкою в контурі виникають вільні затухаючі коливання, частота яких визначається параметрами контуру

(1.1)

Малюнок 1.1-Транзисторний автогенератор

Змінний струм контура, проходячи через котушку L 1, створює навколо неї змінне магнітне поле. Внаслідок цього в котушці зворотнього зв'язку L 2, включеної в ланцюг бази транзистора, наводиться змінна напруга тієї ж частоти, з якою відбуваються коливання в контурі. Ця напруга викликає пульсацію струму колектора, в якому з'являється змінна складова.

Змінна складова колекторного струму заповнює втрати енергії в контурі, створюючи на ньому посилене транзистором змінну напругу. Це приводить до нового наростання напруги на котушці зв'язку L 2, яке тягне за собою нове наростання амплітуди струму колектора і т.д.

Наростання колекторного струму спостерігається лише в межах активної ділянки вихідної характеристики транзистора. Що ж стосується амплітуди коливань в контурі, то її зростання обмежується опором втрат контуру, а також загасанням, що вносяться в контур за рахунок протікання струму у базовій обмотці.

Незгасаючі коливання в контурі автогенератора встановляться лише при виконанні двох основних умов, які отримали назву умов самозбудження.

Перше з цих умов називають умовою балансу фаз. Сутність його зводиться до того, що в схемі повинна бути встановлена ​​саме позитивний зворотний зв'язок між вихідний і вхідний ланцюгами транзистора. Тільки в цьому випадку створюються необхідні передумови для заповнення втрат енергії в контурі.

Оскільки резонансне опір паралельного контуру носить чисто активний характер, то при впливі на базу сигналу з частотою, рівною частоті резонансу, напруга на колекторі буде зрушено по фазі на 180 ^о. Напруга, наводимое на базовій котушці за рахунок струму I _K, що протікає через контурну котушку L 1, так само

(1.2)

де - Коефіцієнт взаємоіндукції між котушками.

Очевидно, необхідно так вибрати напрямок намотування базової котушки, щоб . Тільки в цьому випадку загальний фазовий зсув в ланцюзі підсилювач - зворотній зв'язок буде дорівнює нулю, тобто у схемі буде встановлена ​​позитивний зворотний зв'язок. Якщо ж , То зворотний зв'язок виявиться негативною і коливання в контурі припиняться.

На практиці виконання умови балансу фаз досягається відповідним включенням кінців котушок L 1 і L 2. При відсутності самозбудження необхідно поміняти місцями кінці котушки зв'язку L 2. При цьому автогенератор повинен самовозбудіться, якщо в схемі немає інших несправностей. Виконання умови балансу фаз є необхідним, але недостатньою для самозбудження схеми. Друга умова самозбудження полягає в тому, що для існування автоколивальних режиму ослаблення сигналу, що вноситься ланцюгом ОС, повинно компенсуватися. Іншими словами, глибина позитивної ОС повинна бути такою, щоб втрати енергії в контурі восполнялись повністю.

При наявності ОС коефіцієнт посилення дорівнює

(1.3)

де - Коефіцієнт посилення підсилювача без зворотного зв'язку; - Коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв'язку.

Для розглянутої схеми коефіцієнт , Що показує, яка частина змінної напруги контуру подається на базу транзистора в усталеному режимі роботи, дорівнює

(1.4)

де - Амплітуда струму в контурі автогенератора.

Враховуючи, що підсилювач з позитивним зворотним зв'язком переходить у режим генерації за умови , Отримуємо значення коефіцієнта передачі ланки зворотнього зв'язку, необхідне для самозбудження,

. (1.5)

Умова самозбудження, виражене формулою (1.5), називають умовою балансу амплітуд.

Вибір енергетичного режиму генератора. Транзисторний автогенератор типу LC може працювати в різних режимах. Для встановлення відповідного режиму вибирається коефіцієнт використання колекторного напруги . Цей коефіцієнт дорівнює відношенню амплітуди змінної напруги на контурі до постійної напруги на колекторі Є _До

. (1.6)

Рисунок 1.2 - Графіки залежності коефіцієнтів розкладання імпульсів струму

При встановлюється недонапруження режим роботи автогенератора. При режим роботи називають перенапруженням. Зазвичай використовується критичний режим роботи автогенератора. У цьому випадку автогенератор віддає необхідну корисну потужність при досить високому ККД. Форма струму в колекторному ланцюзі автогенератора залежить від режиму роботи. Якщо струм проходить протягом всього періоду напруга на вході, то коливання його мають синусоїдальну форму і їх називають коливаннями першого роду. Цей режим характеризується малим ККД і тому в автогенераторах використовується рідко. Більш вигідним є режим коливань другого роду з відсічкою колекторного струму. Кут відсічки колекторного струму транзистора в критичному режимі становить .

Відомо, що струм, що має форму імпульсів, можна розкласти в ряд Фур'є і представити у вигляді суми постійного струму, змінного струму тієї ж частоти, що і частота повторення імпульсів, змінного струму подвоєної частоти, а так само змінних струмів більш високих частот. Важливо відзначити, що саме перша гармоніка струму створює на контурі генератора змінну напругу необхідної частоти, амплітуда якого визначається за формулою

, (1.7)

де - Резонансне опір контуру автогенератора.

Для струмів інших частот контур має малий опір і струми цих частот проходячи через контур, не створюючи на ньому помітного напруги. Таким чином, незважаючи на те, що струм колектора формою відрізняється від синусоїдальної, коливальний напруга на контурі виявляється синусоїдальним.

Амплітуду першої гармоніки, а також величину постійної складової імпульсного струму можна знайти за допомогою коефіцієнтів розкладання і , Що залежать від кута відсічки малюнок 1.2

Між амплітудним значенням першої гармоніки струму , Постійної складової струму і максимальним значенням імпульсного струму існують співвідношення

; (1.8)

(1.9)

Для аналізу і розрахунку транзисторних генераторів допустимо користуватися ідеалізованими характеристиками транзисторів малюнок 1.3.

Один з основних параметри, у схемі генератора, є крутість лінії критичного режиму малюнок 1.3б. У деяких типів транзисторів сотень міліампер на вольт і вище.

Важливими параметрами є також крутість характеристики струму колектора

при (1.10)

і напруга зрізу , Визначається для заданого робочої напруги на колекторі малюнок 1.3б.

Головну особливість роботи транзистора на високих частотах складає вплив часу пробігу носіїв струму. Цей час невелике і на порівняно низьких частотах їм можна знехтувати, але з підвищенням частоти вплив це значно збільшується. Дія часу проявляється, перш за все в тому, що заряди, інжектованих емітером в один і той же момент часу, приходять до колектора в різний час. З'являється розсіювання носіїв струму, яке призводить до зменшення коефіцієнта підсилення транзистора по струму, тим більш сильному, чим вище частота генеруючих коливань. Інерційність носіїв струму призводить також до виникнення між першою гармонікою колекторного струму і колекторного напруги на контурі фазового зсуву φ _пр, що залежить від часу руху носіїв струму

Істотний вплив на роботу транзисторного генератора в області високих частот надають ємності емітерного і колекторного p - n переходів транзистора. З підвищенням частоти для підтримки на необхідному рівні колекторного струму та корисної потужності на виході генератора необхідно збільшити амплітуду напруги збудження на ділянці база - емітер.

3. Електричний розрахунок схеми

Порядок розрахунку LC-генератора на транзисторі. Основними технічними даними для розрахунку транзисторного LC-генератора є: вихідна потужність, що віддається автогенератори в навантаження, Р _вих і частота генеруючих коливань f _р. Порядок розрахунку транзисторного генератора розглянемо стосовно до схеми, наведеної на рис. 9.2, а.

1.Вибіраем тип транзистора. При заданому значенні Р _вих потужність Р _к, яку повинен віддати транзистор в контур, становить

Р _К = Р _{вих /} η _до, (1.11)

Вт

Де η _до, - ККД контуру.

При підвищених вимогах до стабільності частоти автогенератора ККД контуру η _до вибирають в межах 0,1 ... 1,2. В інших випадках його можна збільшити до 0,5 ... 0,8.

Вибираючи транзистор, необхідно виходити з умов

Р _{До max} > P _K , (1.12)

f _max ≥ f _p, (1.13)

де Р _{До max-максимально} допустима розсіює потужність колектора обраного транзистора; f _{max-максимальна} частота генерації біполярного транзистора; вибраного типу. Параметри Р _{До max} = 0,4 Вт. і f _max = 200 МГц. високочастотних транзисторів наведені в довіднику по напівпровідникових приладів (взяли транзистор КТ 668В, або його аналог B С393)

2. Розраховуємо енергетичний режим роботи генератора. Вибираємо імпульс колекторного струму косинусоидальной форми. Вважаючи, що в критичному режимі кут відсічення струму колектора θ = 90 ^°, за графіками рис.1.2 знаходимо коефіцієнти розкладання імпульсу колекторного струму α ₁ = 0,5; α ₀ = 0,318.

Знаходимо усереднене час руху τ _п носіїв струму між p - n переходами транзистора по формулі

τ _п ≈ 1/2π f _max (1.14)

c

Обчислюємо кут пробігу носіїв струму

φ _пр = 2π f _р τ _п (1.15)

Обчислена за формулою (1.15) значення φ _пр висловлюємо в градусах. При цьому враховуємо, що при φ _пр = 2π кут φ _пр = 360 ^°. Знаходимо кут відсічення струму емітера

θ _е = θ-φ ^° _пр (1.16)

;

За графіками рис. 1.2 визначаємо коефіцієнти розкладання імпульсу емітерного струму α _{1 (Е)} і α _{0 (Е)}

Напруга харчування можна визначити за формулою (1.17) при цьому U _k беремо в межах 0,8 ... 1,2 В:

(1.17)

;

Коефіцієнт використання колекторного напруги вибираємо зі співвідношення:

ξ = 1-2 Р _к / Е _до ² S _кр α ₁ (1.18)

;

де S _кр - крутість лінії критичного режиму вибраного транзистора (при відсутності даного параметра в довіднику значення S _кр визначають графічно у сімействі ідеалізованих вихідних характеристик транзистора; з довідника візьмемо S _кр = 0,03).

Визначаємо основні електричні параметри режиму:

амплітуду змінної напруги на контурі

U _мк = ξ | E _k |; (1.19)

амплітуду першої гармоніки колекторного струму

I _{K 1 m} = 2 P _K / U _mk; (1.20)

;

Постійну складову колекторного струму

I _{K пост} = α ₀ I _{K 1 m} / α ₁ (1.21)

;

максимальне значення імпульсу струму колектора

I _{K і max} = I _{K 1 m} / α ₁ (1.22)

;

потужність, що витрачається джерелом струму в ланцюзі колектора

Р ₀ = I _{K пост} | E _k |; (1.23)

;

потужність, розсіюється на колекторі

Р _{До рас} = Р _{0-Р До} (1.24)

;

причому необхідно, щоб

Р _{До рас} <Р _{K max} (1.25)

ККД по ланцюгу колектора

η = Р _К / Р ₀ (1.26)

;

Еквівалентна резонансне опір контуру в ланцюзі колектора

R _рез = U _mk / I _{K 1 m} (1.27)

;

Знаходимо коефіцієнт передачі струму транзистора в схемі з ПРО на робочій частоті

h _{21б (f p)} = h _21б / (1.28)

;

Де h _{21б (f p)} - коефіцієнт передачі струму на низькій частоті; f _{h 21б (f p)-гранична} частота коефіцієнта передачі струму біполярного транзистора вибраного типу.

Для визначення параметра h _21б (значення якого не завжди наводиться в довідниках) може бути використана формула

h _21б = h _21е / (1 ​​+ h _21е) (1.29)

;

де h _{21е-коефіцієнт} передачі струму біполярного транзистора в режимі малого сигналу в схемі з ОЕ.

Визначаємо амплітуду першої гармоніки струму емітера

I _{Е1 m} = I _{K 1 m} / h _{21б (fp)} (1.30)

;

Знаходимо амплітуду імпульсу струму емітера

I _{Е u max} = I _{Е 1m} / α _{1 (Е)} (1.31)

;

Розраховуємо амплітудне значення напруги збудження на базі транзистора, необхідне для забезпечення імпульсу струму емітера I _{Е u max} без урахування впливу частоти

U _{БЕ m} = I _{Е u max} / (1 ​​- cosθ _е.) S ₀ (1.32)

;

де S _{0-крутизна} характеристики струму колектора.

Визначаємо напругу зміщення на базі, що забезпечує кут відсічення струму емітера,

U _БЕСМ = Е _з + U _{БЕ m} cosθ _е. (1.32)

;

де Е _с - напруга зрізу.

У випадках, коли значення напруги зрізу в довідниках не наводиться, його можна знайти за ідеалізованим (спрямлених) характеристикам транзистора або орієнтовно прийняти рівним Е _з = (0,1 ... 0,2) В (полярність Е _з залежить від типу транзистора: для транзисторів p - n - p на базу подається негативне, а для транзисторів n - p - n позитивне напруга зсуву).

Знаходимо коефіцієнт зворотного зв'язку

До _св = U _{БЕ m} / U _mk (1.33)

;

Для виконання умови балансу амплітуд необхідно виконати умову

До _св ≥ До _{св min} = 1 / S ₀ R _рез (1.34)

;

Розраховуємо опір резисторів R 1и R 2. Для цього задаємося струмом дільника, які пройшли через ці резистори

I _Д ≈ 5 I _Бпост (1.35)

;

де I _Бпост - постійна складова струму бази обраного транзистора. Величину I _Бпост можна знайти за формулою

I _Бпост = I _{K піст} / h _21Е (1.36)

;

(H _21Е - статичний коефіцієнт передачі струму біполярного транзистора вибраного типу в схемі з загальним емітером).

Знаючи I _Д, знаходимо R 2 за формулою

R ₂ = U _БЕСМ / I _Д (1.37)

;

Оскільки струм дільника на багато перевищує струм бази транзистора, останній не змінить істотно струм, що протікає через резистор R 1. тому

R ₁ = (E _{k-U БЕСМ)} / I _Д (1.38)

;

Потужність, що розсіюється на резисторах R 1 і R 2, відповідно дорівнює P _{R 1} = I ² _Д R _1; P _{R 2} = I ² _Д R _2. З урахуванням цих значень вибираємо стандартний тип резисторів R 1 і R 2 за шкалою номінальних опорів резисторів.

Знаходимо ємність розділового конденсатора С1 З ₁ ≈ (10 ... 20) З _е, де С _е - ємність емітерного переходу транзистора.

С1 = 15.70 Пф = 1 нФ

Елементи ланцюжка термостабілізації R ₃ C ₂ визначаються так само, як і при розрахунку виборчого підсилювача на транзисторі

R ₃ ≈ U _Е / I _Епост (1.39)

;

де U _Е падіння напруги на резисторі емітерний стабілізації (порядку (0,7 ... 1,5) В); I _Епост - постійний струм емітера (I _Епост ≈ I _Кпост).

Ємність конденсатора С2 дорівнює

С2 ≥ (15 ... 30) 10 ³ / f _p R ₃ (1.40)

;

Де С2 виражається в мікрофарад; f _p - мегагерцах; R ₃ - у кілоомах

Стандартні значення R ₃ і С2 вибираються за шкалою нормальних значень опорів резисторів і ємностей конденсаторів

3. Визначаємо параметри контуру. Задаємося добротністю одиночного (ненавантаженого) контуру. Експериментальним шляхом встановлено, що у генераторів малої і середньої потужності добротність ненавантажених контурів становить:

на хвилях 20 ... 50м (15 МГц ... 6 МГц) Q = 150 ... 300;

на хвилях 50 ... 100м (6 МГц ... 3 МГц) Q = 100 ... 250;

на хвилях 100 ... 1000м (3 МГц ... 300 кГц) Q = 80 ... 200.

Добротність навантаженого контура підраховується за формулою

Q '= Q (1 - η _к) (1.41)

;

де η _до - ККД контуру.

Знаходимо мінімальну загальну ємність контуру С _{до min} по наближеній формулі

С _{до min} ≈ (1 ... 2) λ _р (1.41)

;

λ _р - робоча довжина хвилі коливань (λ _р = с / f _p, де с - швидкість світла), м; С _{до min} виражається в пікофарад).

У загальну ємність контуру С _{до min} входять ємність конденсатора С3 (рис. 9.2 а) і виносяться (паразитні) ємності: вихідна ємність транзистора, ємність котушки контуру, ємність монтажу та ін Загальна величина вноситься ємності С _вн зазвичай складає десятки пікофарад. Отже, ємність конденсатора контуру С3 маже бути знайдена за формулою

З ₃ ≈ С _{до min-С вн} (1.42)

;

Цілком зрозуміло, що формула (1.42) дозволяє встановити лише орієнтовне значення ємності С3; більш точне значення визначається в процесі настроювання схеми.

Розраховуємо загальну індуктивність контуру L _k

L _k = 0.282 λ ² _p / С _{до min} (1.43)

;

де L _k виражається в мікрогенрі; λ _р - в метрах; С _{до min} - у пікофарад.

Визначимо хвильове (характеристичне) опір контуру

ρ = ^{3 жовтня} (1.44)

;

(Ρ виражається в омах; L _k - у мікрогенрі; С _{до min} - у пікофарад.

Знаходимо опір втрат контуру

R _п = ρ / Q ^'(1.45)

;

Розраховуємо опір, внесене в контур

R _вн = R _п η _к / (1 ​​- η _к) (1.46)

;

Повний опір контуру одно

R _K = R _п + R _вн (1.47)

;

Визначаємо амплітуду коливального струму в навантаженому контурі

I _mk = (1.48)

;

Знаходимо величину індуктивності L 2 зв'язку контуру з базою транзистора (додаток)

L ₂ = K _св L _k (1.49)

;

Визначаємо величину індуктивності зв'язку контуру з колектором транзистора

L ₁ = L _k - L ₂ (1.50)

;

4. Аналіз схеми (розробка математичної моделі) на ЕОМ

Аналіз схеми з розрахованими параметрами зробимо, використовуючи програмне додаток Electronics Workbench V 5.12. У схемі використовувався джерело постійної напруги і осцилограф.

Сигнал, отриманий на осцилографі, представлений у додатку.

З цих малюнків видно, що форма отриманого сигналу має форму синусоїди, частота якої не сильно відрізняється від заданої в ТЗ (5000750Гц).

Висновки

В результаті виконання курсової роботи був спроектований високочастотний генератор синусоїдальних сигналів відповідно до ТЗ.

Оскільки застосування генераторів з коливальними контурами (типу RC) для генерування коливань високої частоти не задовольняє, для розробленого генератора була взята схема типу LC (як фазує ланцюжка взята трехточечная схема з автотрансформаторной зв'язком, активний елемент - транзистор).

Після розрахунку обраної схеми був проведений її аналіз (розроблена математична модель) в Electronics Workbench. На осцилографі, включеному на виході розрахованого генератора, синусоїдальний сигнал з частотою f = 5000750Гц, що відповідає відхиленню в ТЗ.

При навантаженні 2 кОм вихідна потужність генератора складає 0,225 Вт

Технічна документація (перелік елементів) представлена ​​в додатку.

Список використаної літератури

1. Гершунский Б.С. Довідник з розрахунку електронних схем. - Київ: Вища школа. Вид-во при Київ. ун-ті, 1983. - 240 с.

2. Бондаренко В. Г. LC-генератори синусоїдальних коливань. М., "Зв'язок", 1976. - 208 с. з іл.

3. Пєтухов В.М. Транзистори і їх зарубіжні аналоги. Біполярні транзистори низькочастотні. Довідник. У 4 т. Т.2. Видання друге, виправлене. - М.: ИП РадіоСофт, 1999. - 544 с., Іл.

Додаток А

Додаток Б

Додаток В