background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

1

13. Generatory 

 

 

Większość  analogowych  i  cyfrowych  systemów 

elektronicznych  wymaga  stosowania  źródeł  sygnałów  o 

różnych  kształtach  i  parametrach.  Zależnie  od  rodzaju 

sygnału  oraz  zastosowania,  układy  generujące  sygnały 

można podzielić na:  

• 

oscylatory,  generują  sygnały  sinusoidalne  w 

zakresie  częstotliwości  kilku  Hz  do  GHz 

(telekomunikacja,  RTV,  łączność  bezprzewodowa, 

itd. 

• 

oscylatory  sterowane  napięciowo  (VCO  –  ang. 

Voltage  Controlled  Oscilator),    generują  sygnały 

sinusoidalne 

możliwością 

przestrajania 

częstotliwości  drgań  za  pomocą  m.in.:  diod 

pojemnościowych 

(varactor 

lub 

varicap); 

stosowane  w  tunerach  UHF  TV  i  odbiornikach 

VHF  broadcast  receivers,  do  automatycznej 

regulacji częstotliwości AFC (Automatic frequency 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

2

Control

odbiornikach 

radiowych 

telewizyjnych. 

• 

generatory 

funkcyjne

dostarczają 

sygnały: 

sinusoidalne,  piłokształtne,  prostokątne  w  zakresie 

kHz (metrologia, urządzenia testujące) 

• 

generatory 

zegarowe

tym 

generatory 

kwarcowe,  generują  sygnały  prostokątne  o  stałej  i 

dokładnej 

częstotliwości 

(komputery, 

mikroprocesory,  synchronizacja  pracy  urządzeń, 

itd.) 

Podstawową  funkcją  generatora  jest  wzbudzenie  drgań 

wielkości elektrycznych.

 Drgania te można wzbudzić na 

różne sposoby, m.in:  

• 

w  obwodzie  rezonansowym  z  elementem 

półprzewodnikowym  o  ujemnej  rezystancji  (na 

charakterystyce  prądowo-napięciowej);  element 

taki jest połączony z obwodem rezonansowym LC

równoległym 

lub 

szeregowym 

ujemna 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

3

rezystancja  (Я  lub  -r) kompensuje straty mocy w 

układzie rezonansowym. 

• 

wykorzystując  zjawisko  piezoelektryczne  w 

kryształach, m.in. w krysztale kwarcu, 

• 

w  układzie  ze  sprzężeniem  zwrotnym

;  kryterium 

generacji  drgań  zwane 

kryterium  Barkhausena

  

wynika  z  ogólnego  opisu  wzmocnienia  układu  ze 

sprzężeniem zwrotnym (wzór. ). 

 

Gdy moduł różnicy zwrotnej jest równy zeru:   

 

0

|

)

(

)

(

1

|

=

ω

ω

β

j

K

j

 (zob.p. ), 

 

układ jest niestabilny a sygnał wyjściowy napięciowy 

teoretycznie  zmierza  do  nieskończoności.  Przy 

zapewnieniu 

kompensacji 

strat 

układzie 

rzeczywistym, sygnał napięciowy oscyluje na wyjściu 

bez  pobudzenia  sygnałem  wejściowym  i  ma  kształt 

sinusoidalny

.  

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

4

Kryterium Barkhausena: 

1

|

)

(

|

|

)

(

|

)

(

)

(

=

=

β

ϕ

ϕ

ω

β

ω

ω

β

ω

j

K

j

e

j

e

j

K

j

j

K

 

        (13.1) 

implikuje

 równocześnie dwa warunki, spełnienie których 

jest  niezbędne  do  powstania  oscylacji  w  układzie  ze 

sprzężenim zwrotnym. Są to: 

warunek amplitudowy 

 

 

 

 

 

1

|

)

(

|

|

)

(

|

=

ω

β

ω

j

j

K

   

           (13.2) 

warunek fazowy  

 

 

1

=

β

ϕ

ϕ

j

j

e

e

K

π

ϕ

ϕ

β

n

o

K

2

0

+

=

+

                     (13.3) 

Drgania  są  generowane  gdy  wzmocnienie  układu 

dostatecznie  kompensuje  tłumienie  wprowadzane  przez 

obwód  sprzężenia  zwrotnego.  Elementy  sprzężenia 

zwrotnego są zwykle stratne, tłumią sygnał, rozpraszając 

jego  energię.  Z  tego  powodu  wzmocnienie  sprzężenia 

zwrotnego 

β

  jest  zwykle    mniejsze  od  jedności.  Dla 

stabilizacji  drgań,  straty  energii  w  układzie  muszą  być 

dokładnie  uzupełnione.  Zbyt  mała  energia  prowadzi  do 

zaniku  drgań.   

Napięcie  wejściowe  wzmacniacza  musi 

być w fazie z napięciem wyjściowym. 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

5

 

 

Generatory LC 

Analiza na bazie ogólnego schematu blokowego systemu 

ze sprzężeniem zwrotnym. 

 

 

Z

3

Z

1

Z

2

U

o

U

wy

R

o

Z

L

I

wy

U

we

U

o

U

wy

R

o

Z

3

Z

1

Z

2

I

wy

U

wy

R

o

U

o

U

we

Czwórnik Z

I

wy

Z

1

Z

3

Z

2

U

wy

U

we

I

wy

  a)                                                                               b)  

    c)                                            d)                                                       e)

 

 

 

 

 

 

Rys.  13.1.  Układ  generatora  z  czwórnikiem  impedancyjnym  w 
pętli  sprzężenia  zwrotnego:  a)  schemat  blokowy  z  czwórnikiem 
typu  π  w  pętli  sprzężenia,  b)  schemat  blokowy  z  uproszczonym 
układem  zastępczym  WO  i  z  czwórnikiem  w  pętli  sprzężenia,  c) 
wzmacniacz  z  elementami  sprzężania,  d)  schemat  zastępczy 

prawie  idealnego

  WO  z  elementami  sprzężenia,  e)  schemat 

zastępczy obwodu wyjściowego generatora.  

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

6

 

 

Z  teorii  sprzężenia  zwrotnego  (zob.p.  )  wiadomo, 

że  część  sygnału  wyjściowego  jest  podana  na  wejście 

wzmacniacza.  Do  podziału  napięcia  wyjściowego  służy 

dzielnik  impedancyjny 

3

1

Z

Z

.  Napięcie  wejściowe 

wzmacniacza-obiektu, U

we

 

 wynikające z tego podziału 

wynosi 

  

wy

we

U

Z

Z

Z

U

+

=

3

1

1

,           

        (13.4) 

i stąd transmitancja sprzężenia zwrotnego:   

   

 

3

1

1

)

(

Z

Z

Z

U

U

j

wy

we

+

=

=

ω

β

 

       (13.5) 

Jeśli 

przyjąć

  model  prawie  idealnego  WO  (zob.p.  )  i 

opisujące  go  parametry:    rezystancję  wyjściową  R

o

  i 

wzmocnienie  napięciowe  K

uo

,  otrzymamy  następujące 

równanie dla obwodu wyjściowego,  

0

=

wy

Ro

o

U

U

U

,   

 

      (13.6a) 

które po podstawieniu:  

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

7

we

uo

o

U

K

U

=

,  

wy

o

Ro

I

R

U

=

,   

wy

L

wy

I

Z

U

=

,  

przyjmuje postać następującą:    

  

 

0

=

+

+

wy

L

wy

o

we

uo

I

Z

I

R

U

K

.   

      (13.Z) 

Z równania (13.6b) można wyznaczyć prąd wyjściowy 

I

wy

.  

L

o

we

uo

wy

Z

R

U

K

I

+

=

       

      (13.6c) 

Z

astępcza

  impedancja  obciążenia  układu  widziana  od 

strony zacisków wyjściowych 

wynosi: 

 

3

2

1

3

1

2

)

(

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

L

+

+

+

=

 

 

 

        (13.7) 

 

Napięcie  wyjściowe  można  wyrazić,  mnożąc  prąd 

wyjściowy przez impedancję zastępczą Z

L

.  

 

L

o

we

uo

L

wy

L

wy

Z

R

U

K

Z

I

Z

U

+

=

=

  

        (13.8) 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

8

Wzmocnienie wzmacniacza wynosi zatem: 

 

L

o

L

uo

we

wy

u

Z

R

Z

K

U

U

j

K

+

=

=

)

(

ω

 

 

        (13.9) 

 

Mnożąc  stronami  równania

  (13.5)  i  (13.9), 

otrzymamy

 

wzmocnienie całej pętli sprzężenia zwrotnego: 

L

o

L

uo

u

Z

R

Z

K

Z

Z

Z

j

K

j

+

+

=

3

1

1

)

(

)

(

ω

ω

β

   

      (13.10) 

 

Podstawiając (13.7) do równania (13.10), po 

uporządkowaniu otrzymamy: 

 

)

(

)

(

)

)(

(

)

(

)

(

3

2

1

3

1

2

2

1

3

1

1

Z

Z

Z

R

Z

Z

Z

Z

Z

K

Z

R

Z

Z

Z

Z

K

j

K

j

o

uo

L

o

L

uo

u

+

+

+

+

=

+

+

=

ω

ω

β

   (13.11) 

 

W  celu  minimalizacji  strat  w  układzie  założono,  że 

wszystkie  elementy  sprzężenia  zwrotnego  oznaczone 

przez  Z  są  czysto  reaktancyjne.  Po  zastąpieniu 

Z

  przez 

jX

we  wzorze  (13.11),  wyrażenie  na  wzmocnienie  pętli 

przyjmuje następującą postać: 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

9

 

)

(

)

(

)

(

)

(

3

2

1

3

1

2

2

1

X

X

X

jR

X

X

X

X

X

K

j

K

j

o

uo

u

+

+

+

+

=

ω

ω

β

          (13.12) 

 

Warunek  Barkhausena  wystąpienia  oscylacji  wskazuje 

na rzeczywisty charakter wzmocnienia pętli co implikuje 

brak  części  urojonej  mianownika  we  wzorze  (13.12).

 

Konsekwencją są następujące zależności: 

 

0

)

(

3

2

1

3

2

1

=

+

+

=

+

+

X

X

X

X

X

X

R

o

   

      (13.13) 

           

)

(

2

1

3

X

X

X

+

=

 

Z  założenia  identycznego  charakteru  reaktancji 

1

X

  i 

2

X

wynika  przeciwny  charakter  elementu 

3

X

.  Tylko 

wówczas suma reaktancji jest równa zeru i spełnione jest 

równanie  (13.13).  Uwzględniając  we  wzorze  (13.12) 

warunek  (13.13)  a  następnie  podstawiając 

2

3

1

X

X

X

=

+

otrzymamy: 

 

1

)

(

)

(

)

(

2

1

3

1

1

=

=

+

=

X

X

K

X

X

X

K

j

K

j

uo

uo

u

ω

ω

β

      (13.14) 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

10

 

 

 

 

Analiza 

wzoru 

(13.14) 

potwierdza 

poprawność 

przyjętych  założeń  odnośnie  charakteru  poszczególnych 

reaktancji.  W  przypadku  X

1

  oraz  X

2

  mogą  to  być  albo 

dwa  kondensatory  albo  dwie  cewki  indukcyjne  podczas 

gdy X

3

 reprezentuje w pierwszym przypadku cewkę a w 

drugim 

kondensator. 

Odpowiednie 

schematy 

generatorów zamieszczono na rys. 13.2.  

W  pierwszym  przypadku  jest  to  generator  Hartleya 

(rys.13.2b)  w  drugim  generator  Colpittsa  (rys.13.2c). 

Wybór  kombinacji  L  i  C  wiąże  się  w  praktyce  z 

dostępnością  czy  też  wykonalnością  elementów  na 

zadaną 

częstotliwość 

rezonansową. 

Większą 

elastyczność  w  doborze  cewki  umożliwia  dodatkowa, 

szeregowa  pojemność  C

3

  w  konfiguracji  Clappa 

(rys.13.2.d).  

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.13.2. Schematy generatorów LC: a) ogólny, b) Hartleya, c) 

Colpittsa, d) Clappa 

 

Pulsacje  rezonansowe  poszczególnych  generatorów 

wyrażone  w  funkcji  parametrów  sprzężenia  podano  we 

wzorach (13.15)-(13.17).  

 

 

 

 

 

                              

12

3

2

)

(

0

1

L

C

Hartleya

=

ω

       

 

            (13.15)     

 

3

12

2

)

(

0

1

L

C

Colpittsa

=

ω

    

 

            (13.16) 

 

3

123

2

)

(

0

1

L

C

Clappa

=

ω

 

 

 

            (13.17) 

Z

3

Z

1

Z

2

C

3

L

2

L

1

C

2

C

1

C

3

L

3

L

3

C

1

C

2

a)

b)

c)

d)

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

12

 

 

gdzie:  zastępcza  indukcyjność  i  pojemność  dla 

szeregowo  połączonych  odpowiednich  reaktancji  w 

poszczególnych układach wynoszą: 

2

1

12

L

L

L

+

=

,       

2

1

2

1

12

C

C

C

C

C

+

=

,      

3

2

1

3

2

1

123

C

C

C

C

C

C

C

+

+

=

Na  rys.  13.3.  zamieszczono  schematy  generatorów  z 

wzmacniaczem tranzystorowym. Częstotliwość oscylacji 

w  układzie  Hartleya  jest  stała  i  zależy  od  elementów 

sprzężenia. Częstotliwość oscylacji w układzie Colpittsa 

(rys.13.3b) jest strojona za pomocą zmiennej pojemności 

diody pojemnościowej - varicapa (zob. p. ). Pojemność ta 

jest  funkcją  napięcia  polaryzującego  wstecznie  diodę  a 

doprowadzonego 

do 

katody 

przez 

rezystor 

R

Kondensator  C  separuje  napięcie  stałe  polaryzujące 

diodę  od  reszty  układu.  Generator  taki  należy  do  grupy 

oscylatorów VCO

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

13

+

R

    R

1     

C

R          R               C

2

E

E

C

   C

DV        

2

L

3

U

s

+

U

CC

R

    R

1     

C

R          R               C

2

E

E

X

k

C

   C

1      

2

+ U

CC

 C

4

R

    R

1     

C

R          R               C

2

E

E

L

   L

1      

2

C

3

 C

5

+ U

CC

R

    R

1     

C

R          R               C

2

E

E

C

   C

1      

2

L

3

C

4

C

5

+ U

CC

 

 

Rys.13.3. Schematy generatorów tranzystorowych: a) 

Hartleya, b) Colpittsa, c) oscylator kwarcowy w układzie 

Colpittsa, d) VCO Colpittsa  o częstotliwości strojonej 

napięciem U

S

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

14

Generatory RC 

 

Układy  oscylacyjne  posiadające  elementy  RC  w 

obwodzie  sprzężenia  zwrotnego  są    stosowane 

najczęściej  do  generacji  drgań  w  zakresie  niskich 

częstotliwości,  np.  w  zakresie  pasma  akustycznego. 

Spełnienie warunków generacji drgań można uzyskać na 

różne sposoby, stosując różne rozwiązania układowe. 

Podobnie jak w przypadku generatorów LC, analiza 

generatora  RC  obejmuje  wyznaczenie  transmitancji 

obwodu  sprzężenia  zwrotnego  oraz  (korzystając  z 

warunków  kryterium  generacji  drgań)  określenie  relacji 

między pulsacją rezonansową a parametrami RC układu, 

warunkującymi jego oscylacyjność. 

 

 

 

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

15

Układ drabinkowy RC z jednym wzmacniaczem 

Aby  spełniony  został  warunek  fazowy  generacji 

drgań,  zarówno  układ  sprzężenia  zwrotnego  jak  i 

wzmacniacz  powinny  wprowadzić  przesunięcie  fazowe 

sygnału  równe  180

o

el  każdy,  co  łącznie  daje  360

o

el. 

Realizacja  układu sprzężenia  zwrotnego  wymaga  użycia 

kilku 

(np. 

n=3) 

ogniw 

RC

wprowadzających 

przesunięcie 

fazowe

 po 180

o

el/n  każdy. 

Transmitancję  układu  sprzężenia  można  wyznaczyć  na 

różne sposoby. 

U

wy

R

C

U

we

R

2

R

1

C

C

R

R

R

C

C

C

R

R

U

wy

U

we

R

2

R

1

a)                                                                         b)

  

 

 

Rys.13.4.Generator drabinkowy RC: a) z wzmacniaczem operacyjnym, 

b) schemat z wyodrębnionym sprzężeniem zwrotnym 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

16

 

W  przyjętym  sposobie,  najpierw  wyznaczono  napięcie 

sprzężenia 

zwrotnego 

U

f

 

podane 

na 

wejściu 

wzmacniacza  a  będące  częścią  napięcia  wyjściowego 

U

wy

,  po  czym  obliczono  transmitancję  obwodu 

sprzężenia zwrotnego z ilorazu U

f

/U

wy

.  

[W  przyjętej  (poglądowej)  metodzie  obliczymy  wpierw 

jaką  część  napięcia  wyjściowego  U

wy

  stanowi  napięcie 

sprzężenia  zwrotnego,  doprowadzone  do  wejścia 

wzmacniacza.]  

Dla  przejrzystości  obliczeń  posłużono  się  schematem, 

wyodrębnionej  z  układu  generatora  drabinki  RC

stanowiącej 

układ 

sprzężenia 

zwrotnego 

oraz 

pojedynczego jej ogniwa, zamieszczonych na rys. 13.5.  

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

17

Obliczenia  zostaną  wykonane  etapami  przez  „zwijanie” 

kolejnych  ogniw  drabinki  RC  w  obwody  zastępcze 

przemieszczając  się  od  węzła  wejściowego  do  węzła 

wyjściowego  wzmacniacza.  Wyznaczona  dla  przykładu, 

proporcja  między  napięciem 

f

U

    a  napięciem 

*

*

U

sąsiedniego węzła drabinki (rys.13.5b.) wynosi: 

 

C

j

R

U

R

U

f

ω

1

*

*

+

=

 

 

 

      (13.18) 

przy  założeniu,  że  wejście  WO  nie  obciąża  wyjścia 

drabinki (zob.p. ).  

Wyznaczony  w  podobny  sposób,  związek  między 

napięciami kolejnych, sąsiadujących ze sobą węzłów (

**

i (

*

)  (rys.13.5a.) ma postać: 

 

   a)                                                                b)         

Rys.13.5.Układ sprzężenia zwrotnego generatora: a) drabinka RC, b) pojedyncze 
ogniwo RC 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

18

C

j

R

R

C

j

R

C

j

U

C

j

R

R

C

j

R

U

ω

ω

ω

ω

ω

1

2

1

1

1

2

1

*

*

*

+





+

+

=

+





+

  

 

     (13. 19) 

Po dalszych podobnych obliczeniach i przekształceniach 

stosunkowo  rozbudowanych  wzorów,  wykorzystując 

(13.18)  i  (13.19),  uzyskuje  się  wzór  końcowy  opisujący 

transmitancję sprzężenia zwrotnego: 

 

=

=

3

3

3

2

2

2

1

6

5

1

1

)

(

C

R

RC

j

C

R

U

U

j

wy

f

ω

ω

ω

ω

β

       

      (13.20) 

   

Wyrażenie  β  jest  rzeczywiste gdy składnik urojony w 

mianowniku jest równy zeru. 

Przy oscylacji przesunięcie 

fazy wynosi 180

o

, stąd część urojona wynosi zero. 

0

)

(

1

6

3

=

RC

RC

ω

ω

   

 

Pulsacja rezonansowa wynosi 

RC

=

6

1

0

ω

.  

 

     (13. 21) 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

19

Podstawiając wynik (13.21) do wzoru (13.20) 

wyznaczymy wartość wzmocnienia układu  sprzężenia 

zwrotnego przy pulsacji rezonansowej: 

 

29

1

=

=

wy

f

U

U

β

.  

 

 

     (13. 22) 

Z kryterium (13.2 ) wynika, że stabilne oscylacje uzyska 

się przy wzmocnieniu wzmacniacza o wartości równej 

 

29

=

=

f

wy

u

U

U

K

 

 

     (13. 23) 

i taką wartość wzmocnienia winien zapewnić 

wzmacniacz operacyjny w układzie na rys 13.4a i 

wzmacniacz dyskretny w układzie na rys. 13.4b. 

 

 

 

 

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

20

Generator  RC  z  mostkiem  Wiena  i  z  wzmacniaczem 

nieodwracającym 

 

R

2

R

1

R

R

C

C

U

wy

U

we

R

2

R

1

R

R

C

C

U

wy

U

we

R

2

R

1

R

R

C

C

U

wy

U

we

a)                                                                          b)

c)  

 

 

 

 

 

 

Rys.13.6. Schemat ideowy generatora z mostkiem Wiena – 

różne wersje graficzne 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

21

Z  nazwy  generatora  wynika,  że  zastosowano  w  nim 

mostek Wiena. Dwie galęzie mostka zawierają rezystory 

R

1

 i R

2

, których wspólny punkt jest dołączony do wejścia 

odwracającego.  W  dwóch  pozostałych  znajdują  się, 

odpowiednio  połączone,  elementy  RC.  Stanowią  one 

dzielnik  napięcia  o 

właściwościach  przesuwnika 

fazowego,  zależnego  od  częstotliwości. 

Napięcie  z 

dzielnika  jest  podane  na  wejście  nieodwracające.

 

Warunki  generacji  drgań,  wynikające  z  kryterium  

Barkhousena  (warunek  amplitudowy:

1

|

)

(

|

|

)

(

|

=

ω

β

ω

j

j

K

warunek 

fazowy:

1

=

β

ϕ

ϕ

j

K

j

e

e

π

ϕ

ϕ

β

n

o

K

2

0

+

=

+

można 

sprecyzować  dla  rozważa-nego  układu,  wyznaczając 

transmitancję bloku sprzężenia zwrotnego generatora. 

C

j

R

C

j

R

U

C

j

R

C

j

R

C

j

R

U

we

wy

ω

ω

ω

ω

ω

1

1

1

1

1

+

=

+

+

+

 

 

 

        (13.24) 

+

=

=

RC

RC

j

U

U

j

wy

we

ω

ω

ω

β

1

3

1

)

(

    

                  (13. 25) 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

22

Wyrażenie  jest  rzeczywiste  gdy  wartość  czynnika  przy 

operatorze  j  wynosi  zero  przy  pulsacji  rezonansowej 

0

ω

ω

=

,  która  z  warunku   

RC

RC

0

0

1

ω

ω

=

,  jest  równa 

RC

1

0

=

ω

Półmostek  Wiena  jest  dzielnikiem  o  współczynniku 

wzmocnienia  napięciowego 

3

1

=

=

wy

we

U

U

β

.    Wynika  stąd,  że 

przesunięcia  sygnału 

0

=

β

ϕ

.  Zastosowany  w  układzie 

wzmacniacz  nieodwracający  nie  zmienia  fazy  sygnału 

podanego  na  jego  wejściu  i  stąd 

0

=

K

ϕ

.  Zatem  warunek 

fazowy 

0

=

+

K

ϕ

ϕ

β

  (13.3)  jest  spełniony.  Obliczone  z 

warunku amplitudowego (13.2) wzmocnienie napięciowe 

wzmacniacza 

wynosi 

3

1

=

=

β

u

K

Taką 

wartość 

wzmocnienia  wzmacniacza  zapewnia  proporcja  między 

R

1

 i R

2

. Z wzoru 

1

2

1

3

R

R

K

u

+

=

=

 wynika, że 

1

2

2R

R

=

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

23

 

 

Generator z filtrem wszechprzepustowym 

 

Przed  omówieniem  układu  generatora,  konieczne 

jest  poznanie  właściwości  układu  zwanego  filtrem 

wszechprzepustowym  FWP  (ang.  ).  Na  schemacie 

pojedynczego ogniwa FWP, zamieszczonym na rysunku 

13.6a  widać,  że  sygnał  wejściowy 

we

U

  jest  podany  na 

obydwa  wejścia  wzmacniacza.  Napięcie  wyjściowe 

składa się więc z dwóch sygnałów pochodzących od tego 

samego 

sygnału 

wejściowego, 

lecz 

odmiennie 

wzmacnianych

 

różnych 

torach 

wzmocnienia 

wzmacniacza

.  

a)                                                                     b)      

Rys. 13.7. Ogniwo filtru wszechprzepustowego FWP: 

a) schemat, b) dzielnik napięcia RC 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

24

Napięcie wyjściowe jest zatem sumą dwóch składników: 

wzmocnionego  napięcia  wejściowego  podanego  na 

wejście odwracające, wynoszące: 

we

we

wy

U

R

R

U

U

=

=

  

 

      (13.26) 

 

i wzmocnionego napięcia wejściowego podanego na 

wejście nieodwracające  

 

 

*

*

2

1

U

R

R

U

U

wy

=

 +

=

+

 

      (13.27) 

gdzie  napięcie 

RC

j

U

C

j

R

C

j

U

U

we

we

ω

ω

ω

+

=

+

=

1

1

1

1

*

  stanowi  część 

sygnału 

we

U

, doprowadzoną do wejścia nieodwracającego 

wzmacniacza.  

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

25

 

Napięcie 

wyjściowe 

jest 

sumą 

odpowiednio 

wzmocnionych 

sygnałów 

podanych 

na 

wejście 

odwracające i nieodwracające: 

RC

j

RC

j

U

CR

j

U

U

U

U

U

we

we

we

wy

wy

wy

ω

ω

ω

+

=

+

+

=

+

=

+

1

1

1

1

2

    (1328) 

 

Wzmocnienie napięciowe układu wynosi: 

 

RC

j

RC

j

U

U

j

K

we

wy

u

ω

ω

ω

+

=

=

1

1

)

(

,   

 

      (13.29) 

 

 

a)                                                                 b) 

Rys. 13.8. Filtr wszechprzepustowy FWP I rzędu 
– a)  i  b) schematy poglądowe   

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

26

z czego moduł wzmocnienia: 

 

 

 

1

)

(

1

)

(

1

|

)

(

|

2

2

=

+

+

=

RC

RC

j

K

u

ω

ω

ω

,   

      (13.30) 

a faza: 

)]

[tg(

2

RC

arc

ω

ϕ

=

.  

      (13.31) 

 

Wzmocnienie ma wartość  1 i nie zależy od 

częstotliwości. Kąt fazowy natomiast zmienia się od 

wartości praktycznie 0 – przy niskich częstotliwościach 

do –180

 przy częstotliwościach wysokich. Układ jest 

aktywnym przesuwnikiem fazowym. 

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

27

Oscylator  kwadraturowy,  zbudowany  z  ogniw    filtru 

wszechprzepustowego () 

Schemat  oscylatora  jest  przedstawiony  na  rys.13.9. 

Składa  się  z  dwóch  ogniw  filtru  FWP  i  wzmacniacza 

odwracającego.  Dobrano  takie  wartości  parametrów 

ogniwa RC aby przy częstotliwości ω = ω

o

,  przesunięcie 

fazy wyniosło 90

o

.  

o

RC

arc

90

)

(tg

2

=

=

ω

ϕ

     →    

o

RC

arc

45

)

(tg

=

ω

    →     

RC

1

=

ω

 

Kąt  prosty  przesunięcia  między  ogniwami  „quadrature 

oscillator”  umożliwia  jednoczesne  uzyskanie  przebiegu 

sinusoidalnego  i  cosinusoidalnego.  Zrozumiała  jest 

konieczność  włączenia  w  pętli  sprzężenia,  wzmacniacza 

dopełniającego przesunięcie fazy do 360

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 13.9.Schemat oscylatora kwadraturowego 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

28

Generator kwarcowy 

Źródłem 

drgań 

generatora 

jest 

rezonans 

elektromechaniczny 

płytki 

kwarcu 

(rezonatora) 

nazywany 

też 

zjawiskiem 

albo 

efektem 

piezoelektrycznym.  W  wyniku  doprowadzenia  do 

powierzchni płytki niewielkiego napięcia elektrycznego i 

wzbudzenia  przez  nie  pola  elektrycznego  w  kryształach 

kwarcu dochodzi do periodycznego odkształcania w nich 

sieci  atomowej.

  Częstotliwość  własna  rezonatora  zależy 

od  wymiarów  geometrycznych  płytki  i  w  stopniu 

pomijalnym 

od 

temperatury. 

Częstotliwość 

ta 

charakteryzuje się dużą stabilnością. Na rysunku 13.11a. 

Rys. 13.11. Rezonator kwarcowy: a) schemat zastępczy,  b) symbol graficzny, 

c) charakterystyka częstotliwościowa reaktancji zastępczej 

        a)                               b)                         c)                             

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

29

zamieszczono zastępczy schemat elektryczny rezonatora. 

Zawiera  on  szeregowo  połączone:  pojemność  C

s

indukcyjność L

s

 i rezystancję reprezentującą stratność R

s 

 

oraz równolegle włączoną pojemność  C

r

 która pochodzi 

od elektrod i doprowadzeń płytki. Przykładowe wartości 

parametrów  rezonatora  wynoszą: 

F

C

s

15

10

15

=

H

L

s

1

,

0

=

=

100

R

  i 

F

C

r

12

10

5

=

MHz

f

s

4

=

.  Reaktancja  zastępcza 

rezonatora  kwarcowego,  wyznaczona  na  podstawie 

schematu  zastępczego  (rys.  13.11a),  w  którym  dla 

uproszczenia pominięto rezystancję, wynosi: 

)

(

1

2

2

r

s

s

s

r

s

s

C

C

L

C

C

C

L

X

ω

ω

ω

+

=

.        (13.32) 

 

Reaktancja  silnie  zależy  od  częstotliwości,  zmieniając 

wraz  z  jej  zmianami  swój  charakter.  Na  rys.  13.11c) 

przedstawiono  charakterystykę  reaktancji  rezonatora  w 

funkcji  częstotliwości.  Wartość  reaktancji  wyznaczona 

na  podstawie  schematu  zastępczego  i  idealizowanych 

jego parametrów wynosi zero w rezonansie szeregowym 

przy częstotliwości  

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

30

s

s

s

C

L

f

π

2

1

=

 

      (13.33) 

oraz  osiąga  nieskończoność  w  rezonansie  równoległym 

przy częstotliwości  

 

r

s

s

r

C

C

f

f

+

=

1

 

      (13.34) 

Częstotliwość  rezonansu  szeregowego  wyznaczono  z 

przyrównania  do  zera  wzoru  (13.32),  natomiast 

częstotliwość rezonansu równoległego, przyrównując do 

zera 

mianownik 

wzoru. 

Pomiędzy 

obiema 

częstotliwościami,  reaktancja  zastępcza    wykazuje 

charakter  indukcyjny  i  najczęściej  jako  taka  ma 

zastosowanie w układach oscylacyjnych.   

Rezonator o charakterze indukcyjnym można wstawić w 

miejsce  indukcyjności    w  obwodzie  sprzężenia 

zwrotnego  w  układzie  generatora  Colpittsa  (rys.13.12). 

W  literaturze  układ  taki  nazywany  jest  generatorem 

Pirce'a.      

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

31

Kryształy  są  dostępne  na  standardowe  częstotliwości 

rezonansowe  w  zakresie  od  ok.  10kHz  do  100MHz. 

Można  spotkać  też  częstotliwości  niestandardowe, 

wynoszące 

np. 

4,194304MHz 

do 

specjalnych 

zastosowań,  w  tym  przypadku  przykładowo  do  22 

stopniowego  binarnego  dzielnika,  za  pomocą  którego 

uzyskuje się dokładny sygnał o częstotliwości 1Hz. 

 

 

 

 

Rys.13.12 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

32

Komparator  

Wzmacniacz otwarty z ogranicznikiem 

Niewielkie 

napięcie 

różnicowe 

wprowadza 

wzmacniacz operacyjne w stan nasycenia. Na podstawie 

charakterystyki  przejściowej    wzmacniacza  o  K

u0

=10

6

 

(rys.13.13)  widać,  że  przy  sygnale  wejściowym  o 

wartości  bezwzględnej  większej  np.  od  20

µ

V,  napięcie 

wyjściowe  przyjmuje  wartość  maksymalną  dodatnią  lub 

ujemną,  zależnie od polaryzacji wejścia.       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.13.13.Wzmacniacz  otwarty  z  ogranicznikiem:  a)  schemat  układu 
wzmacniaczu  z  otwartą  pętlą  sprzężenia  zwrotnego,  b)  charakterystyka 
przejściowa wzmacniacza.  
 

U

wy

|V|

15

10

 5

-15

 -5

-10

0

20

-20

-40

40

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

33

Przerzutnik Schmitta 

 

Przerzutnik  Schmitta  jest  komparatorem  generującym 

dwuwartościowy  sygnał  wyjściowy  z  histerezą.  Bardzo 

szybkie  przełączenie  napięcia  wyjściowego  następuje  w 

chwili  przekroczenia  przez  ciągły  sygnał  wejściowy 

wartości  progowej  U

p 

i  jednoczesnej  zmiany  znaku 

napięcia  różnicowego 

r

U

.    Szybkość  przełączania  nie 

zależy  od  szybkości  zmiany  sygnału  wejściowego, 

jednak  może  być  spowolniona  zbyt  małą  wartością 

parametru  (ang.  slew  rate)  wzmacniacza  operacyjnego. 

Przerzutnik  można  zbudować  z  tranzystorów  lub  z 

wzmacniaczy operacyjnych.  

 

 

 

 

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

34

Przerzutnik Schmitta w układzie nieodwracającym

 

 

U

wy

U

,

we

0

+U

p

U

p

+U

CC

U

CC

A

B

C

D

E

F

U >0

r

U >0

r

R

2

R

1

U

wy

U

we

U

r

I

U

R1

a)

b)

c)

t

U

we

U

wy

A

B

C

D

E

F

+U

p

-U

p

U

p

+U

CC

U

CC

 

 

 

Schemat układu zamieszczono na rys. 13.14a. Gdy 

napięcie  wejściowe  jest  ujemne,  napięcie  wyjściowe 

najczęściej  jest  również  ujemnie  ale  nie  w  całym 

zakresie,  gdyż  poziom  załączania  nie  pokrywa  się  z 

poziomem  wyłączania.  Podobnie  jest  gdy  napięcie 

wejściowe  jest  dodatnie.  Analizę  ułatwią  przebiegi 

zamieszczone na rys. 13.14b. Niejednoznaczność między 

Rys.13.14. Przerzutnik Schmitta w układzie nieodwracającym: 

a) schemat układu, b) przebiegi sygnałów, c) charakterystyka przejściowa 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

35

napięciem  wejściowym  i  wyjściowym  w  przedziale 

wartości  sygnału  wejściowego  od  –Up  do  +Up 

nazywanym 

szerokością 

histerezy 

p

U

ilustruje 

charakterystyka 

przejściowa 

(rys.13.14c). 

Jednoznaczność występuje oczywiście między napięciem 

wyjściowym  a  napięciem  różnicowym,  co  widać  na 

charakterystyce  przejściowej  komparatora.  Z  analizy 

napięć  w  obwodzie  wejściowym  układu  otrzymamy 

równanie: 

we

R

r

U

U

U

+

=

1

 

 

 

      (13.35) 

Spadek  napięcia  na  oporniku  R

1

  można  wyznaczyć 

obliczając  prąd  I  płynący  pod  wpływem  różnicy  napięć 

U

wy

-U

we

:  

2

1

1

1

1

R

R

U

U

R

I

R

U

we

wy

R

+

=

=

   

      (13.36) 

Warunek  na  przełączenia  wynika  z  przyrównania 

napięcia różnicowego do zera.  

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

36

0

2

1

1

=

+

+

=

we

we

wy

r

U

R

R

U

U

R

U

 

      (13.37) 

 

Stąd napięcie wejściowe spełniające równanie (13.37 ) 

jest równe napięciu progowemu 

 

2

1

R

R

U

U

U

wy

p

we

=

±

=

m

 

 

      (13.38) 

 

 Szerokość histerezy jest wyrażona za pomocą wzoru: 

 

2

1

min

max

2

1

2

)

(

2

R

R

U

U

U

R

R

U

U

CC

wy

wy

p

p

=

=

 

      (13.39) 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

37

Przerzutnik Schmitta w układzie odwracającym. 

 

Z  analizy  obwodu  wejściowego  w  układzie  na  rys. 

13.15a.  otrzymamy  równanie  wyznaczające  napięcie 

różnicowe: 

1

R

we

r

U

U

U

=

 

 

 

      (13.40) 

 

Spadek  napięcia  na  oporniku  R

1

  można  wyznaczyć 

obliczając prąd I płynący pod wpływem napięcia U

wy

:  

 

 

Rys.13.15. Przerzutnik Schmitta na wzmacniaczu odwracającym: a) schemat układu, b) 

schemat układu  z przesunięciem c) przebiegi sygnałów,  d) charakterystyka przejściowa 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

38

 

 

2

1

1

1

R

R

R

U

U

wy

R

+

=

   

 

      (13.41) 

 

Warunek  na  przełączenia  wynika  z  przyrównania 

napięcia różnicowego do zera.  

 

0

2

1

1

1

=

+

=

=

R

R

R

U

U

U

U

U

wy

we

R

we

r

 

 

      (13.42) 

 

Napięcie wejściowe spełniające równanie (13.42 ) jest 

równe napięciu progowemu 

 

2

1

1

R

R

R

U

U

U

wy

p

we

+

±

=

±

=

   

      (13.43) 

 

U

CC

R

2

R

1

U

we

U

wy

U

r

U

d

U

CC

U

R1

U

CC

R

2

R

1

U

we

U

wy

U

r

U

CC

U

R1

a)

b)

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

39

Szerokość histerezy charakterystyki przejściowej opisuje 

wzór: 

 

2

1

1

min

max

2

1

1

2

)

(

2

R

R

R

U

U

U

R

R

R

U

U

CC

wy

wy

P

p

+

+

=

=

        (13.44) 

 

 

 

 

 

 Układ z dodatkowym napięciem 

 

0

1

=

=

d

R

we

r

U

U

U

U

 

 

2

1

1

1

)

(

R

R

R

U

U

U

d

wy

R

+

=

 

2

1

2

1

R

R

U

R

U

R

U

U

d

wy

p

we

+

+

±

=

±

=

 

 

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

40

Generator relaksacyjny RC 

 

Cykliczne 

przeładowywanie 

kondensatora 

przez 

rezystancję w obwodzie zasilanym napięciem

 stałym jest 

wykorzystywane 

do 

generowania 

przebiegów 

trójkątnych,  piłokształtnych  i  prostokątnych  w  różnych 

układach  generatorów  relaksacyjnych.  Zależnie  od 

budowy  i  zastosowania  są  to  oscylatory,  multiwibratory 

astabilne, 

multiwibratory 

bistabilne, 

generatory 

funkcyjne, timery.  

Podstawowy  układ  generatora  relaksacyjnego

  (rys.) 

zbudowany  jest  z  układu  bądź  elementu  o  silnie 

nieliniowej  charakterystyce  z  histerezą,  np. 

przerzutnika 

Schmitta  oraz  dwójnika  opóźniającego  RC

.  Dwójnik, 

zasilany 

napięciem 

wyjściowym 

przerzutnika,  

doprowadza na jego wejście napięcie z kondensatora.  

 

 

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

41

 

 

 

 

 

 

 

 

Przebieg napięcia kondensatora jest śledzony za pomocą 

komparatora.

 Gdy napięcie kondensatora osiąga wartość 

ustalonego  progu, 

komparator 

inicjuje  przełączenie 

napięcia  źródła  ładowania.  Następuje  przeładowywanie 

kondensatora  do  napięcia  o  przeciwnej  polaryzacji,  do 

czasu jego ponownego przełączenia.  

Częstotliwość  pracy  układu  można  wyznaczyć  na 

podstawie  analizy  przebiegu  napięcia  na  kondensatorze. 

Wyznaczymy 

je 

analizując 

obwód 

ładowania 

kondensatora.  

C

wy

U

i

R

U

+

=

 

 

 

      (13.45) 

Rys.13.16.  Generator relaksacyjny: a) schemat ideowy generatora, b) schemat obwodu 
ładowania kondensatora, c) Przebiegi napięć w układzie generatora relaksacyjnego 

 

C

R

U

wy

R

2

R

1

U

we

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

42

=

0

1

C

C

U

idt

C

U

   

 

      (13.46) 

C

C

wy

U

dt

dU

RC

U

+

=

   

 

      (13.47) 



+

+

=

RC

t

wy

C

e

R

R

R

R

U

t

U

2

1

1

2

2

1

)

(

 

 

      (13.48) 

Znając  przebieg  napięcia  można  wyznaczyć  czas  jaki 

upłynie  do  chwili  przełączenia  tj.  osiągnięcia  przez 

napięcie  kondensatora  wartości  progowej.  W  tym  celu 

należy  przyrównać  wzór  (13.48)    z  wzorem  na  napięcie 

progowe (13.43) 

2

1

1

*

2

1

1

2

2

1

R

R

R

U

e

R

R

R

R

U

wy

RC

t

wy

+

=





+

+

   

      (13.49) 

 Czas t

*

 jest zarazem półokresem oscylacji t

*

=T/2. 

stąd: 





+

=

2

1

2

1

ln

2

R

R

RC

T

   

 

                       (13.50) 

 

 

 

 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

43

Generator funkcyjny 

 

Generator funkcyjny, którego schemat przedstawiono na 

rys.  umożliwia  uzyskanie  napięcia  zmiennego  w 

kształcie prostokątnym i trójkątnym. W celu rozszerzenia 

funkcji  układu,  napięcie  trójkątne  można  dalej  zamienić 

na  sinusoidalne  za  pomocą  dodatkowego  układu 

przekształcającego,  np.  realizującego  aproksymację 

odcinkową.  Generator  składa  się  z  integratora  i 

przerzutnika  Schmitta  w  układzie  nieodwracającym.  

Sygnał  wyjściowy  o  stałej  wartości 

wy

U

±

jest  zarazem 

sygnałem  wejściowym  układu  całkującego.  Ładowanie 

kondensatora odbywa się więc stałym prądem  

R

U

I

wy

C

=

 

zależnym  od  napięcia  generatora  dzięki  czemu  napięcie 

wyjściowe  integratora  zmienia  się  liniowo.  Przy 

Rys. 13.17.  Schemat prostego generatora funkcyjnego 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

44

dodatniej  wartości  prądu  I

C

  a  zarazem  przy  dodatnim 

napięciu  wyjściowym  układu,  pochodna  napięcia 

integratora  ma  znak  ujemny  a  zbocze  przebiegu 

piłokształtnego jest malejące.    

Okres 

oscylacji 

napięcie 

progowe 

wynoszą 

odpowiednio: 

 

2

1

R

R

RC

T

=

,  

2

1

R

R

U

U

wy

p

=

. 

Układ czasowy  

 

Układ 

(rys.13.18a) 

jest 

budowany 

dwóch 

komparatorów  reagujących  na  dwa  poziomy  wartości 

napięcia  kondensatora  ładowanego  przez  szeregowo 

połączone  oporniki  R

1

  i  R

2

.  Wyjścia  komparatorów 

śledzących napięcie kondensatora sterują przerzutnikiem 

RS (Flip – Flop), na którego wyjściu prostym pojawia się 

napięcie  prostokątne  o  regulowanej  amplitudzie  i 

częstotliwości.  W  stanie  ustalonym,    ładowanie 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

45

kondensatora  odbywa  się  od  napięcia  odniesienia 

komparatora dolnego 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.  13.18.    Układu  czasowy:  a)  schemat  poglądowy  układu,  b)  realizacja  za  pomocą 
scalonego timera 555 (pokazano elementy wewnętrzne i dobierane elementy zewnętrzne)   

 

Q

Q

S

R

U

CC

U

min

U

max

wyj

K

1

K

2

C

R

U

C

Q

Q

S

R

U

CC

Di(7)

Th(6)

C(5)

wyj

Re(4)

(8)

R

1

R

2

C

(3)

K

1

K

2

R

R

R

T

GND

  a) 

b) 

b) 

background image

 

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 

46

 

 

 

 

 

na  poziomie  niskim,  równym 

CC

U

U

3

1

min

=

  do  napięcia 

odniesienia komparatora górnego na poziomie wysokim, 

CC

U

U

3

2

max

=

. Po załączeniu układu następuje ładowanie się 

kondensatora  do  napięcia  U

min 

,w  czasie  którego  na 

wyjściu  komparatora  dolnego  jest  sygnał  wysoki. 

Podczas  dalszego  ładowania  się  kondensatora  do 

napięcia U

max

, na wyjściach obydwóch komparatorów  są 

sygnały niskie a na wyjściach przerzutnika są pamiętane 

poprzednie  wartości  logiczne.  Przekroczenie  wartości 

U

max 

uaktywnia  wyjście  komparatora  górnego  i  podanie 

jedynki  na  wejście  R  przerzutnika,  zmieniając  sygnały 

wyjściowe przerzutnika na przeciwne.