Генератор прямоугольных напряжений на логических элементах

1.1.1 LC-генераторы

На рис.1.2 показана схема LC-генератора c трансформаторной связью, которая представляет собой усилительный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером. В качестве коллекторной нагрузки используется резонансный LC-контур с высокой добротностью.



Рисунок 1.2 - Схема генератора с трансформаторной связью

Сигнал обратной связи снимается со вторичной обмотки резонансного контура и через разделительный конденсатор Ср подается на базу транзистора обеспечивая суммарный фазовый сдвиг равный (баланс фаз). Если принять индуктивную связь между первичной (w1) и вторичной (w2) обмотками идеальной, для обеспечения баланса амплитуд необходимо выполнить условие:

Где β - коэффициент усиления по току транзистора, число витков первичной и вторичной обмоток, соответственно. Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура:

На рис.1.3 представлена часто используемая схема генератора Колпитца, выполненная на полевом транзисторе. Параллельный LC- контур установлен на входе и с выхода на вход через конденсатор Сос подается сигнал обратной связи. Частота синусоидальных колебаний напряжения на выходе генератора, как и в предыдущей схеме, обусловлена параметрами LC-контура.

Рисунок 1.3- Генератор Колпитца

Одним из важнейших параметров любого генератора является коэффициент нестабильности частоты генерируемых колебаний

Где - абсолютное отклонение частоты от номинального значения f. За счет колебаний температуры и напряжения источника питания коэффициент нестабильности транзисторных LC-генераторов не превышает десятых долей процента.

1.1.2 Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты

Существенное уменьшение нестабильности генераторов может быть достигнуто за счет использования кварцевого резонатора, который представляют собой особым образом вырезанную и отшлифованную пластину натурального или искусственного кварца. Кварц - пьезоэлектрик, поэтому упругие колебания кристалла могут быть вызваны приложением электрического поля, а эти колебания, в свою очередь, генерируют напряжение на гранях кристалла. В этом случае кристалл ведет себя как RLC-элемент, эквивалентная схема которого приведена на рис.1.4.



Рисунок 1.4 - Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора

Два конденсатора эквивалентной схемы дают пару близко расположенных резонансных частот - последовательного и параллельного контура, отличающихся друг от друга не более чем на 1%. В целом кварцевый резонатор ведет себя как резонансный контур с высокой добротностью (около 10000) и высокой стабильностью параметров. При включении резонатора в положительную обратную связь и выполнении условия баланса амплитуд на резонансной частоте возникают автоколебания.

Рисунок 1.5 - Генератор Пирса

На рис.1.5 представлен генератор синусоидальных колебаний на полевом транзисторе, который известен как генератор Пирса. За счет кварцевого резонатора фаза выходного сигнала изменяется на 1800, т.е. суммарный сдвиг фазы по отношению к сигналу на затворе достигает , что приводит к возникновению колебаний на резонансной частоте кварца. Другая схема (рис.1.6) представляет собой аналог генератора Колпитца (рис.1.3), в котором LC - контур заменен кварцевым резонатором. Наличие кварцевого резонатора обеспечивает коэффициент нестабильности генератора не выше 10-6 в диапазоне температур от 0 до 50^оС.

Рисунок 1.6 - Кварцевый генератор Колпитца
Генераторы, аналогичные рассмотренным, целесообразно использовать на высоких частотах. Это связано с тем, что по мере снижения частоты генерации габаритные размеры LC- контура недопустимо возрастают. Изготовление кварцевых резонаторов на частоты ниже нескольких десятков килогерц также связано со значительными технологическими трудностями.